全球智能传感器产业现状、竞争格局、政策导向、人才专利解析

全球智能传感器产业现状

1.      定义

传感器制造行业开始由传统型向智能型发展。智能传感器是具有信息处理功能的传感器，带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理相结合的产物。与一般传感器相比，智能传感器具有以下三个优点：通过软件技术可实现高精度的信息采集，而且成本低;具有一定的编程自动化能力;功能多样化。

传感器将被测的物理量转换成相应的电信号，送到信号调理电路中，进行滤波、放大、模-数转换后，送到微计算机中。计算机是智能传感器的核心，它不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。由于计算机充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。

2.      智能传感器发展

传感器发展历程的三个阶段：

第一是结构型传感器出现，它利用结构参量变化或由它们引起某种场的变化来反应被测量的大小和变化(如利用结构的位移或力的作用产生电阻、电容或电感值的变化)。 第二是固体型传感器的发展，它利用某些材料自身的物理特性在被测量的作用下发生变化，从而将被测量转化为电信号或其他信号输出(如用半导体、电介质、磁性材料等固体元件制作的传感器)。 第三是智能型传感器的发展，2000 年开始传感技术和产品的发展朝着具有感、知、联一体化功能的智能感知系统方向发展，传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等有机结合，通过高度敏感的传感器实现多功能检测，通过边缘计算实现在线数据处理，基于无线网络实现感知测量系统的数据汇聚。一般智能传感器采用半固态或全固态材料，结构微型化、集成化，系统向多功能、分布式、智能化、无线网络化方向发展。

3.      产业链结构

智能传感器上游主要包括各类传感器制造所需原材料的供应，常规材料包括半导体材料、陶瓷材料、金属材料以及有机化工材料等;中游主要是各类传感器的制造和封装等，从传感器种类来看，具体包括压力传感器、图像传感器、光传感器以及温度和湿度传感器的生产制造;在下游应用市场，传感器广泛的应用于通讯电子、消费电子、工业、汽车电子、智慧农业、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、智能家居、机器人 技术等众多领域。

传感器的产业链主要受上游材料类型影响。上游材料不同，对应的生产制造工艺也存在明显区别，导致产业链的构成上存在明显差异。由于不同类型传感器的材料和工艺的存在明显区别，传感器厂商往往更倾向于 IDM(Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造)的生产经营模式，即自己全面负责产品的设计、生产和测试，对于某些更特殊类型的传感器，甚至上游材料的生产和加工都需要由企业自己完成。

智能传感器产业链主要环节在于研究与开发、设计、制造、封装和测试环节。

以 MEMS 传感器为例：

材料方面，与芯片类似，MEMS 传感器的基础材料是 Si 晶圆。一些特殊应用会使用玻璃、高分子聚合物、金属等，二氧化钛(TiO2)、二氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)等金属氧化物也逐渐成为有吸引力的材料。

设计及仿真软件，MEMS 传感器的设计是多层次和跨领域的，存在极高的难度。为了解决这些问题，商业化的设计及仿真软件出现，其显著提升了设计人员的工作效率：(1)有助于设计人员理解微小范围内的力、热、电磁等能量之间的相互作用，方便在虚拟设计阶段优化 MEMS 结构和工艺，减少试制和测试成本;(2)使用成熟pdk(工艺设计套件)和工艺，缩短设计周期，增强市场竞争力。

生产设备，MEMS 传感器的生产工艺与半导体工艺类似，因此需要的生产设备也基本相通，包括光刻设备、刻蚀设备、沉积设备、封装设备、测试设备等。光刻设备的主要生产厂商有荷兰的阿斯麦(ASML)等，刻蚀设备的主要生产厂商有美国的泛林半导体(Lam Research)、美国的应用材料(Applied Materials)等，沉积设备的主要生产厂商包括美国的应用材料(Applied Materials)、美国的泛林半导体(Lam Research)和日本的东京电子(TEL)等，封装设备的典型供应商包括日本川崎(KAWASAKI)、美国的太平洋科技(ASM Pacific)等，测试设备的主要生产厂商有美国的安捷伦(Agilent)、美国的泰克(Tektronix)、日本的安立(Anritsu)等。

设计，MEMS 传感器的设计一般包括系统级设计、器件级设计和工艺级设计三层。系统级设计面向用户的需求，着重研究系统的整体行为特性与性能，承担产品概念设计与设计方案制定等设计任务，为器件级设计提供依据;器件级设计是根据 MEMS 器件的实体模型来研究其行为特性和物理特性，完成 MEMS 器件的实体设计、分析和优化，为器件的工艺、版图设计奠定基础;工艺级设计主要包括器件的掩模版图设计和工艺流程设计，是 MEMS 器件加工前的最后一步。

