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中国传感器发展与国外传感器的发展有何差距?

时间:2022-09-28

来源:知识自动化

导语:传感器与高端芯片、工业软件一起被称为拓展和征战数字世界疆域的三大“利剑”,是衡量一国数字化竞争力的重要关键产品,是赢得数字时代战略竞争的杀手锏。

  目前,全球传感器市场主要由美国、日本和德国几家龙头企业主导。 美国、日本、德国和中国合计占全球传感器市场份额的72%,其中中国约占11%。在手机射频传感器领域,几乎都是美国博通、Qorvo的天下;在工业测量领域,则是博世、霍尼韦尔的地盘。在智能手机和智能网联汽车现在越来越火爆的MEMS传感器,博世独占天下20%。

  当前我国正在加快数字化转型、推进数字中国建设,传感器产业已经成为支撑万物互联、万物智能的基础产业,各领域数字化转型进程和深度跟传感器产业技术创新水平、产品供给能力等因素的重要技术产品,但我国较多领域传感器技术产品对外依存度较大,部分领域传感器技术产品供应商选择十分有限,存在严重安全发展隐患。

  中国仅仅在少量的传感器领域,如消费者传感器的耳机用MEMS传感器,有歌尔、瑞声等厂家抢回来一部分地盘。在绝大部分工业领域的高端场合,基本都是沦陷。在化工厂应用广泛的差压变送器,中国有两家仪表厂商的出货量超过30万台,但它们所使用的传感器,分别来自日本横河和美国艾默生。而唯一能够提供第三方的传感器,则在2019年被美国一家公司收购。如果一旦断供,化工厂将面临停产的风险。

  01、传感器的重要意义

  杠杆作用巨大

  传感器在国民经济和社会发展各领域中有着极为广泛的应用,智能手机、智能家居、智慧楼宇、智能汽车、智慧交通、智慧物流、智能制造、智慧医疗、应急救灾、疫情防控等各领域应用无处不在。传感器安装应用是产品智能提档、社会治理提升、服务升级的重要保障。现代智能产品中,传感器是一个不可或缺的部件,传感器嵌入能显著提升产品智能化水平,提升产品附加值。传感器在治安防控、环境保护、安全生产、应急救灾、市场管理等社会治理领域应用,能够实现在线数据实时采集,显著提升态势感知水平,提升实时治理水平。传感器应用扩大了信息采集范围,提升了信息采集反馈交互效率,提高了信息采集能力,是促进信息流高效引领技术流、资金流、人才流、物资流的重要技术产品保障。

  技术高度密集

  传感器是现代智能产品中极为关键的核心部件,在移动智能终端、智能网联汽车、智能家居、医疗设备、智能装备、数控仪器仪表等高端电子信息物理系统中,传感器都是关键的核心部件,决定系统的能力、功效和品质,扮演着极为关键作用。以智能手机为例,高端智能手机中的传感器多达十多款,包括图像(摄像头)、声音(麦克风)、信号(天线)、压力(触摸屏)、角速度(陀螺仪)、磁力、距离、光线、温度、气压、加速度、心率、指纹等各类传感器,每个传感器的功能和性能都关系到手机功能和品质。传感器是技术高度密集产品,对原材料、关键技术、制造工艺、工具软件等都有严格要求,对稳定性、可靠性、耐用性和一致性都有严格要求,各领域高端传感器与工业软件一样,都是产业竞争杀手锏,掌握着产业发展的命脉,把控着产业链价值分配。

  数字转型关键

  传感器是打通物理世界和数字世界的信息流动的桥梁,是虚拟现实、数字孪生、元宇宙等产业发展的基础性技术,是推进信息化和工业化深度融合关键所在,离开了形形色色的传感器,物理世界和数字世界是隔离的,数字技术赋能经济社会发展的作用就会大幅削弱。以快递物流行业为例,近年来我国快递物流行业作业效率快速提升,离不开快递行业各个环节数字化改造,让各种安装有传感设备的自动化数字设备替代了人类作业,简化了信息处理过程,大大提升快递物流在收揽、分拣、配送过程中的作业效率。当前,我国工业企业在推进两化融合过程中,制约工业企业数字化改造最大的瓶颈技术之一便是工业传感器技术,传感器产品种类谱系不全、性价比不高、稳定性和可靠性差、产品不耐用等诸多因素制约了工业企业数字化改造,影响了工业企业智能化水平提升。

