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欧美佳传感器 传感器发展简史

发布时间:2024-10-18 14:10:04

传感器发展简史

编者按:

自传感器诞生以来,不断在各式各样的产品和技术上进行内嵌与应用,已经成为了终端设备当中不可缺少的组成部分。随着时间的推移,互联网时代的发展,尽管传感器开始与物联网结合,形成智能化协同部分。但大众突然发现,传感器市场仍处于小规模,无大品牌,很大程度上依赖进口等等窘境。在刚刚结束的 2019 重庆智博会中国智能博览会传感器与物联网高峰论坛上,多位专家群起献策,商讨传感器产业的变局。本文将从技术和产业两个角度,来回顾一下传感器发展的历程和现状,并通过与专家的采访和商讨,分析这个领域未来的行业趋势,希望能帮助更多人了解传感领域,并且对工业传感器有更多的认知。

科技,让人类的能力圈不断扩大。如果说,机械延伸了人类的体力,计算机延伸了人类的智力,那么,无处不在的传感器,大大延伸了人类的感知力。

传感器,不是 KOC 那种的新造词,而是一个非常传统的常用词汇,大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称 Sensor 或是 Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为:“从一个系统接受功率,通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义,传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式,所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

简单来说,传感器就是一种检测装置,通常由敏感元件和转换元件组成,可以测量信息,也可以让用户感知到信息。通过变换方式,让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

图|传感器(来源:Gierad 官方)

其实,传感器一直存在于你的生活中,小到遥控器、台灯、手机按钮,大到电视、锅炉检测、电网传输、医疗器械诊断等,覆盖大大小小不同的场景,也可以这样说,传感技术和传感器是产品当中必不可少的一部分。

从技术和应用类型来看,传感器分为温度、压力、超声波、流量、电阻、图像传感器等;从学科来看,包含声光电等,传感器还分为化学、物理、生物传感器等;从产业布局上来看,分为消费级、汽车电子、工业级、医疗传感器四种。自 1883 年全球第一台恒温器上市以来,传感器就以各种形式存在了相当长的一段时间。并且随着时间的发展,IoT 和 AI 技术不断进步情况下,智能传感器被推向了市场,在物联网技术项目中得到广泛的应用。

作为科技产业风向标榜单,在去年和今年的《麻省理工科技评论》 TR10(全球十大突破性技术)中,相关的传感技术被多次提及,“传感城市” 就是其中最为代表性的突破性技术之一。DeepTech 曾提到,将大量的智能传感器融入整个城市场景当中,就如同给其装上全新的数字肢体和感官,万物实现互联、可感、可控,城市的运行将由一个无比强大的 AI 接管。从目前的情况来看,传感技术仍在广泛用于相关产品落地和城市规划用途。

图|“传感城市”新技术(来源:DeepTech)

当然,传感器仍有其他的严峻挑战,由于投资较高,相比欧美的传感器和传感技术应用,中国的部分传感器和传感技术仍处于相对落后状态。

工业和信息化部原副部长、中国传感器与物联网产业联盟名誉理事长杨学山曾在演讲中表示,虽然传感技术在不断进步,但由于中国传感器产业起步较晚,缺乏相关优秀人才,导致中国的传感器与传感技术仍依赖进口,中国自主科技创新以及高端领域的传感器产品都处于空白状态。

本文将从技术和产业两个角度,来回顾一下传感器发展的历程和现状,并分析一些未来趋势。

传感器和传感技术历程

1883 年,全球首台恒温器正式上市,一个名为 Warren S. Johnson 的发明者创造了它。这款恒温器能够将温度保持在一定程度的精确度,就是利用了传感器和传感技术,在当时看来,是非常厉害的一项技术。

图|全球首台恒温器(来源:what-is-a-sensor 网站)

到了 20 世纪 40 年代末,第一款红外传感器问世。随后,许许多多的传感器不断被催生出来,直到现在,全球大概有 35000 种以上的传感器,数量和用途上非常繁杂,可以说,现在是传感器和传感技术最为火热的一个时期。

