光传感器需求日增,加快国产化进程势在必行

半导体行业观察2020-09-25 08:00:01

来源:内容来自工信部,谢谢。


传感器技术作为信息技术的基础与三大支柱之一,受到世界发达国家的高度关注和竞相追逐研究。光传感器主要由光敏元件组成,是目前传感器的主要分支之一,在物联网以及信息技术的发展上有着至关重要的地位。随着信息时代对检测精度的要求越来越高,传统的光传感器已经不能满足新形势的需求,因此在世界范围内,利用现代科学技术,研究开发各类新型光传感器和敏感功能材料。


光传感器件除获取感官光线变化外,更可获取人类无法获取的其它敏感信息, 作为现代检测和自动控制装置的重要组成部分,它的飞速发展是二十一世纪高新 技术领域的制高点,在现代科学技术领域中的地位越来越重要。在当今社会,光 传感器件在汽车、工业、医疗和消费电子领域的普及率越来越高,成为智能产品 设计的一个重要标志,特别是近几年来智能手机、智能照明、数码电子产品、智 能制造和物联网技术的发展,使得光传感器件应用越来越普及。


因此,光传感器件是光电子器件极为重要的分支,编制我国未来几年光传感器件的发展路线图对推动我国光传感器件,以及下游物联网、智能移动终端、智能制造等应用市场的发展有着十分重要的意义。


光传感器件的产品范围

光传感类别非常多,应用领域极广,常见的有以下几个类别:


(1)图像传感器


图像传感器是一种感光元件,是目前占整个光传感器市场最大份额的传感器, 在安防和消费类电子市场双重推动下,近 20 年来,图像传感器的市场需求量节节攀升。尤其是在消费电子市场,从数码相机开始,到功能型拍照手机,到智能手机,再到目前流行的双摄像头手机,CMOS 图像传感器成为图像传感器的主流, 全球需求量持续增长。


(2)红外传感器


红外传感器是以红外线为介质的传感器,也是目前最常见的光传感器类型。红外传感器在测温仪器、测距仪器、气体探测器、图像识别装置、接近感应装置 等设备中已经获得广泛应用。最近,IPHONE 8 等新型智能手机采用的面部识别技术推动微型化的红外传感器模块在手机中大量使用,市场需求量正在高速成长。


(3)光纤传感器


光纤传感器是光传感器的另一个主要类别,光纤传感器以光纤作为敏感元件和传输介质,具有灵敏度高、几何形状适应性强、可制造的传感器类别多、适用于极端环境、与光纤遥测技术内在相容等诸多优点。在国防、航空、石油、建筑、抗震等领域有巨大的市场需求。


(4)环境光传感器


环境光传感器是可以感知周围光线情况,并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度的传感器。环境光传感器目前在手机、显示器、平板电脑等产品中大量使用,为整机产品起到节能的作用。


(5)激光传感器


激光传感器最大的用途在于测距,它的优点是能实现无接触远距离测量、速度快、精度高、量程大、抗光电干扰能力强等。目前激光测距设备已经很常见, 尤其在未来的无人驾驶技术上,车载激光传感器将作为无人驾驶汽车的眼睛,成为实现无人驾驶的关键。此外,激光气体传感器目前也已获得应用。


(6)紫外线传感器


紫外线传感器灵敏度高、应用广泛,与其他类型光电传感器相比,其发热少、消耗能量小、成本较低,并且可以检测到裸眼看不到的信息,是目前较为普遍应用的光传感器之一,尤其在穿戴式设备中,紫外线传感器有巨大的市场潜力。


(7)其他光传感器


光传感器的类别还有很多,随着传感技术的发展,应用领域仍在不断拓展。比如最近几年出现的光电心率传感器,此类产品是光传感器在穿戴式设备和健康医疗设备上的最新应用,原理是通过内置或外置的 LED 光源发射光线照射在手腕或者手臂上,部分光通过皮下组织反射传输而产生一个电压信号,由硬件电路获得这个信号。因为微血管组织中血容量的变化与心脏节律有关,因此反射光信号的强度随着心脏的搏动有节律性变化,通过分析反射光信号,就可达到统计心率的目的。光电心率传感器是实现穿戴式设备心率监测的关键元件,随着穿戴式设备的普及,此类传感器有着巨大的市场空间。