  关系安全发展

  光线、声音、距离、图像、指纹、重力、温度、地磁、气压、加速度、红外、角速度、电磁波等各类传感器在现代智能产品中有着广泛应用,根据产品功能和性能要求,对传感器精度、可靠性、耐用性等都有不同要求。我国各领域传感器普遍存在种类谱系不全、低端过剩、高端紧缺等问题,较多传感器从体积上看似微不足道,但从功能和作用上看则是不可或缺,较多智能系统功能和性能受限于传感器水平,重点行业较多高端领域传感器由于国内无法自给,对国外企业供应依存度较大,一旦发生制裁断供,则会影响安全发展。

  02、前不着村后不着店的困境

  传感器是一个非常特殊的行业。它的产值低,中国市场有2100亿人民币的产值,但却有3万种产品,以形形色色的方式塞满每个角落。中国大约有1800多家传感器企业,很多都是小企业。到处都是小火苗,很难扶持,抵御风险的能力也很弱。即使大企业,利润率也很低。全球MEMS最大的公司美国博通每年收入200多亿美元,利润率可以达到55%;而全球第6大MEMS公司,也就是中国耳机制造商歌尔旗下的歌尔微,年收入在30多亿,但利润率只有10-15%。这种巨大的利润差距,使得企业的研发投入很难加强。更不用提众多收入徘徊在几千万和数亿人民币的中小企业。

  传感器的原理透明,但工艺非常复杂,是制造业中少见的带有“手艺”气息的工业品,技术诀窍都是深藏在工艺之中。它很难有爆发性的突破,这也使得传感器融资困难,投资者很容易望而却步。

  传感器是一个“前不着村、后不着店”的小产业。它的前面高度依靠芯片、材料、电子信号板的突破,而后面则需要依靠仪表制造商、工程集成商,才能最终到达用户。因此,传感器要靠这个行业自己的力量来发展其实是孤单无助的。全球海洋运输的低速船用发动机完全被两家垄断:德国的MAN和芬兰的瓦锡兰。调速器是船舶发动机的心脏,而这两家往往指定美国的WOODWARD电子调速器,而后者则往往只采用挪威最大的军火商与海工设备制造商——康士伯的传感器。MAN是船用低速发动机的垄断者,对专利授权制造都有严格的要求,不允许轻易更换零部件;而美国Woodward的电子调速器,几乎垄断了船用低速机;康士伯的转速传感器,则是在皇冠上的珍珠。

  这意味着,要想打破船用核心传感器的技术垄断,外围至少还有两层垄断局面需要突破。

  03、中国传感器发展与国外的差距

  国产传感器厂商占据中低端市场 从发展趋势来看,国产传感器厂商存在三种情况:

  1、民营企业或合资企业的产品占据中低端市场,传统技术和装备手段能够满足大部分产品的制造要求,市场发展良好。

  2、随着物联网等新兴产业的兴起,传感器产业已成为世界各国竞相发展高新技术的重要领域。 近年来,我国传感器产业发展迅速,应用模式日趋成熟。但由于产业档次低、技术创新能力差,国内传感器行业呈现低端过剩、中高端被国外垄断的市场格局。

  目前,我国传感器产品约有6000多种,而国外则有2万多种,远远不能满足国内市场需求。中高端传感器进口占比80%,传感器芯片进口率达90%,本土化存在巨大差距。

  3、国有企业发展处于平稳增长状态,一般来说,他们跟不上国外最新技术发展的步伐。除少数厂商外,整体差距趋于拉大,这是由于传感器技术的快速发展,工艺和制造设备的快速更新,以及国内许多制造商无法制造新设备,而单台设备的价格从几十万到上百万不等。