加工制造，MEMS 传感器的加工工艺可依据材料分为硅基和非硅基两种路线。硅基 MEMS 加工技术以集成电路加工技术为基础，具有批量化、成本低、集成度高等优势;非硅基加工技术包括 LIGA、准 LIGA(即 X 光同步辐射光刻、电铸成型及注塑工艺)和精密加工技术，非硅基加工技术实现的可动微结构能够拥有更大纵向尺寸，但批量能力差、重复性差、加工成本高。

封装，封装是 MEMS 研发过程的重要环节，其决定了 MEMS 传感器的体积、可靠性以及成本。根据 Yole 的研究，目前 MEMS 传感器成本中，封装约占 30%-40%，IC 约占 40%-50%，足以体现封装的重要性。由于结构和应用环境的不同，传感器的封装过程与传统集成电路也存在明显不同。MEMS 封装建立在 IC 封装基础之上，并衍生出新的封装技术和工艺，例如阳极键合、硅熔融键合、硅通孔(TSV)、玻璃通孔(TGV)等，进而反哺 IC 封装。

测试，由于封装占整个系统的成本较高，因此使得 MEMS 传感器的测试也较传统集成电路更为复杂。在最终封装之后测出器件失效不但费钱，还浪费了 R&D、工艺过程和代工时间，因此晶圆级测试的重要性更为凸显。晶圆级测试对传感器厂商来说实现难度较高，或者投入较大，一般可以交给代工厂完成。不过封装后的标定和测试一般由传感器厂商自己完成。

4.      产业规模

在科技的驱动下，全球智能传感器市场正以磅礴之势迅猛发展。数据显示，2022年全球市场规模已达432.9亿美元，2019至2022年间年均复合增长率高达10.59%。中商产业研究院的分析师预测，这股增长势头不减，到2024年市场规模预计将突破541.1亿美元。

面对这一趋势，行业内外的企业与投资者无不摩拳擦掌，期待抓住时代的脉搏。从智能家居到工业自动化，从环境监测到健康医疗，智能传感器正悄然改变着我们的生活与工作方式。

全球智能传感器竞争格局

全球传感器市场主要由美国、德国、日本的几家巨头公司把控。比如美国、日本、德国及中国合计占据全球传感器市场份额的 72%。智能传感器方面，据智研咨询发布的《2022-2028 年中国智能传感器行业市场深度分析及发展趋向分析报告》：2020 年北美智能传感器产业占 43.3%，为全球最高；欧洲智能传感器产业占 29.7%，为全球第二；亚太（除日本）智能传感器产业占 6.2%；日本智能传感器产业占 19.8%；其他国家/地智能传感器产业占 1.0%。

全球智能传感器行业的重要参与企业众多，其中包括 MURATA MANUFACTURING [6981.T]、安费诺(AMPHENOL) [APH.N]、SAMSUNG SDI [006400.KS]、佳能 [CAJ.N]、 CANON [7751.T]、康宁(CORNING) [GLW.N]、京瓷 [6971.T]、OMRON [6645.T]、TDK [6762.T]、安川电机 [6506.T]、SAMSUNG ELEC MECH [009150.KS]、杜比实验室(DOLBY LABORATO-A) [DLB.N] 、 OMRON [OMR.DF] 、 通 用 显 示 器 [OLED.O] 、 LG INNOTEK[011070.KS]、美国力特保险丝(LITTELFUSE DE) [LFUS.O]等。这些企业各自拥有独特的技术优势和市场地位，多数来自美国、欧洲和日本。

01 美国

美国是全球传感器顶尖强国之一，早在 2020 年北美智能传感器产业占 43.3%，为全球最高。美国是 MEMS 产业、技术和产品的发源地，其发展水平世界领先。上世纪 60 年代，斯坦福等大学就从事 MEMS 领域的研究开发，佐治亚理工学院和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校等众多美国大学几乎都建立有自己的 MEMS 晶圆生产线。美国麻省理工学院、斯坦福大学、加利福尼亚大学伯克利分校、凯斯西储大学等还开发用于 MEMS 研究的设备、仪器等，支撑其技术研究。

美国拥有全球主要的 MEMS 传感器公司：比如德州仪器（TI）、模拟器件（ADI）、飞思卡尔、楼氏电子（Knowles）、SiTime、惠普、IMT、SiliconMicrostructures（SMI）、 GEInfrastructureSensing 等，此外，大部分半导体制造公司同时具有 MEMS 生产加工的业务。

