第一情报 ---装备制造业

世界智能传感器发展动向

供稿人:王德生  供稿时间:2018-5-14   关键字:智能传感器  MEMS传感器  CMOS图像传感器  

智能传感器指具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维和判断功能的传感器。和传统传感器相比,智能传感器充分利用集成技术和微处理器技术,集感知、信息处理、通信于一体,能提供以数字量方式传播的具有一定知识级别的信息。自美国宇航局(NASA)在20世纪80年代提出智能传感器的概念以来,经过几十年的发展,智能传感器已成为传感器技术的一个主要发展方向,代表着一个国家的工业及科研技术能力。

一、总体特征
1.全球智能传感器市场处于快速上升态势

据中国信息通信研究院(以下简称“中国信通院”,是工业和信息化部直属科研事业单位)最新的数据统计,2015年智能传感器就已取代传统传感器成为市场主流,占比为70%,2016年全球智能传感器市场规模达258亿美元(1710亿人民币),预计2019年将达到378.5亿美元,年均复合增长率约为13.6%。从应用场景来看,消费电子是智能传感器应用最广泛的领域,2016年市场占比接近70%;接下来依次是汽车电子、工业电子和医疗电子(图1);新兴应用如智能机器人和智能医疗器械将在未来几年为智能传感器提供高弹性增长的市场空间。从产品类型来看,CMOS图像传感器市场占有率最高,占据全球近45%的市场份额,其次是指纹传感器、压力传感器、射频识别传感器,三者市场占有率均为9%(图2)。

图1 2016-2019年全球四大应用领域的智能传感器市场规模(百万美元)

资料来源:中国信通院

 

图2 2016年全球智能传感器各产品占比

资料来源:中国信通院

2.美洲地区市场份额占比最大,亚太地区增长快速

据Global Market Insights发布的数据,2015年在全球智能传感器区域市场中,美洲地区市场规模最大,占据全球45%的市场份额,美洲地区预计在2022年前将一直主导智能传感器市场;亚太地区(中国、日本、韩国、印度、澳大利亚)位列第二,占据23%,由于汽车和消费电子领域等下游产业的带动,亚太地区成为市场规模增长最快的地区;欧洲地区占据17%,其他区域市场份额占比约为15%(图3)。

图3 2015年全球各地区智能传感器市场占比

资料来源:Global Market Insights.

3. 智能传感器的重要性在智能物联网时代更加凸显

在当前智能时代的推动下,智能传感器的重要性更加凸显,不仅在《中国制造2025》、《德国2020高技术战略》及欧盟、美国、韩国、新加坡等推进的智慧城市等战略方面发挥着重要的支撑作用,而且也在物联网、虚拟现实(VR)、机器人、智能家居、自动驾驶汽车等产业发展中发挥着关键作用。高性能、高可靠性的多功能复杂自动、测控系统以及基于射频识别技术的物联网的兴起与发展,愈发凸显了具有感知、认知能力的智能传感器的重要性及其大力、快速发展的迫切性。

二、重点领域

智能传感器的产品类型多样,按照不同的分类标准就有不同的分类类别。例如按智能化的实现方式可分为:非集成式智能传感器、集成化智能传感器和混合式智能传感器;按技术不同可分为:基于MEMS的传感器、基于CMOS的图像传感器和其他(光谱学、ASIC等)的传感器。

1. MEMS传感器

MEMS(Micro—Electro Mechanical System,微机电系统)传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器,与传统的传感器相比,MEMS传感器[1]具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高,适于批量化生产、易于集成和实现智能化等特点。物联网时代下的传感器对物理尺寸十分敏感,传感器的微型化对物联网产业的发展至关重要。MEMS传感器正逐步取代传统机械传感器的主导地位,在消费电子、汽车工业、航空航天、机械、化工及医药等领域展开广泛应用。

图4 2017—2022年不同MEMS器件的复合年均增长率及市场规模(单位:亿美元)

说明:气泡大小代表到2022年市场规模

资料来源:麦姆斯咨询(MEMS Consulting).

