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          我國壓力傳感器占全球市場五分之一,行業迎來新發展

          發布時間:2022-03-21 瀏覽次數:1876

          傳感器是一個極其特殊的行業,它的產值不算高,2019年我國市場規模約2200億人民幣,但卻有數萬個品類,幾乎遍布所有產業和每個國民經濟的角落。它集機械、光、電于一身,能精確衡量壓力、溫度、濃度、速度等,卻又受制于芯片、材料、電路的發展瓶頸。它的原理透明,但工藝卻非常復雜,是制造業中少見的帶有“手藝”氣息的工業品,技術訣竅深藏在工藝之中。

            我國傳感器行業起步較晚,核心技術缺失,因而以中低端制造為主,隨著近年智能制造、工業物聯網、人工智能等熱火朝天的發展,特別是MEMS技術的發展,半導體傳感器朝著微型、低功耗、高精度方向發展,傳感器行業迎來了第二春。

            壓力是指發生在兩個物體接觸表面的作用力,同時包含不同形態下的作用力,一般可分為氣壓、液壓、固壓三種情況。壓力傳感器通過感受壓力信號,將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號器件或裝置,以便輔助機器完成判斷,因而成為IOT感知層技術的基石。

            在過去幾十年中,汽車行業一直是推動壓力傳感器需求的主要行業,迄今為止,壓力傳感器已廣泛應用在管道液壓、消防、智能汽車、智慧醫療、航空航天等眾多領域。2020年全球壓力傳感器市場規模已達16.5億美元,合計人民幣104億元,據新思界產研中心報告顯示,壓力傳感器的份額約占20%,僅次于流量傳感器。

            壓力傳感器有多種分類方式。從工作原理來劃分,壓力傳感可分為壓電式、壓阻式、應變式、電容式等。從使用材料和傳感原理來看,主要有應變式壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、藍寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器5種。

            1、應變片壓力傳感器——高精度 最廣泛

            電阻應變片壓力傳感器的核心是電阻應變片,即一個受力會形變的金屬片。當應變片受外力影響時,其長度和截面積都會發生變化,進而改變電阻值。比如當金屬絲受外力作用而伸長時,其長度增加,而截面積減少,電阻值便會增大。

            應變式傳感器可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量,在不同領域間的應用也最為廣泛。尤其應用在高精度要求的工業稱量系統產品,如平臺秤和料斗稱量系統。

            2、陶瓷壓力傳感器——抗磨損 夠穩定

            彈性好、抗沖擊、抗磨損、性能穩定……陶瓷是壓力傳感器的理性材料。陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞,而是以陶瓷直接作為感應膜片,讓壓力間接作用于陶瓷膜片背面的厚膜電阻, 連接成一個惠斯通電橋,電阻阻值變化后通過電橋產生一個與壓力、激勵電壓成正比的電壓信號。

            相比金屬應變片,陶瓷壓力傳感器最大的特點就是抗腐蝕,在測量腐蝕性介質的壓力時,如在化工、制冷等領域中往往大顯身手。其次,陶瓷壓力傳感器常以分層結構組成,故有較好的抵抗壓力峰值的作用,但相應的靈敏度可能沒有前者表現優秀。

            3、擴散硅壓力傳感器——小體型 大信號

            其原理是被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上,使膜片產生與介質壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻值發生變化,并依靠電子線路檢測到變化,迅速轉換、輸出相應的標準測量信號。

            擴散硅壓力傳感器的一個顯著優點是信號輸出大,為后端變送調理線路提供了很大的優勢,加上分辨率高,靈敏度高,其可選的后端電路更多。其次,擴散硅的體積小巧利于安裝,可以廣泛應用在醫療器械中,用于輔助生物監測。

            4、藍寶石壓力傳感器——精度準價格高

            與第1種應變電阻式工作原理類似,受到傳輸壓力后其接收膜片發生形變,變化被硅-藍寶石敏感元件感知后,其電橋將輸出和壓力呈現正比的變化電信號。

            作為半導體敏感元件,藍寶石的計量特性無與倫比,既不會發生滯后、疲勞和蠕變現象,也憑借極高的硬度不怕形變。此外,藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性,此類傳感器可以在各種極端環境下工作,且可靠性高、精度好、溫度誤差極小。其缺點也很明顯——價格會相比其他壓力傳感器貴一倍以上,應用場景一般在在高端或重型裝備上。