1987 年,ADI(亚德诺半导体)开始投入全新的传感器研发,这种传感器与其他不太一样,名叫 MEMS 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,它具有体积小、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的特点。而 ADI 是业界最早做 MEMS 研发的公司。

1991 年,ADI 发布了业界第一颗 High-g MEMS 器件,主要用于汽车安全气囊碰撞监测。而后众多 MEMS 传感器被广泛研发,用在手机、电灯、水温检测等精密仪器上,截止到 2010 年,全世界有大约 600 余家单位从事 MEMS 的研制和生产工作。

随着云计算、5G、大数据、AI 技术以及物联网技术的爆发,智能传感器和智能传感技术逐渐被提及起来,大量的可穿戴式设备中含有多种生物以及环境智能感应器,用以采集人体及环境参数,实现对穿戴者运动健康的管理,其传感器更高的精度使得设备更加可靠。

传感器的现状与未来趋势

目前,消费级的感应器产品已大量流入市场,消费者现在都可以看得到,摸得着。甚至可以这么说,C 端的传感器已经家喻户晓,所有人、所有地方都可以感受到传感器的存在。在即将发布的 Google Pixel 4 手机中,会搭载全新的雷达检测,手势操控,这些都需要消费级传感器,配合专业的传感技术才可以达到,还有 iPhone X 上的 Face ID 功能,也是通过多个传感器感应并将信息传输到芯片或系统中而实现的。

8 月 24 日,在重庆举办的 2019 年中国智能博览会传感器与物联网高峰论坛上,中国信息通信研究院副总工程师史德年在主旨演讲中提到,全球 MEMS 传感器市场结构当中,消费电子占据了 45% 以上的份额,而未来,传感器也会通过手机设备,在 3D 地图、虚拟现实等新型场景中用于更重要的位置。

在汽车电子领域,全球平均每辆汽车包含 10 只传感器,高档汽车中,大约采用 25 至 40 只 MEMS 传感器。中国传感器与物联网产业联盟副秘书长谷荣祥在接受 DeepTech 采访时表示,汽车的传感器在工业应用里面算是比较大的,这一块中国和国外相比,确实差距比较大。比如说规模、汽车历史发展、价格、品牌等,但是中国的创新动力很强,在技术上差距并不大,未来随着汽车智能化的进一步发展,传感器的应用将会更加广泛。

除了消费级别的传感器,最值得关注的就是工业智能传感器产业发展状况。与消费电子相比,工业传感器在稳定性、精度、运行安全等多方面要求都要更高。

图|MEMS 传感器(来源:Electronicproducts)

根据前瞻经济学人的统计数字表明,截止 2017 年,我国 MEMS 传感器制造行业企业大约有 135 家。从产业能力来看,大多属于初创类中小型企业,供给能力不强,除此以外,企业存在着管理问题、资金不足、科研能力弱和吸引高科技人才的能力较弱、技术能力不强等问题。

目前,在全球感应器制造供应链中,包括研发、设计、制造、封装、测试、软件、系统应用等流程,但是由于多种原因,在工业传感器中,高度依赖进口,从研发到设计仍需要大量的投入与人才供给,而很多传感器制造企业都是从制造开始,做着类似代工的工作。

不管从资本来说,还是整个产业人才来看,这个领域依然是小的,传感器的技术壁高,开发周期长,社会资本把传感器芯片项目评为高风险,导致核心技术缺乏长期投入,产业发展慢,最终导致依赖进口来源制造或加工传感器产品,再流入中国市场。

但随着中美关系加剧,以及贯彻落实《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,传感器产业逐渐开始被重视起来。

2013 年,工业和信息化部、科技部等四部委制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》,提到目前是中国传感器及智能化仪器仪表产业快速发展的关键时期,对于未来企业发展,国家将鼓励、支持并培育产值超 10 亿元的行业龙头企业和产值 5000 万元以上的“小(中)而精、精而专、专而强”的创新型企业。