  04、我国传感器发展差距的主要原因

  核心制造技术严重落后于国外,国内产品差强人意

  国外传感器的新技术、新产品、新工艺、新材料不断涌现。传感器的数字化、智能化、小型化已成为趋势。大部分产品已经成为现实,并且在不断地改进和升级。研发领域与国外基本相同,但由于部分核心制造工艺技术严重落后于国外,在深度和广度上存在较大差异。

  是技术装备落后,产品质量差

  从技术上看,由于国产传感器生产技术和工艺设备相对落后,微加工技术和封装技术不够先进,人工操作较多,检测方法不规范等,主要性能指标1-2个订单 数量级比国外还差。使用寿命相差2-3级,因此,在化工、电站、冶金、石油、环保、机械等领域的重大项目中,很多高性能传感器仍然依赖进口。

  人力资源不足,产业发展不足

  传感器及其产业的特点之一就是技术密集,而由于技术密集,自然也需要人才密集。从目前国内情况看,能够满足当今传感器技术发展需要的高水平科研团队、中青年科技专家、技术管理人员和学术带头人相对缺乏,行业技术升级步伐缓慢,产业发展后劲不足。

  05、国外传感器有何借鉴?

  传感器的企业主要有美国、日本、德国、英国、瑞士,也有散落在欧洲的一些国家。细究起来,这些企业主要是三种战术,将一个不起眼、不入眼、不声张的行业,整得风生水起。这正是我们可以借鉴的方式。

  策略1:八爪鱼

  很多传感器厂家,采用了集团跟随的战略,与更大体量的仪表或者电子公司相结合。反过来说,一些工业巨头的集团发展策略,对传感器采用了明显的品牌矩阵布局。它通过多品牌、多产品在不同领域交叉组合,从而形成了一种八爪鱼术。

  作为制造强国,美国尽管有很多低端制造已经永久性地流离本土,很多大牌制造商工厂都在中国,例如霍尼韦尔在中国大陆2020年就有21家生产工厂。但是,这只是一个表象。美国在工业高端制造业依然处于制造食物链的订单支配地位。一层控制一层,多个触角伸展在不同的行业。亦军亦民,亦横亦纵,亦整机亦零部件,美国制造业呈现了一种独特的形态,来控制工业食物链。通过集团化优势和多元化触角,就像是一只八爪鱼,确保即使是在细分市场上只有几千万收入的子品牌依然能够生存。美国仪表厂商与传感器厂商之间,往往采用手心、手背的合体关系,传感器既可以为其他品牌供货,也可以同时确保自己在仪器仪表的核心竞争力。

  八爪鱼采用了两层供应链的防控方式。既有第一控链,如仪表:它能控制测量的入口,而且产值容易做大;又有第二控链,如传感器作为防守链。量大面广但体量甚小的传感器,在美国八爪鱼的护卫方式下,获得了稳定的增长。一个中心,八面玲珑。八爪鱼战术撑起了金字塔尖相对狭小的市场。

  全球仪表收入排名Top10以内的美国阿美泰克,2021财年收入52亿美元(比2020年大涨20%,很拉风的一年),下面有十多个仪表与传感器品牌。其中的温度、压力、燃油、液位等传感器,可以用在商业航空、军事、工业领域。几乎所有的飞机发动机都会使用它的传感器。它专门有一个传感器、测试与校准部门STC。从这个部门的名字可以看出来,传感器首当其冲,但是,它还是跟测试等其它业务缠绕在一起。而这个部门,不过是阿美特克电子仪器集团的一部分。同样,它还有一个部门是测量与动力部门MPS,同样有传感器业务与之相匹配。它在2021年底收购的英国Alphasense,则是面向空气质量的传感器。这个公司年销售额只有2亿人民币。然而,这可是全球第二大电化学传感器。德国人喜欢“隐形冠军”的说法,其实很多传感器公司就是“微型冠军”,年收入在5亿元人民币之下。它们像是石头缝隙里面尖锐的牙齿,在确定的应用场景之下,它们独一无二。这就是传感器令人惊叹的生态。当然,它现在需要卖身给大的仪表厂家,这就是传感器的生存之道吧。全球第一的英国电化学传感器City,也委身于工业巨头霍尼韦尔。从而造就了传感器领域的八角章鱼术。这四个来自美国、加拿大、德国和英国的公司,分别被并入到机电一体化集团和和电子工业集团。可以看出,仪表集团也都是在世界版图里面找猎物,全球视野的收购。实际上,对于传感器众多偏门的小企业,全球化布局是最值得推荐的商业逻辑。