            5、壓電壓力傳感器——動態場景優勢

            壓電壓力傳感器基于壓電效應而工作,從結構上看內部有一個薄圓筒,當薄圓筒內側受到壓力作用時,圓筒的內張力增大,從而使其固有振動頻率升高。只要測出振筒的固有振動頻率,就可知道壓力大小。

            壓電傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。但不可以應用在靜態的測量當中,原因是受到外力作用后的電荷,僅在回路中有無限大輸入抗阻的時候,才可以保存下來,因此只應用在動態測量當中,如壓電噴墨打印頭、相機中使用壓電MEMS進行自動對焦等等。

            此外,壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用,在航空領域有特殊地位。

            IOT時代來臨,壓力傳感器有哪些應用場景?

            縱觀整個產業鏈,壓力傳感器上游主要是原材料供應商,上游廠商提供金屬片、陶瓷片、硅片、藍寶石-硅壓合片等以及封裝所需材料。今年大部分原材料價格的不斷漲價對身處中游的壓力傳感器行業造成較大影響。

            壓力傳感器的下游應用十分廣泛,除了汽車制造、機械工業、醫療器械等行業,還在航空航天、消費電子等產品中使用,隨著物聯網時代的到來,越來越多的智能產品也急需感應元件滿足消費者需求。

            近些年來,新型半導體材料不斷出現,讓壓力傳感器的結構設計、敏感元件集成設計、加工工藝得以突破迭代,MEMS壓力傳感器供需量不斷增加,其應用范圍也能夠走向更廣闊的領域。國內知名的壓力傳感器供應商不少,但大部分集中在產品集成商手中,配套產品一同進行銷售。以下幾家壓力傳感器企業較具代表性:

            萬訊自控從事工業自動化儀器儀表的產銷研造業務,其主營產品壓力儀表及配件銷售貢獻占比連年上升,MEMS壓力傳感器的年產達1500萬只,也從事定制化的儀表業務。

            盾安環境主攻制冷配件和制冷設備,大部分制冷設備在使用時需要長期測量壓力,以確保工作沒有異常,于是將產品和傳感器元件一并生產制造,形成自家產業鏈。

            歌爾股份在高保真耳機代工上堪稱一枝獨秀的,2020年銷售收入近600億,將近50%的收入都來自大客戶蘋果耳機。歌爾的電子元器件業務占比98%,其主要產品入耳式耳機內部有MEMS芯片和傳感器,以滿足耳機的各種交互功能。

            威爾泰作為儀器儀表廠商,要收入和利潤來源是壓力變送器。

            壓力傳感器的行業集中度較高,全球行業內前三名所占市場份額高達48%,博世(Bosch)、泰科電子(TE Connectivity)和英飛凌(Infineon)三家近乎半壁江山。除了這些壓力傳感器的生產巨頭之外,還有像霍尼韋爾、意法半導體、森薩塔等海外集團公司占據著大量的市場份額。

            中國壓力傳感器的研發和制造目前尚處于起步期,未出現具有一定經營規模的企業,掌握核心部件研發和制造能力的企業十分稀缺。不僅如此,目前高精度的國產壓力傳感器,其內部晶片或者芯體大多仍需進口,但在全球疫情以及中美國際貿易關系的影響下,海外供貨受阻,供應周期拉長,這使得研發自主設計生產的國產壓力傳感器芯體迫在眉睫。

            微型化是壓力傳感器研發的一大趨勢,廠商們正不斷地縮小壓力傳感器的體積。MEMS壓力傳感器的出貨量逐年上升,多元化的應用場景也在不斷拓寬,智能家居、管道檢測、車聯網、智能制造中都會大量使用壓力傳感器。

            同時,多傳感器協同的情況也會普遍地出現在各種智·能產品中,通過多傳感器的融合與協同,提升了信號識別與收集的效果,也提高了智能設備的集成化程度,節約了內部空間。相信在未來,物聯網時代,壓力傳感器的應用會越來越多。

          (來自儀表網)

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