中电科技集团重庆声光电有限公司传感器中心副主任杨靖在专访中也提到,目前中国的传感器产业仍跟随政策影响,他认为国家应该去定向地去扶持一些高端的新材料、新工艺、新技术等这类传感器,包括国内传感器产业的空白区域,仍是有很大的市场。

传感器产业是有希望的

从技术进展和产业发展来看,传感器领域虽然处在高度依赖进口,高科技人才短缺等问题中,但是中国已经在不断鼓励传感器企业做大做强,希望从消费品到工业领域,有更多创新的可能。

随着互联网行业的发展,在首届重庆智博会上,阿里巴巴集团董事会主席马云曾提到,未来 90% 的制造业将在互联网上进行,如今中国的互联网产业已经遥遥领先其他国家,在物联网+5G+AI 全面加持下,传感器制造业仍有很大的市场。

图|传感器(来源:Gierad 官方)

众所周知,技术和产业之间是需要形成比较好的正向迭代效应,落地场景越多,产品的制造就会越来越多,产业就会变得越来越大,传感器产业发展亦是如此。

随着物联网技术的不断发展,传感器产业未来如何发展,政府如何吸引传感器产业园区的落地等议题,仍是需要不断探讨的。中国四联仪器仪表集团有限公司吴朋在接受采访时提到,希望国家有一些比较好的规划跟一些支持的政策,把整个产业链拉动起来,针对未来发展,大家加把劲,发挥主要优势,助力物联网,传感器产业就会变好了。

德国传感器的实力,为什么如此强大?中国还差多远?差在哪里呢?

我们谈起德国,想到的就是德国强大的工业实力,以及大众、奔驰、西门子等等巨头。

然而,这些只是冰山一角,德国的工业实力有一半以上由中小企业贡献,这些中小企业占到了总数的99%,它们被称为“隐形冠军”,

人口只有八千万的德国竟有2000多个隐形冠军企业 ,这些公司许多业外人士根本听都没听说过。

今天我们来看看德国工业的一个角落——隐秘而强大的德国传感器产业,这也是众多德国隐形冠军的隐匿之处。

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德国传感器产业有多强?

没有具体的数据,我们很难感知德国传感器产业对世界的影响,以及其在全球所处的位置。

然而对于传感器这个分散而零碎的市场,许多市场咨询公司做的调查,也大都仅是观察某一传感器市场的状况,而传感器更多的是“小而美”、“小而强”的企业。

我们先来看看几份榜单,具体看看各领域德国传感器企业的实力。

▲2023全球十大传感器品牌指数(来源:CNPP)

上图是CNPP品牌数据研究给出的世界传感器品牌指数排名数据,小编认为还是比较符合我们对全球传感器品牌的认知,前10名中的博世、英飞凌、SICK西克都是德国企业。

此外,前10名单外的德国知名传感器品牌有倍加福(Pepperl + Fuchs)、西门子 等。该份榜单总体来说,呈现德国、美国、日本三国传感器企业割据 的局面,德国的传感器实力是当之无愧的全球三强之一。

▲全球工业自动化媒体plantautomation-technology发布全球TOP10工业传感器品牌

全球工业自动化著名媒体plantautomation-technology在其平台上发布的2019年全球TOP10工业传感器品牌中,First Sensor、博世、西门子三家德国传感器企业入榜。

▲ResearchAndMarkets全球传感器制造和供应商TOP10

著名市场调研机构ResearchAndMarkets发布的全球传感器制造和供应商TOP 10 名单中,英飞凌、博世、西门子等德国传感器企业再次入榜

而Yole的2022全球MEMS传感器企业排行中,博世、英飞凌相继入榜,均位列前10其中博世更是以绝对优势领先其他厂家,成为TOP1,蝉联冠军宝座。

▲Yoel全球MEMS TOP 30 品牌

可以看到,无论哪份榜单中,德国传感器企业都是其中不可忽视的力量,并且占据不少的市场份额。

而这只是德国较大的传感器企业的实力,德国传感器企业更多的实力隐藏在了冰上之下。

譬如上文中提到的First Sensor,是全球工业压力传感器的领导者之一,一直垄断着我国石化仪表行业的压力传感器领域。 然而First Sensor 在2020年被美国TE泰科电子收购,这引起了我国石化行业的恐慌。