光传感器件产业发展现状

根据中国电子元件行业协会信息中心的数据,2016 年,全球光传感器市场规模达 1370 亿元。近年来,在智慧城市、物联网、智能移动终端、智能制造、机器人、智能电网、石油石化、新能源等下游应用市场的推动下,中国光传感器市场快速成长,成为拉动全球光传感器市场增长的主要力量。2016 年,中国光传感器市场规模达 778 亿元,约占全球市场规模的 57%。


预计到 2022 年,全球光传感器市场规模将成长至 1836 亿元,2016-2022 年复合增长率达 5%,中国光传感器市场规模将成长至 1180 亿元,2016-2022 年复合增长率达 7%。


尽管未来中国光传感器市场的增速依然可观,但由于我国传感器行业发展水平较低,本土企业实力弱小,因此要想在快速增长的市场中分一杯羹,难度依然很大。


在红外传感器领域,已有数家初具规模的生产企业,部分产品的技术指标能够满足国内市场需要,但在高端技术方面仍处于爬坡阶段。


在光纤传感器领域,由于国内几大光纤光缆大厂的投入,技术水平呈较快增长的趋势,但是目前国内生产的光纤传感器的种类仍然较少,企业销售额也大多在几千万到一亿元的范围内,而且企业销售额中很多是含有光纤传感器监测方案设计的费用,真实的光纤传感器业务

收入更低,国内大部分市场仍为国外企业占据。


在市场份额最高的图像传感器领域,目前,我国本土企业在 200 万像素以下的图像传感器国内市场中能占据 80%以上的市场份额,但是在手机摄像头的核心——高像素 CMOS 图像传感器领域,几乎看不到中国厂商的身影。目前,全球手机用高像素 CMOS 图像传感器主要被日本索尼、美国豪威科技、韩国三星等少数厂商占据。不过,2016 年,由中信资本、清芯华创和金石投资组成的财团收购了美国豪威科技,此次收购对我国图像传感器技术的发展将起到极大的推动作用。


激光传感器、环境光传感器、紫外线传感器等产品情况比较类似,国内从事研发和生产的企业很少,国内市场被国外进口产品瓜分殆尽。


总的来看,目前我国光传感器行业的现状主要是企业规模偏小、产品档次低、市场份额低,与我国蓬勃发展的光传感器市场极不相衬。


国外对开发和利用传感器技术相当重视,日本工商界人士甚至声称“支配可传感器技术就能够支配新时代”。我国传感器的研发工作开始晚于外国,加之受国民经济发展水平、资金等限制,致使技术落后,发展缓慢。据国内专家评估, 我国传感器的技术与欧、美等相比,在科研开发上要落后 10 年,在生产技术上落后 15 年。光传感器作为传感器行业的主要分支之一,与整个传感器行业的情况基本一致。


目前欧美日企业靠高端产品维持市场优势,国内企业以中低端产品开展价格竞争。形成国内外技术差距的原因主要有两个方面的原因:第一,国外高度重视功能材料的研究;第二,国外高度重视制造工艺的持续改进。国内外各国发展技术的途径也不同,通常以美国为代表的为先军工后民用、先提高后普及,走自主研发的路子;以日本为代表的侧重实用化和商业化,先普及后提高,走从引进、消化、仿制到自行改进设计创新的路子;而我国也是先军工后民用、先提高后普及,但受整体技术水平落后的限制,自主创新还任重道远。


国内光传感器产业的问题

从我国光传感器的发展来看,虽然取得了不错的成绩,但依然面对不小的问题:


国外传感器产业的新产品、新工艺、新材料不断涌现,而我国的传感器虽然所涉足的研究开发领城基本与国外相差无几,但在某些核心制造工艺技术上还严重滞后于国外。国内传感器产业的研究场所主要集中在科研水平较高和原创能力较强的大学与研究院所,它们的科研管理体制往往以发论文---申请项目费--- 做实验---出样品---评职称等为目标,进行基础理论指导下开展的应用研究以及

 

研制新产品、新工艺这类具有明确目的性的研究不够深入,造成多数科研成果和专利技术的针对性差、自身转化力弱、对外转化难等实际问题,研究效果不尽如人意,对产品化、商品化的基础技术的开发严重滞后,材料、制造工艺和装备、测试及仪器等相关和配套的共性基础技术相互脱节,产学研用严重脱节。


目前光传感器行业企业以中小企业为主,中小企业存在的问题主要表现在资源投入、运营能力和宏观管理方面,具体表现为人员素质低、技术装备落后、信息来源渠道不畅、信息收集手段落后、融资渠道过于单一等资源投入方面的问题, 财务风险高、管理风险高、产品风险大等运营能力方面的问题,宏观管理体制不顺畅、经济政策不公平等宏观管理方面的问题。中远期项目由于资金投入较大, 投资周期较长,回报缓慢,中小企业不愿意也没能力对其进行投资。


在光传感器产业领域,知识产权已成为各国竞争的焦点。近五年来,世界范围内尤其是美、日、韩等发达国家光电传感器新兴产业领域的专利数量激增,发明专利申请量增速显著加快,是同期传统产业领域发明专利申请平均增速的 3至 4 倍,而国内企业知识产权战略布局缺乏,专利数量有限,发明专利的实质性特点不突出。国内企业欲发展壮大,必须高度重视知识产权,加大知识产权工作力度,充分发挥知识产权制度的作用,支持战略性新兴产业健康、快速和可持续发展。


光传感器行业涉及光学、光电子学、微电子学、材料学、甚至计算机网络等多门学科,需要上中下游产业链互相衔接,更要保持基础研究与应用开发并举, 因此需要多元化的人才,特别是既懂技术又懂管理的复合型人才。而目前我国设置传感器专业的高校为数不多,这些年来光传感器企业对人才培养又没有给予足够的重视,导致了现今专业人才比较匮乏。另外受金融产品、房子价格上涨的伤害,科研人员急于解决吃、住、行,也不能沉下心搞研究,提高自身素质。


我国目前的经济政策主要是依据所有制类型和行业特性来制定的,而不是根据不同规模的企业所具有的不同行业特性来制定的,在经济政策上经常自觉或不自觉地偏好于大企业。如国家给非国有小企业的贷款规模过小,使之处于不平等的竞争地位。国家银行的呆账准备金、资本结构优化扶持金、新增贷款和新增上市额度等优惠政策几乎全对大企业倾斜。另外,中小企业还负担着各种税收构成以外名目繁多的收费,政府资助申请条件高,民间缺少真正意义上的风投,政策性资助难以落实。


为了发展国内传感器产业,需要倒逼新材料的发展,推进高端产品的开发,实现到 2022 年,我国光传感器行业本土品牌的销售规模总额得到大幅度提高, 国产化率达到 30%以上,产品门类基本齐全,产品性能和档次接近同时期国际先进企业水平,尖端产品能满足我国军工、航空航天等领域的要求的目标。


围绕产业基础相对较好的红外传感器和光纤传感器领域,推进大公司战略, 到 2022 年,培养 1-2 家红外传感器或光纤传感器产品年销售额超过 3 亿元,产品技术性能基本满足国内市场需求的本土企业。


围绕移动智能终端用图像传感器、环境光传感器、面部识别红外传感器、光电心率传感器等市场需求量巨大的微型光传感器类别,通过引进吸收的方式提高产品技术水平,加快民族品牌的培养。争取到 2020 年,有 1-2 家中国民族品牌的移动智能终端用微型光传感器销售额在相关产品领域进入全球前五名。到2022 年,中国民族品牌所生产的移动智能终端用微型光传感器产品,能满足当时全球主流移动智能终端产品的技术要求。


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