表 2-2 部分美国 MEMS 传感器企业

02 欧洲

德国是享誉世界的传感器制造强国，是世界传感器三大巨头国家之一。德国拥有众多的世界级传感器巨头，尤其是闻名遐迩的德国博世，是世界上最大的传感器企业，也是世界上最大的 MEMS 传感器厂商。博世是一家典型的 IDM 厂商，博世所有 MEMS 传感器均在德国罗伊特林根 (Reutlingen)制造。德国博世是全球多个细分传感器领域 TOP1，包括汽车传感器、MEMS 压力传感器、MEMS 气体传感器等领域。博世的 MEMS 传感器涵盖惯性、环境、智能、光学、声学传感器 5 大类，是汽车制造、消费类电子、家用电器等 MEMS 制造商的一线顶尖领头羊，牢牢占据着全球汽车与消费电子两大市场。

德国英飞凌科技股份公司，为现代社会的三大科技挑战领域——高能效、连通性和安全性提供半导体和系统解决方案。英飞凌平均每年投入销售额的 17%用于研发，全球共拥有 22900 项专利。英飞凌是全球领先的半导体公司之一，生产的半导体传感器性能优良。

瑞士在传感器领域具有较强的实力，比如瑞士享誉世界的 KELLER 测量技术有限公司，是欧洲领先的隔离压力传感器和变送器制造商，同时也是世界著名的扩散硅压阻式压力传感器领先制造商；MEMSENS 公司位于瑞士微电子技术和微机械加工技术的中心，是全球著名的从事专业开发和制造压力传感器和压力变送器的瑞士公司。

意大利将精密仪器作为主要高技术产业之一，在传感器领域也有较强的实力。Datalogic 自动化部门是全球工业领域内自动识别系统的主要生产企业之一，为客户提供更全面的自动化解决方案，包括工业传感器，工业安全防护，自动条码扫描系统，机器视觉系统，RFID 技术方案等。其著名的 TLu、TL80、TL10、S60-W、S50-W 等色标志传感器系列产品，在世界的色标志传感器市场中占据领导地位。

03 日本

日本与美国、德国并称世界三大传感器强国，其传感器产品在世界传感器市场中有举足轻重的地位，尤其是在全球工业自动化、机器人等领域，日本传感器的占比更加重要。

全球图像传感器领域世界首位—2023 年索尼以55%的份额占据全球图像传感器市场的主导地位，第二名为全球占比 25%左右的三星，索尼与三星的差距如此之大，可见索尼在全球传感器行业的存在感是十分出众的。早在 2018 年日本在 MEMS 和传感器产能方面居世界领先地位。

日本企业在汽车用MEMS、机器人用 MEMS 领域具有全球领先地位。在十分重要的 MEMS产业中，一直是美国、欧盟、日本三分天下之势且各有千秋。美国以军用促民用，具有无可比拟的 MEMS 技术综合实力；而日本则在汽车电子用 MEMS、机器人用 MEMS 等方向能力十分突出；欧盟在汽车电子用 MEMS、消费电子用 MEMS 占有重要的市场份额。主要企业有电装 DENSO、欧姆龙、佳能、旭化成、基恩士、横河电机、村田、安川电机等。

全球政策环境

01 美国

美国将高端传感器视为保持国家竞争力优势的关键，其《先进制造国家战略计划》将高端传感器列为重点发展领域。其次，传感器件研究方面，美国通过国家纳米技术计划推动基于纳米技术的物理、化学、生物传感器研究工作，在《纳米技术引发的重大挑战：未来计算》报告中将能自主运行的智能大数据传感器列为技术优先领域之一。

传感器应用研究方面，美国通过国家制造业创新网络框架下的数字化制造和设计、集成光子、柔性混合型电子、智能制造、先进机器人等制造业创新研究所推动工业智能传感器、医疗传感器、装备状态监控传感器、可穿戴传感器、成像传感器、基于感知模型的传感器等新型传感器的应用研究。

02 欧洲

欧盟发布的《关键使能技术发展共同战略》同样将高端传感器列为重点发展领域。传感器件研究方面，欧盟利用石墨烯旗舰计划推动石墨烯传感器的基础研究工作。传感器应用研究方面，欧盟利用未来工厂、机器人等大型公私合作关系计划以及应对社会挑战战略领域下的相关医疗设备和护理机器人计划，推动工业智能传感器；医疗传感器；触觉、视觉、嗅觉、听觉传感器；生物传感器；化学传感器等新型传感器的应用研究。

其中，德国是微机电系统和传感器技术的领先者。早在 2006 年，德国首次发布的《德国高技术战略》中，就微系统、纳米技术等列为 17 个现代技术创新范围，随即投入了前所未有的资金和精力，以保持其国际领先的地位。2015 年，德国发布工业 4.0战略，传感器被描绘成信息物理系统的核心组件，包括加速度传感器、气压传感器、电子罗盘等。2018 年 9 月 5 日，德国联邦内阁通过了《高技术战略 2025》，确定了德国未来研究与创新资助三大行动领域的总共 12 项使命，其中发展微电子、通信系统、材料、量子技术、现代生命科学和航空航天研究作为加强德国未来能力的重点任务。2020年，德国传感和测量技术协会（AMA）在《传感器技术 2022——让创新互联》报告中指出，传感器技术是很多机器、设备和车辆竞争力的核心技术，是提升其价值增值的手段。与当前快速发展的互联网一样，传感器的发展为其带来机遇与挑战。未来传感器的先进程度决定了机械制造、汽车、过程控制和制造领域的国际竞争力。