类似First Sensor这样的例子还有很多,小编再举一个例子,工业里面常用的温度传感器,一般有两种——Pt100和热电偶,Pt100是一种以铂金电阻制作的温度传感器,世界上能生产薄膜式铂电阻核心部件的企业,不超过五指之数,而这其中德国就占了两家——Heraeus贺利氏、Jumo久茂 ,这两家企业是全球工业温度传感器细分领域的领军企业,是隐形的冠军。

▲市场上售卖的薄膜铂电阻

市场上售卖的薄膜铂电阻器件将“德国原产地”写在显眼的位置 ,显然是利用消费者对德国制造的信心,而这颗薄膜铂电阻很可能产自贺利氏或者久茂。

德国Sensitec公司是全球磁阻传感器领先企业之一 ,其磁阻传感器能够在+270℃到-133℃的温度范围之内正常工作,远超普通磁传感器,2004年被用于火星探测车“勇气号”和“机遇号”上面,用于感测机械臂或者轮子的位置。

除了以上提到的传感器品牌和应用外,还有巴鲁夫、倍加福、X-Fab、WIKA、E+H、VEGA、德森克、赛多利斯、大陆集团……等等 数不尽的德国传感器品牌。

这些德国传感器被广泛用于工业、消费电子等领域的方方面面,在不少方面都是该领域里数一数二的存在,是德国“隐形冠军”的典型代表。

德国的传感器产业为什么这么强?

不仅是传感器产业,德国在工业制造业等实体产业上,都很强,是什么原因造就了这些德国传感器企业呢?

1、家族传承

制造业,尤其是传感器这些高科技制造业,很少有科技进步带来的技术大跃进,更多的是日积月累,不断打磨技术,深挖壕沟,建立技术壁垒,形成领先市场的技术优势。

要形成这种优势,一年、两年肯定不行的,需要数十年甚至上百年的传承与积累,德国的许多传感器公司就是这样的家族企业,靠着一代代传承下去,发展起来。

上文提到的全球薄膜式铂电阻核心部件厂家之一的Jumo久茂,就是这样的一个家族企业。

1948年,JUMO GmbH & Co. KG由Moritz Kurt Juchheim先生在德国福尔达创建,Moritz Kurt Juchheim先生的父亲就是做温度计的,如今Jumo的实际经营者是Moritz Kurt Juchheim先生的孙子,公司建立至今70多年,从未上市,一直专注于温度传感器领域稳步发展,才达到今天的成就。

▲Jumo久茂创始人Moritz Kurt Juchheim先生1952年在其办公室中

2、技术创新与持续投入

人类的科技是不断进步的,像Jumo久茂这种70多年的企业,其经历电气革命到信息革命的变化,如今工业4.0又汹涌来袭,一成不变的技术注定要被淘汰,尤其是身处传感器这类高科技领域。

Jumo刚开始只做“绕线式”铂电阻的温度传感器,绕线式铂电阻的优点是:准确、稳定性强,但缺点也很明显,就是全部纯手工制作的传感器,没办法大规模生产,并且材料成本也很高。

面对技术革命,Jumo并没有止步不前,而是锐意改革,引入自动生产设备,检测设备,建造洁净车间,开始生产“薄膜式”铂电阻。

由于“薄膜式”铂电阻是把铂金粉末喷涂到基板上,然后激光刻蚀,最后再检测,并且生产过程是全自动的,这样大大的提高了生产率,降低了成本。

正是这样持续的技术创新,给了Jumo成为全球工业温度传感器领军企业的底气。

许多德国传感器企业都有这种自我革新的精神。

▲SICK创始人Erwin Sick先生

SICK是德国最大的独立传感器企业之一,创建于1946年——比Jumo还早两年,早期由其创始人欧文·西克(Erwin Sick)博士经营,1988年Erwin Sick先生因心脏病突发逝世后,其遗孀Gisela Sick女士集成了公司,并发展至今。