  策略2:糖葫芦串

  由于传感器体量太小,而且深藏在仪表或者设备的内部,它很难了解工厂用户的需求,它自身的影响力也是微不足道。在这种情况下,面向终端用户的设备集成商或者工程商,就起到了串联的作用。既做仪表,又做传感器,就是一条路径。

  仪表跟传感器的关系最为明显,因为糖葫芦串最容易串起来。通过仪表作为采购方的优势,扶持传感器的发展。HP、佳能的MEMS传感器为什么二十年来一直处于全球Top20的位置?尽管并非是炙手可热的手机传感器的提供商,但是它们的喷墨打印机,采用了自家的MEMS传感器。这种一体化发展的需要,也确保了这些品牌在MEMS传感器的全球市场位置。

  糖葫芦串的要义,就是上下腾挪,寻找产业链上的邻居。美国基因测序仪器巨头因美纳Illumina,占领了全球市场70%的份额。然而它最早的业务,却只是做一种微流控芯片,这被称之为“芯片上的实验室”,这种微流控的技术,就是在一片很小的玻璃流道上进行生物化学反应,用芯片进行计算,用传感器传递信号,可以用于检测DNA或者RNA特定部位的变化。它从美国一家大学孵化出来技术之后,迅速就完成了上市。但这种生意一方面是躲在幕后, 一方面则是生意太小。于是2007年它向下游大大迈出一步,收购了测序仪器公司Solexa,正式进军基因测序市场。然后就是一系列凌厉的并购和扩张,这正是仪表巨头一贯的做法。用了十年时间,基本垄断了全球基因测序的上游(测序仪)。

  思百吉Spectris是英国工业革命所留下的少数回声之一,这家百年老店保持了精密制造的领先位置。多年来一直通过并购和剥离的方式,聚焦在测量领域。2021年的收入超过了100亿人民币。体量不大,但却高度聚焦。旗下十多个品牌的仪表,也保留了很多传感器的制造,加强对这些仪表的支撑。就在今年五月份,它以5.4亿美元收购了位于美国的压电加速度计和传感器制造商Dytran,广泛用于航天航空和汽车领域。这对于它原有的仪器测量的核心能力,是一个非常大的补充。

  这种现象,现在也在被国内厂商采用。重庆川仪是国家三大三小唯一幸存的一家还能打的国营仪表公司。在化工压力仪表方面是国内的领跑者,它正在建立自己的传感器和芯片基地,就是向前端开拓。有了后端的应用,如果能够攻克传感器的技术难题,对于一家企业保持核心竞争力非常重要,这也是国内突破的第一种方式。天津宜科的光电传感器正在向日本欧姆龙挑战,就是借助于它的产线集成的工程化能力,嫁接在日渐崛起的国产动力电池产业。中国汽车行业的工厂建造,多年来一直垄断在外资企业手中,图纸、机器、零部件,都是国外直接指定,中方没有话语权。而现在,宁德时代、比亚迪等拥有自己的设计权和决定权,工程集成商也开始尝试国内传感器。于是像天津宜科的传感器布线系统,就可以进入产线,从而得到快速的发展。而在以前,根本没有进场的机会。

