中國為什么要發(fā)展傳感器？

春節(jié)期間，中央電視臺罕見地制作了《傳感中國》系列節(jié)目，并在《新聞聯(lián)播》等重要欄目中播放，有力地向全國人民科普了傳感器（相關內(nèi)容參看《罕見！央視推出傳感器系列節(jié)目》）。 但是，傳感器為什么重要？中國為什么要發(fā)展傳感器？中國傳感器產(chǎn)業(yè)面臨著哪些嚴峻的問題？ 無處不在的傳感器 我們所知道的大國重器，都極度依賴傳感器。 “遼寧號”“山東號”航空母艦、093型攻擊型核潛艇、094型彈道導彈核潛艇、055型導彈驅(qū)逐艦、殲20戰(zhàn)斗機……等等，無不遍布各種光電、紅外、慣導傳感器。 東風–31A、東風–41、東風–5B等洲際彈道導彈，以及其他各種制導武器，依賴慣性測量單元（IMU）、激光傳感器、紅外傳感器、毫米波傳感器、光電傳感器、雷達等各種傳感器進行制導，以精確命中目標。

▲國內(nèi)制導武器的主要制導方式 可以說，現(xiàn)代武器，就離不開傳感器。 中國“天空”空間站核心艙“天和”號，是空間站的管理和控制中心，負責空間站組合體的統(tǒng)一管理和控制，擁有核心傳感器300多個，測量長達900多路信號，傳感器全部為自主研發(fā)，感知、控制著整個空間站的各項數(shù)據(jù)。 神舟十三號載人飛船與中國空間站天和核心艙，實現(xiàn)首次徑向交會對接，主要功臣就是我國航天科工某所自主研制的微波雷達，微波雷達相繼導引天舟二號、神舟十二號、神舟十三號飛船與天和核心艙完成交會對接。

▲在微波雷達引導下，首次載人飛船在太空實施徑向交會對接 中國空間站機械臂，可用于飛行器的捕獲、輔助航天員艙外活動、艙外貨物搬運、艙體狀態(tài)檢查、載荷照料等重要任務，是空間站最具實用價值的工具，其核心是中國航天科技集團公司某所歷時10年研發(fā)的3款傳感器，打破了國外企業(yè)在該領域的技術壟斷。 其中，六維力傳感器是三款傳感器中結(jié)構最為復雜、研制難度最大的一款，能夠同時測量三個方向上的力分量和轉(zhuǎn)動時的力矩分量；一維力傳感器主要負責機械臂末端執(zhí)行器在實施目標抓取和拖動功能時，對拖動力進行監(jiān)測；一維力矩傳感器則用于感知機械臂關節(jié)轉(zhuǎn)動時所承載的力矩，實現(xiàn)整臂的柔順控制。

近幾年火熱的自動駕駛技術，無論是哪種方案，都至少需要用到攝像頭、毫米波雷達、超聲波雷達、激光雷達等數(shù)種傳感器，進行信息感知。

▲特斯拉自動駕駛圖像識別 一部手機里面有10+個傳感器，一輛汽車有300+個傳感器，一列高鐵有2400+個傳感器……在制造業(yè)、在人工智能、在物聯(lián)網(wǎng)、……傳感器無處不在。 從上面這些例子，我們可以看到傳感器很重要，幾乎沒有任何現(xiàn)代信息技術可以離開傳感器的應用。

因此，傳感器技術被列為現(xiàn)代信息技術三大支柱之一，另外兩大支柱是通信技術和計算機技術，代表性科技就是文首說的5G通信和芯片。 傳感器是構建智能工業(yè)和智能社會大廈的基石，如同一座數(shù)百米的高樓建筑，離不開深入地下幾十米的地基。 我國在“十四五”規(guī)劃綱要中明確提出，要聚焦傳感器等關鍵領域，加快推進基礎理論、基礎算法、裝備材料等研發(fā)突破與迭代應用。 日本、德國、美國、俄羅斯等國家，也先后將傳感器列入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略中。

美國著名商業(yè)雜志《福布斯》曾經(jīng)做過評選調(diào)查，列出了改變世界和人們生活的10大科技產(chǎn)品，將傳感器列排在首位。

傳感器是人類創(chuàng)造出來，賦予機械以感知能力的科技。試想一下，如果一個人沒有了視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺等等感知，只剩下思考和行動的能力，那這個人能做的事情將非常有限。 而這，就是傳感器對于現(xiàn)代科技的意義。 傳感器撬動了多大的市場？ 從1883年全球首臺恒溫器正式上市，到20世紀40年代末第一款紅外傳感器問世；直到現(xiàn)在，全球傳感器的種類已高達35000余種。 從技術和應用類型來看，傳感器分為溫度、壓力、超聲波、流量、電阻、圖像傳感器等；從學科來看，包含聲光電等，傳感器還分為化學、物理、生物傳感器等；從產(chǎn)業(yè)布局上來看，分為消費級、汽車電子、工業(yè)級、醫(yī)療傳感器四種。