早期SICK以光电传感器和自准直装置起家,如今SICK生产磁性传感器、光电保护装置、视觉传感器等器件,传感器产品型号多达4万5千种,涉及工厂自动化、物流自动化和过程自动化三大领域 ,成为德国最著名的传感器企业之一,靠的也是这种传承和自我革新的精神:SICK每年将营收的12%以上投入到研发端中。

3、国家的工业基础

许多制造业内人士都知道,很多时候我们国家某些科技领域被卡脖子,其实并不是某领域不行,而是更上游的环节存在薄弱,从而环环相扣,影响了整个产业链。

譬如我们说华为的手机不行,做不了5g手机了,是华为不行吗?不是,是中国的半导体产业不行,搞不了先进制程的芯片。而先进芯片的源头是什么?就是光刻机、掩膜机等制造设备。

传感器产业也是如此,我们看到的是一个传感器,但其实现今传感器的许多技术突破,都有赖于基础材料的发展,半导体技术的突破,从而带来传感器技术的革新,譬如MEMS技术 ,就是典型的例子,其对传感器产业的影响无需赘述。

因为我国工业建设起步晚,基础薄弱,传感器产业很难得到我国其他工业领域的有力支撑,发展速度自然也慢些。

4、企业良性竞争

这或许是最难改变的地方,根源于文化的差异。

我们常说内卷,在中华文化圈里,似乎普遍存在过度竞争的情况 ,如日本、韩国等国家,其内卷化也比较严重。这就导致企业没有一个良性的市场竞争环境,以至于越斗越狠,市场越做越辛苦。

相对来说,欧美国家这种现象就弱了许多。

打开德国很多公司的网站,你会发现,某个产品看起来好熟悉啊,好像在哪里见过。没错,就是其他公司的产品。他们经常互相“捧场” ,我们家没有这产品,但客户需要,你们有,咱们就商量一下,互相卖一下。就算是竞争对手之间,也都差异化定位,避免恶性竞争。

在中国,很难想象四方光电、汉威科技或者高德红外、睿创微纳、大立科技之间,会在自己的产品序列里卖对方的产品吧。

5、市场

中国的国产传感器市场难做,很多时候能听到同业人员的抱怨 。这里面既有某些国产传感器自身品质问题,更多的是整个产业上下游的氛围。

传感器作为工业产品的一个关键部件,很多时候决定是否使用某个厂商的传感器的,并不是传感器本身或者产品制造商,而且产品的上游。工业观察家林雪萍谈到过这样一个例子:

“海事装备的老大挪威康士伯生产的传感器,用在 美国Woodward的调速器,然后被德国MAN船用低速柴油发动机使用。”

德国MAN作为全球船用低速柴油发动机的龙头,许多船厂生产船用低速柴油发动机都需要获得该公司的授权许可,任何技术和部件都无更改的余地。因此,即使国内有相关的、合适的传感器,也进入不了这条产业链中。

之前有德国传感器销售自言,在德国推销传感器相对容易许多,特别是老客户,需求十分旺盛,因为在许多工业领域德国都是龙头或者上游,不存在那么多条条框框,只要产品过硬,就很容易到来订单 。德国的销售简直是太幸福了!

德国传感器产业的阴霾

虽然德国传感器企业很强,无论是博世、SICK、英飞凌这样的传感器大企业,还是Jumo、巴鲁夫、贺利氏这样的隐形冠军,德国传感器企业都不缺。

但德国传感器产业并非一片光明,因为世界各国的巨鳄们正对这些“小”公司虎视眈眈。

德国的传感器隐形冠军企业,技术含量高,细分领域市场地位重,而且体量相对来说较小,是许多跨国巨头眼中的美餐。德国拥有大量这样的“优质公司”,更成为许多企业兼并的对象。

我们前文提到了First Sensor这一德国工业传感器巨头,在2020年被美国TE泰科电子收购;Sensitec这家磁传感器领先企业,在2021年被我国希磁科技收购;德国著名工业机器人企业库卡(KUKA)被我国美的集团收购……