03 日本

日本将传感器技术列为十大技术之首、国家重点发展的六大核心技术之一。日本传感器产业侧重实用化和商品化，走的是先普及后提高，由引进、消化、仿制到自行改进设计创新的路子。2013 年，日本经济产业省启动了“传感器技术在社会公共服务中的应用开发项目”。同年 7 月，日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）公布了该项目委托研究机构。2015 年 7 月，日本召开了“物联网升级制造模式工作组”会议，该工作组的目标主要是，跟踪全球制造业发展趋势的科技情报，通过政府与民营企业的同心通力合作，实现物联网技术对日本制造业的变革。10 月 23 日，日本成立产学官合作组织“物联网推进联盟”，从事传感器技术的研发和测试。2017 年，日本内阁会议通过第五期（2016～2020 年度）科学技术基本计划（以下简称基本计划），将微电子、材料等列为重点发展领域。

智能传感器产业专利概况

01 全球专利趋势分析

在全球范围内，智能传感器产业累计专利申请量超过 173.12 万件，近五年复合增速为 0.17%。全球智能传感器产业专利授权量近五年复合增速为-5.36%。

作为新兴技术产业，智能传感器产业持续发展。截止目前，全球智能传感器产业累计专利申请量超过 173.12 万件，近五年复合增速为 0.17%。在 2019-2020 年期间专利数量有所上升，2020 年全球智能传感器产业专利申请量同比上升 9.08%。 关于全球智能传感器产业的专利授权趋势，专利授权量近五年复合增速为-5.36%。2019年和2020年，全球智能传感器产业专利授权量有小幅度增长。

图 2-5全球智能传感器专利申请趋势

图 2-6全球智能传感器专利授权趋势

02 全球专利地域分布情况

全球智能传感器产业的集聚效应明显，专利主要分布中国、美国、日本、韩国和德国。其中，中国智能传感器产业专利申请量近五年复合增速最快。

从全球智能传感器产业累计专利申请量的分布情况来看，中国 80.68 万件、美国23.9 万件、日本 19.7 万件、韩国 5.5 万件、德国 5.2 万件。中国、美国、日本、韩国、德国的累计专利申请量共计 141.74 万件，占全球总量的 81.87%，产业集聚效应明显。

从全球智能传感器产业技术来源国的地域分布情况来看，主要来源于中国（82.1万件）、美国（27.4 万件）、日本（25.9 万件）、德国（8.2 万件）和韩国（7.8 万件），其中来自中国的专利量超过美、日、德、韩四国，说明中国是全球智能传感器产业的主要技术来源国，且日本的专利产出超出专利受理近 6 万件专利，技术产出实力比较强，日本创新主体主要在日本、美国和中国布局专利。

03 全球申请人排名情况

从全球智能传感器产业专利申请人排名情况来看，排名第一的是三星，在智能传感器产业中布局 2.04 万件专利；其次是日立，相关专利为 1.79 万件；第三是松下，共有1.34 万件专利；第四是博世，相关专利为 1.32 万件；排名第五的三菱，共 1.12 万件专利，紧接着是岛津制作所、佳能、索尼、东芝、以及丰田，在智能传感器产业中布局的专利量分别为 1.06 万件、1.04 件、1.02 件、9448 件以及 7752 件。排名前十的申请人中，有七位是日本企业，排名前 15 的申请人有 14 位均是海外申请人，其中日本申请人占 10 位，中国申请人仅一位，为国家电网。

总的来说，从全球申请人排名中可以看出海外申请人在智能传感器产业内占有优势地位，特别是日本申请人，具备较强的产业竞争力。

 图 2-9全球智能传感器专利申请人排名

创新人才概况

全球智能传感器产业创新人才共 234.06 万人，近五年复合增速为 5.04%。 截至 2023 年 12 月底，全球智能传感器产业创新人才共 234.06 人，近五年全球智能传感器产业创新人才数量呈波动性变化，近五年复合增速为 5.04%，2019 年-2021 年期间创新人才数量有所上涨，但增速变缓，同比增速持续下降，2022 年开始出现负增长同比下降 3.13%。

图 2-27 全球创新人才数量增长情况（单位：人）

全球智能传感器产业创新人才主要集中在中、美、日、德、韩五个国家。 从全球各国产业创新人才分布来看，中国 92.6 万人、美国 38.28 万人、日本 30.20万人、德国 11.24 万人、韩国 10.67 万人。