  在产业链条上,串来串去,传感器这棵树就活了。这就是糖葫芦串的价值吧。有了更大的体量和传感器能力,打通技术、产品到市场,下一步才能将传感器带入正常发展的轨道。

  策略3:车辐条

  要是没有了大集团在背后的依托,独立的传感器厂家该如何生存呢?这就需要一种协同效应。

  这意味着,一个传感器公司,一定需要覆盖多个行业,才能分摊基础研发成本。这要求对各个行业都有认识,这其实也是最难的。但这正是很多小的传感器公司。瑞士奇石乐公司,也是独门心思只做传感器,2021年收入达到28亿元人民币。在汽车行业的动力性测试台、动力总成、轮胎测试等都离不开它的精确测量。它有70%的收入来自汽车行业。与此同时,在航天、工业领域,都有它的尖端传感器。它在机床领域的高端传感器,几乎无人可以替代。六维力度的压电式传感器,用于机床切削力测试,一套需要六十万元。通过在不同领域,找到了似非而是的多种应用场景,奇石乐才能单单以传感器的业务而滋润地活下来。

  传感器这种向极限求生存的产业形态,呈现了一种与众不同的“微批量不经济”的产品现象。许多产品只能用在很特殊的场合,用量很少,投入研发肯定不划算。那么奇石乐等公司的收入,如何能够补偿研发投入?

  这是一种向底层技术纵深的技术向心力现象。对于奇石乐而言,无论是发动机缸体燃烧压力、或者是机床切削力,这些都是基于压电技术的延展应用。奇石乐传感器,正是通过“一根轴心多根辐条”的方式,突破底层技术,向周边进行扇形辐射,从而解决“微批量不经济”的现象。它可以从很小批量的传感器,稍加改动,切换到量大的传感器。

  这是一种横穿赛道的能力,它需要底层技术的突破,而不能仅仅做应用与集成。这就需要深挖基础技术,而这些技术往往依靠高校院所。这需要建立一种强有力的成果转化机制,让传感器厂家,能跟高校建立紧密合作的方式;与此同时,还需要用户工艺知识的倒灌给传感器厂家。只有建立一种联合机制,保证高校-企业-用户的三方串联机制,才能实现不同工艺的多种行业突破。

  小记:顶层设计

  发达国家的传感器,其实是藏在三道护城河之下。首先是传感器自身的突破能力,其次是仪表和装备的能力。而在这两道护城河之外,还有第三道防守链,那就是对大行业的工艺渗透。例如在化工、船舶等领域,无论是设计还是运营,所涉及到的行业知识和专业工艺包,发达国家工程咨询公司的话语权很重,这样它很容易向采购方施加影响力。比如买一套美国企业设计的天然气生产线,那么这种工程所推荐的配套仪表,往往就总会落在美国品牌的手中。

  通过多年的发展并购,国外仪表和传感器通过航空母舰编队,以及层层嵌入到核心设备的方式,树立了垄断性的优势。从传感器,到成品仪器之间,再到大型应用场合的连环式衔接,这是一种从头到脚的国家供应链攻防战略。

  而在中国,仪表与传感器行业仍然处于帆船的集结阶段。中国制造大而不强,而仪表行业甚至连大都称不上,只能说多而不大。国内仪表领头羊站在国外仪表厂商面前,只能算是零头。即使如此的体量,也仍然建立在国外传感器的基石之上。国产传感器体量小且群龙无首,再加上传感器厂商和仪表厂商之间互动极差,形成了松松散散的产业形态。

  中国发展传感器,需要重新思考产业发展的形态。一层包一层的“洋葱术”模式,是可以借鉴的方式。无论是八爪鱼模式的大集团,还是糖葫芦串的上下游纵深拓展,或者车辐条模式,利用同心技术覆盖多个行业。这些需要一个顶层设计,从而破解传感器独有产业堡垒。仅仅凭国内很多传感器企业,在单个行业、单打独斗的拼杀,是无法破局的。如果要振兴传感器,从而真正支撑中国制造走向强国,需要建立从前到后的贯通式策略。

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