据德国杜塞尔多夫一家研究公司DDW‑Die Deutsche Wirtschaft的分析数据显示,截止2020年,美国拥有约1783家德国注册企业,较第二位的法国(821家)多近1,000家。中国则排第10位,仅拥有267家德国公司, 数目远低于许多欧洲大国,也不及排名第六的日本(470家公司)。

▲DDW公司分析数据:拥有最多德国公司的十大外资来源地(2020年)

一如二战后美国疯狂收割德国的工程师一样,美国总是偏爱德国的技术,成为拥有最多德国公司的外资来源国家。

而中国仅拥有274家德国企业,其中最著名的就是美的集团收购的著名工业机器人企业——库卡(KUKA)。

想要拥有德国企业的技术,是许多国家的公司收购德企的主要原因。

外资收购德国企业数量最多的行业出现在机械工程行业,共有1150家企业受到外国资本控制。排名前10的行业分别是:

机械工程:1150 家

电气工程:851家

化工工业:701家

咨询/IT:681家

消费品:661家

建筑/钢:550家

汽车行业:430家

媒体行业:428家

美食/旅游:390家

房地产:388家

不愧于德国工业大国的声名,而这也让德国传感器等制造业处于外国资本的阴霾之下——体量弱小的企业很难对抗得了资本的力量,最终成为外国资本口中的美食,德国技术外流不可避免。

几家德国传感器企业简介

西克(SICK AG)

西克(SICK)成立于1946年,公司名称取自于公司创始人欧文·西克博士(Dr. Erwin Sick)的姓氏,总公司位于德国西南部的瓦尔德基尔希市(Waldkirch)。SICK目前拥有 50 多家子公司和股权投资公司以及众多代理机构,足迹遍及世界各地。2021财政年度,SICK 在全球拥有11,000多名员工,集团年收入超23亿欧元(约合169亿人民币)。

从工厂自动化到物流自动化再到过程自动化,SICK 都是传感器领域内顶尖的生产商。为技术及市场的领军人,SICK 以其传感器和工业应用解决方案为安全有效地控制流程创造最优的基础,防止发生人身事故并且避免环境污染。

巴鲁夫(Balluff GmbH)

巴鲁夫(BALLUFF),成立于1921年,是一家世界领先的传感器制造商 ,提供创新和实际检测解决方案,为汽车行业、冶金行业、机床行业、风电行业提供广泛的应用。

巴鲁夫作为一家中型企业,成立于毗邻斯图加特市的诺伊豪森,经过家族四代人的经营,已发展成为面向全球的领先跨国集团。

倍加福(Pepperl + Fuchs)

倍加福公司由Walter Pepperl和Ludwig Fuchs两位奠基人以一个无线电修理店成立于1945年。1948年,倍加福公司开始扩展到其他电子产品领域,并于1958年发明了世界上第一个接近开关 ,和第一个带有本质安全控制电路的晶体管放大器。

如今,倍加福公司现已成为电气防爆和传感器技术 领域中,享誉世界的开拓者和创新者。倍加福,其开发的EtherCAT实时工业以太网于2014年成为中国国家推荐性标准,并已入编工信部的《国家智能制造标准体系建设指南》。 是内安、防爆技术的领导者,也是全球自动化行业久负盛名的专业传感器公司。

结语

德国拥有众多传感器隐形冠军企业,靠的不仅是企业本身一代代的传承与坚守,对技术的追求和持续的投入,更有良好的市场竞争格局,这样,这些“小而美”的企业才能一直保持专注,成为某个领域的王者。

因此我国借鉴德国培育隐形冠军企业的经验,推出“专精特新”小巨人政策 ,传感器领域约有95家企业进入国家级“专精特新”小巨人名单,这些企业或许以后都是中国传感器领域的隐形冠军。详细名单参看《95家!这些传感器企业都是国家认证的专精特新行业小巨人!(附全名单)》

工业革新的前提源于技术的进步,传感器技术是成功实现工业4.0的先决条件,是实现先进制造最重要的环节之一。要实现中国制造的全面升级,传感器这一课决不能落下!

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