▲傳感器分類表 根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院、前瞻經(jīng)濟學人等機構的預測，2019年中國傳感器市場規(guī)模2188.8億元，同比增長12.7%，2020年中國傳感器市場規(guī)模將突破2500億元，2021年增至2951.8億元。

2021年中國傳感器市場規(guī)模近3000億！ 然而，這僅僅是傳感器市場的規(guī)模，作為數(shù)字生活的起點，傳感器撬動起了萬億市場。 日常生活中，我們對傳感器感知較多的，是智能家居、可穿戴設備、智能移動終端等領域。 以可穿戴設備為例，一個耳帶設備（主要為藍牙耳機），有語音交互、健康監(jiān)測及助聽等功能，依賴于MEMS麥克風、距離傳感器等傳感器。 一塊智能手表/手環(huán)，常規(guī)的擁有心率、血氧、運動模式監(jiān)測等功能，高級些的甚至有海拔氣壓、血壓、ECG心電等監(jiān)測功能，這些功能依賴于相關的光電傳感器、壓力傳感器、陀螺儀等傳感器。 那么可穿戴設備的市場有多大？ 根據(jù)2022年3月著名市場調(diào)研機構IDC發(fā)布的《中國可穿戴設備市場季度跟蹤報告，2021年第四季度》數(shù)據(jù)顯示，2021年耳戴設備市場出貨量7,898萬臺；2021年手表市場出貨量3,956萬臺；2021年手環(huán)市場出貨量1,910萬臺，2020年到2021年手環(huán)市場平均價格從27美金漲到34美金。 據(jù)《財富》調(diào)查報告顯示，健身可穿戴設備市場規(guī)模已達到363億美元，復合年增長率將達15.4%，據(jù)預測，2028年該市場規(guī)模將超過1100億美元，約合7000多億人民幣。

而這僅是可穿戴設備市場！智能家居、智能移動終端等市場規(guī)模，更遠在可穿戴設備之上。 如果沒有先進的傳感器，我想人們很難說服自己購買一塊與傳統(tǒng)手表差不多的“智能”手表/手環(huán)，某種意義上來說，“智能”二字是靠傳感器賦予的。 手表/手環(huán)可以感知你的心率、血氧情況，可以監(jiān)測現(xiàn)在的氣壓計算現(xiàn)在的海拔，甚至可以做血壓監(jiān)測、ECG心電監(jiān)測，更進一步掌握身體情況……這些，都是傳統(tǒng)手表、電子手表無法做到的，也是驅(qū)動人們?nèi)ベ徺I的因素。 然而無論是華為手表、小米手表還是OPPO手表等各“國產(chǎn)”可穿戴設備品牌，里面裝著的傳感器，90%以上都是意法半導體（ST）、博世、英飛凌……等國外品牌產(chǎn)品。 VR/AR設備、元宇宙、智能車輛網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能……這些應用場景組成了我們的數(shù)字經(jīng)濟，這其中傳感器的身影無處不在。 根據(jù)中國信通院發(fā)布的《中國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展白皮書》顯示，我國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模達22.6萬億，占GDP比重達30%，而數(shù)字經(jīng)濟的起點，就是傳感器。

以上，基本屬于傳感器消費電子市場，除了消費電子外，汽車電子、工業(yè)電子、醫(yī)療電子等領域，也是傳感器發(fā)揮重要作用的地方，傳感器所撬動的龐大產(chǎn)業(yè)可見一斑。 小小的3000億市值的傳感器，撬動的是數(shù)十萬億計的龐大市場。中國傳感器產(chǎn)業(yè)都是脖子！ 沒有芯片，華為的新手機用不上5G；沒有壓力傳感器，一座千億級產(chǎn)值的現(xiàn)代化工廠可能就要面臨停工。 國產(chǎn)傳感器市場份額低 根據(jù)《中國傳感器發(fā)展藍皮書》披露的數(shù)據(jù)看，“國內(nèi)中高端傳感器進口占比達80%，傳感器芯片進口更達90%，國產(chǎn)化缺口巨大”。而這只是總體數(shù)據(jù)，具體到細分市場，許多傳感器細分領域更是慘不忍睹！ 汽車傳感器市場，主要傳感器產(chǎn)品有壓力、溫度、轉(zhuǎn)矩、氣體、液位、電流、照度、超聲波雷達、毫米波雷達、激光雷達……但國產(chǎn)廠商占比僅2%，其余98%被博世、英飛凌等國外大廠瓜分。 主要原因是車規(guī)級傳感器要求嚴格，國產(chǎn)大部分傳感器產(chǎn)品存在不能批量生產(chǎn)、可靠性差、性價比不高等情況，同時國家支持力度、政策不足，汽車企業(yè)更傾向于向穩(wěn)定、成熟的國外企業(yè)購買傳感器。 在海洋傳感器市場，我國更是零蛋，這個領域的傳感器100%都是國外進口，我國沒有任何企業(yè)能夠自主制造。我國研制的所有海面浮標、潛標、海床基等使用的溫度、壓力傳感器，都是從國外進口的。