据麦姆斯咨询(MEMS Consulting)数据,2016年全球MEMS传感器市场规模约114亿美元,到2021年市场规模将达到220亿美元,年均复合增长率为14%。其中,射频MEMS、振荡器、微流控和气体传感器成为MEMS增长驱动力(图4)。

当前全球前十名MEMS厂商是博世、意法半导体、惠普、德州仪器、应美盛、安华高、Qorvo、楼氏电子、佳能和松下。博世因为其在汽车电子和消费电子的双重布局,牢牢占据着第一的位置。目前,大部分MEMS行业的主要厂商是以Fabless(只做设计,没有生产)为主,例如楼氏、惠普、佳能等。同时,也有IDM(Integrated Device Manufacture,集成器件制造模式,从设计,到制造、封装测试以及投向消费市场一条龙全包的企业,称为IDM公司)厂商垂直参与到整条产业链的各个环节,比如博世、意法半导体等都建有自己的晶元代工生产线。

MEMS传感器趋向微型化、材料多样化、无源化方向发展。受益于物联网产业的快速发展,将对MEMS行业带来巨大的发展红利。除了智能手机,MEMS传感器将在 AR/VR、可穿戴等消费电子,智能驾驶、智能工厂、智慧物流、 智能家居、环境监测、智慧医疗等物联网领域广泛应用。

2.CMOS图像传感器

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物场效应管)图像传感器芯片采用CMOS工艺,将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上,适合大规模批量生产,适用于要求小尺寸、低价格、摄像质量无过高要求的应用,如保安用小型和微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量商用领域。20世纪80年代,英国爱丁堡大学成功制造出世界上第一块单片CMOS图像传感器件。目前,CMOS图像传感器正在得到广泛的应用,具有很强的市场竞争力和广阔的发展前景。

据市场研究调查机构IC Insights的数据,2015年全球CMOS图像传感器市场规模增长12%,达到99亿美元,而2015年也是连续5年年度销售创新高。IC Insight预测2015年至2020年期间,CMOS图像传感器市场将以9.0%的年均复合增长率逐年增长,到2020年市场规模将达到152亿美元。

IC Insights表示,过去的增长主要基于智能手机和数码相机对CMOS图像传感器的采用,但现在及以后的增长则主要扩大到汽车、安全和医疗应用。汽车以后很可能会需要几个甚至更多的图像传感器用于观察行人,注意外面可能发生的事故或录制撞车等其他事故的视频。预计汽车系统将成为CMOS图像传感器增长最快的应用,未来5年全球销售将以55%的年均复合增长率发展,到2020年市场规模达22亿美元(占2020年CMOS图像传感器市场规模的14%)。紧随汽车之后的是安防(以36%的年均复合增长率增长到9.12亿美元)、医疗/科学应用(以34%的年均复合增长率增长到8.67亿美元)、玩具/电子游戏(以32%的年均复合增长率增长到2.74亿美元)和工业系统(以18%的年均复合增长率增长到8.97亿美元)。同时,CMOS图像传感器领先应用的智能手机预计将以1%的年均复合增长率到2020年达到73亿美元(市场占比为48%)。用于PC和平板电脑的相机模块中的CMOS图像传感器预计会以6%的年均复合增长率发展到2020年的9.73亿美元,而用于独立数码相机的传感器销售预计在未来5年达到6.23亿美元(图5)。

图5 2015年和2020年全球CMOS图像传感器应用领域份额占比

资料来源:IC Insights

在CMOS图像传感器领域,无论是在技术方面和市场方面,索尼都是该行业的领先者,2015年其占据全球市场35%的份额。除了索尼外,市场上的其他几大厂商分别是三星(19%)、豪威科技(OmniVision)(12%)、安森美半导体(8%)、佳能(4%)、东芝(3.4%)、松下(3.3%)、SK海力士(3.1%)、格科微(2.7%)和意法半导体(2%)。


主要参考资料:

1、麦姆斯咨询 http://www.memsconsulting.com/.

2、中国信通院 http://www.caict.ac.cn/

3、工控网 http://gongkong.ofweek.com/2016-05/ART-310018-8420-29094325.html


[1] MEMS传感器种类繁多,主要的MEMS传感器包括运动传感器、压力、麦克风、环境、光传感器等。其中运动传感器可分为陀螺仪、加速度计、磁力计,环境传感器可细分为气体、温度和湿度传感器。


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