小小传感器如何做出百亿大蛋糕!

2022-11-21 5837

      感器是一个极其特殊的行业,它的产值不算高,2019年我国市场规模约2200亿人民币,但却有数万个品类,几乎遍布所有产业和每个国民经济的角落。它集机械、光、电于一身,能精确衡量压力、温度、浓度、速度等,却又受制于芯片、材料、电路的发展瓶颈。它的原理透明,但工艺却非常复杂,是制造业中少见的带有“手艺”气息的工业品,技术诀窍深藏在工艺之中。

我国传感器行业起步较晚,核心技术缺失,因而以中低端制造为主,随着近年智能制造、工业物联网、人工智能等热火朝天的发展,特别是MEMS技术的发展,半导体传感器朝着微型、低功耗、高精度方向发展,传感器行业迎来了第二春。


  一、超百亿,压力传感器发展驶入快车道

  据数据显示,近年来我国传感器市场规模保持较快增长,预计到2021年,我国传感器市场规模或将突破2000亿元,毫无疑问,中国传感器行业正迎来发展的黄金时期,而这也将为国内传感器企业带来巨大的发展机遇。其中,压力传感器市场规模超百亿,发展驶入快车道。

  我国压力传感器市场主要是工业自动化控制领域,和汽车领域。在工控领域里目前我国绝大部份采用扩散硅压力传感器、应变片式压力传感器和溅射薄膜压力传感器,而国内厂家生产面广量大的就是扩散硅压力传感器。

  而压力传感器市场的增长主要是由微电子机械系统(MEMS)的发展、汽车和医疗行业需求的增长、严格的政府法规以及智能技术的采用等推动的。据预测,2024年,压力传感器市场将以6.3%的复合年增长率增长,预计压力传感器市场将从2019年的174亿美元增长到2024年的236亿美元,相关企业可重点布局。

  二、5大压力传感器及应用场景

  压力传感器有多种分类方式。从工作原理来划分,压力传感可分为压电式、压阻式、应变式、电容式等。从使用材料和传感原理来看,主要有应变式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器5种。

  1、应变片压力传感器——高精度 最广泛

  电阻应变片压力传感器的核心是电阻应变片,即一个受力会形变的金属片。当应变片受外力影响时,其长度和截面积都会发生变化,进而改变电阻值。比如当金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减少,电阻值便会增大。

  应变式传感器可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量,在不同领域间的应用也最为广泛。尤其应用在高精度要求的工业称量系统产品,如平台秤和料斗称量系统。

  2、陶瓷压力传感器——抗磨损 够稳定

  弹性好、抗冲击、抗磨损、性能稳定……陶瓷是压力传感器的理性材料。陶瓷压力传感器没有液体的传递,而是以陶瓷直接作为感应膜片,让压力间接作用于陶瓷膜片背面的厚膜电阻, 连接成一个惠斯通电桥,电阻阻值变化后通过电桥产生一个与压力、激励电压成正比的电压信号。

  相比金属应变片,陶瓷压力传感器最大的特点就是抗腐蚀,在测量腐蚀性介质的压力时,如在化工、制冷等领域中往往大显身手。其次,陶瓷压力传感器常以分层结构组成,故有较好的抵抗压力峰值的作用,但相应的灵敏度可能没有前者表现优秀。

  3、扩散硅压力传感器——小体型 大信号

  其原理是被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,并依靠电子线路检测到变化,迅速转换、输出相应的标准测量信号。

  扩散硅压力传感器的一个显著优点是信号输出大,为后端变送调理线路提供了很大的优势,加上分辨率高,灵敏度高,其可选的后端电路更多。其次,扩散硅的体积小巧利于安装,可以广泛应用在医疗器械中,用于辅助生物监测。

  4、蓝宝石压力传感器——精度准价格高

  与第1种应变电阻式工作原理类似,受到传输压力后其接收膜片发生形变,变化被硅-蓝宝石敏感元件感知后,其电桥将输出和压力呈现正比的变化电信号。

  作为半导体敏感元件,蓝宝石的计量特性无与伦比,既不会发生滞后、疲劳和蠕变现象,也凭借极高的硬度不怕形变。此外,蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性,此类传感器可以在各种极端环境下工作,且可靠性高、精度好、温度误差极小。其缺点也很明显——价格会相比其他压力传感器贵一倍以上,应用场景一般在在高端或重型装备上。

  5、压电压力传感器——动态场景优势

  压电压力传感器基于压电效应而工作,从结构上看内部有一个薄圆筒,当薄圆筒内侧受到压力作用时,圆筒的内张力增大,从而使其固有振动频率升高。只要测出振筒的固有振动频率,就可知道压力大小。

  压电传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。但不可以应用在静态的测量当中,原因是受到外力作用后的电荷,仅在回路中有无限大输入抗阻的时候,才可以保存下来,因此只应用在动态测量当中,如压电喷墨打印头、相机中使用压电MEMS进行自动对焦等等。

  此外,压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,在航空领域有特殊地位。

  三、IOT时代来临,压力传感器有哪些应用场景?

  纵观整个产业链,压力传感器上游主要是原材料供应商,上游厂商提供金属片、陶瓷片、硅片、蓝宝石-硅压合片等以及封装所需材料。今年大部分原材料价格的不断涨价对身处中游的压力传感器行业造成较大影响。

  压力传感器的下游应用十分广泛,除了汽车制造、机械工业、医疗器械等行业,还在航空航天、消费电子等产品中使用,随着物联网时代的到来,越来越多的智能产品也急需感应元件满足消费者需求。

  近些年来,新型半导体材料不断出现,让压力传感器的结构设计、敏感元件集成设计、加工工艺得以突破迭代,MEMS压力传感器供需量不断增加,其应用范围也能够走向更广阔的领域。国内知名的压力传感器供应商不少,但大部分集中在产品集成商手中,配套产品一同进行销售。

  四、压力传感器行业发展趋势:微型化、场景化、协同化

  中国压力传感器的研发和制造目前尚处于起步期,未出现具有一定经营规模的企业,掌握核心部件研发和制造能力的企业十分稀缺。不仅如此,目前高精度的国产压力传感器,其内部晶片或者芯体大多仍需进口,但在全球疫情以及中美国际贸易关系的影响下,海外供货受阻,供应周期拉长,这使得研发自主设计生产的国产压力传感器芯体迫在眉睫。

  微型化是压力传感器研发的一大趋势,厂商们正不断地缩小压力传感器的体积。MEMS压力传感器的出货量逐年上升,多元化的应用场景也在不断拓宽,智能家居、管道检测、车联网、智能制造中都会大量使用压力传感器。

  同时,多传感器协同的情况也会普遍地出现在各种智能产品中,通过多传感器的融合与协同,提升了信号识别与收集的效果,也提高了智能设备的集成化程度,节约了内部空间。相信在未来,物联网时代,压力传感器的应用会越来越多。

  传感器是人类对世界万物进行准确感知、制造、加工及运行的依据。传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。可以说,没有传感技术就难以有高精度的测量和感知应用。

  根据传感器种类情况,占据我国传感器市场份额前三位就有压力传感器,百亿市场在呼唤,压力传感器发展驶入快车道,相关企业可了解压力传感器的发展趋势,根据自身的发展情况,制定相应的发展策略,抢夺发展先机。


文章来源: 物联传媒,仪表网

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