▲海洋CTD儀（鹽溫深儀，用于測量海水電導率，溫度和壓力） 在消費電子、汽車電子、醫(yī)療電子以及高端工業(yè)制造方面，國產(chǎn)傳感器市場占比不超過10%，已經(jīng)成為業(yè)界共識。沒有自己的傳感器設計軟件 現(xiàn)在我們知道，工業(yè)設計軟件是中國制造的軟肋，同樣，也是傳感器產(chǎn)業(yè)的軟肋。 MEMS技術是傳感器的重要發(fā)展技術，目前已經(jīng)占據(jù)1/3左右的傳感器市場，隨著集成化、智能化、低功耗等趨勢愈發(fā)明顯，MEMS技術也將越來越重要。 傳感器設計軟件主要是指以MEMS CAD（計算機輔助設計軟件）為首的工業(yè)軟件，是MEMS傳感器設計實現(xiàn)電子設計自動化（EDA）的關鍵。 沒有傳感器設計軟件，我們就設計不了MEMS傳感器。傳感器產(chǎn)業(yè)最慘的是完全沒有一套國產(chǎn)的、可用的傳感器設計軟件，而傳統(tǒng)工業(yè)軟件領域，我們還有華大九天、廣州中望等公司的工業(yè)設計軟件產(chǎn)品可以用。

MEMS設計軟件，主要是IntelliSense、Coventor這兩款美國軟件，兩家合計幾乎占據(jù)中國傳感器設計軟件100%市場份額。有多夸張？國家高技術研究發(fā)展計劃（俗稱“863”計劃），其中MEMS研究項目的30個研究小組，全部使用Coventor的軟件。 如果美國一個制裁，中國企業(yè)連一顆傳感器芯片也設計不了！ 制造工藝落后我國高端傳感器核心制造裝備目前主要依靠進口，國內(nèi)廠商靠自身積累很難進行設備和工藝更新，雖然具備一批自主研發(fā)的工藝和產(chǎn)品，但主要性能指標仍和國外差 1～2 個數(shù)量級，使用壽命 差 2～3 個數(shù)量級。 更先進的MEMS傳感器方面，盡管對芯片制造進程要求不高，我國目前已有不少晶圓芯片代工廠能生產(chǎn)MEMS傳感器芯片，但即使硬件條件與國際水平相近，工藝技術和經(jīng)驗卻無法達到國外工廠規(guī)模生產(chǎn)的標準。 在全球17家主流MEMS芯片代工廠，除了寶島臺灣的臺積電、世界先進、聯(lián)電等傳統(tǒng)代工廠，中國本土只有賽微電子收購的位于海外瑞典的Silex入榜，再無其他本土MEMS代工廠入圍，可見中國大陸本土傳感器芯片產(chǎn)業(yè)對全球供應鏈影響力幾乎為0。主流MEMS芯片代工廠參看《全球MEMS實力最強的17家代工廠》內(nèi)容。

可以說中國傳感器產(chǎn)業(yè)，從設計、制造到市場，全都是脖子！ 結(jié)語 中國為什么要發(fā)展傳感器？ 因為傳感器太重要了，對現(xiàn)代科技來說，傳感器是眼睛、是耳朵、是皮膚……是溝通現(xiàn)實世界與虛擬世界的橋梁，是賦予機械以感知能力的人類黑科技。 傳感器撬動了數(shù)十萬億產(chǎn)值的龐大市場，從數(shù)字經(jīng)濟、汽車、醫(yī)療到現(xiàn)代化制造，都離不開傳感器。 然而我國傳感器產(chǎn)業(yè)，無論是設計、制造、市場，從上之下均沒有太多亮點，90%以上依賴進口產(chǎn)品，一旦被卡，傳感器以及隱藏在傳感器背后的龐大產(chǎn)業(yè)，將岌岌可危。 中國亟需發(fā)展傳感器！ 對本文有什么看法？歡迎在傳感器專家網(wǎng)公眾號本內(nèi)容底下留言討論，或在中國最大的傳感社區(qū)：傳感交流圈中進行交流。

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審核編輯黃宇