壓力傳感器是一種常用于工業(yè)實(shí)踐中的設(shè)備，它將力或壓力轉(zhuǎn)換為電信號，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量和控制，它的工作原理通常基于壓敏材料的變化或壓力引起的形變，具有高精度、耐腐蝕和緊湊結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，適用于多種惡劣環(huán)境。壓力傳感器通常由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。
壓力傳感器的定義和工作原理
壓力傳感器是一種用于測量力或壓力的設(shè)備，是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其工作原理通?；趬好舨牧系淖兓蛘邏毫σ鸬男巫?，它將力或壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，以便進(jìn)行測量、控制或監(jiān)測，是發(fā)展制造業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)元器件。
壓力傳感器的特點(diǎn)
壓力傳感器具有高精度、耐腐蝕和緊湊結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。高精度保證了測量的準(zhǔn)確性，耐腐蝕性使得傳感器能在惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，緊湊結(jié)構(gòu)則使得傳感器能夠適應(yīng)不同的安裝環(huán)境和空間限制。這些特點(diǎn)使得壓力傳感器在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中能夠提供準(zhǔn)確可靠的壓力測量性能。
壓力傳感器的組成
壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。
壓力傳感器分類
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(yīng)變式、電容式等；從使用材料和傳感原理來看，主要分為應(yīng)變式壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、壓電壓力傳感器。目前最常用的壓力傳感器有應(yīng)變片壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器和MEMS傳感器。
①應(yīng)變片壓力傳感器
應(yīng)變片壓力傳感器高精度，最廣泛。應(yīng)變片壓力傳感器主要應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，用于測量各種壓力值，具有價(jià)格低、精度高、測量范圍廣、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單等特性，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化。我國壓力傳感器市場中，應(yīng)變片壓力傳感器占有較大比例，并且在汽車電子控制系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
②擴(kuò)散硅壓力傳感器
擴(kuò)散硅壓力傳感器小體型，大信號。擴(kuò)散硅壓力傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程的現(xiàn)場測控，由于其高穩(wěn)定性、高精確度、高靈敏度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的特點(diǎn)，成為了測量氣體、液體的壓力和液位的理想選擇。擴(kuò)散硅的體積小巧，利于安裝，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械中，可用于輔助生物監(jiān)測，同時(shí)還被廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。
③MEMS傳感器
MEMS傳感器低功耗，高性能。MEMS傳感器是一種利用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，使其成為微型傳感器的主力軍，逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，由最早的工業(yè)、軍用航空應(yīng)用走向普通的民用和消費(fèi)市場。
國內(nèi)外壓力傳感器市場情況
據(jù)MorderIntelligence的數(shù)據(jù)顯示，2022年全球壓力傳感器市場規(guī)模達(dá)到152.3億美元，預(yù)計(jì)2028年將增長至260.7億美元，年復(fù)合增長率為9.37%，市場主導(dǎo)者包括博世、泰科電子和英飛凌。全球壓力傳感器市場主要集中在北美、歐洲和亞太地區(qū)，其中北美占有43.3%的市場份額。隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、人工智能系統(tǒng)和可穿戴醫(yī)療保健設(shè)備的不斷發(fā)展，壓力傳感器將進(jìn)一步升級并推動(dòng)市場規(guī)模的增長。
全球MEMS壓力傳感器的市場情況
從全球范圍來看，據(jù)共研網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，2018-2026年全球MEMS壓力傳感器市場規(guī)模從18.60億美元增長至23.62億美元，年均復(fù)合增長率為3.03%；出貨量從14.85億顆增長至21.83億顆，年均復(fù)合增長率為4.93%。
中國產(chǎn)壓力傳感器市場份額。當(dāng)前中國壓力傳感器市場較集中，據(jù)MorderIntelligence的數(shù)據(jù)顯示，上海兆暉、艾瑞科、上海天沐、西安優(yōu)托普等龍頭企業(yè)占據(jù)了中國傳感器市場約40％以上的份額，其余約60％為中小企業(yè)，產(chǎn)品主要集中在中低端，或未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。
據(jù)MorderIntelligence的數(shù)據(jù)顯示，中國壓力傳感器市場規(guī)模估計(jì)在2023年為10.2億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到15.2億美元。中國壓力傳感器的研發(fā)和制造目前尚處于起步期，仍舊由外資主導(dǎo)，未出現(xiàn)具有一定經(jīng)營規(guī)模的企業(yè)，掌握核心部件研發(fā)和制造能力的企業(yè)十分稀缺。中國壓力傳感器供給能力略有不足，全球龍頭企業(yè)如泰科電子、森薩塔、博世、霍尼韋爾等跨國公司占據(jù)約60％的中國市場份額，尤其在高端市場，約80％的壓力傳感器芯片依賴海外企業(yè)。
中國MEMS傳感器的市場情況。中國是亞太地區(qū)MEMS發(fā)展?jié)摿ψ畲?、增速最快的市場，?jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)顯示，2021年中國MEMS相關(guān)專利申請數(shù)量為3,354件，雖然較上年有所下降，但整體仍處于較高水平。隨著智能家居和智能工廠的不斷發(fā)展，MEMS產(chǎn)業(yè)催生出大量創(chuàng)新產(chǎn)品及應(yīng)用，帶動(dòng)MEMS產(chǎn)品在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活的普及化。
壓力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈和競爭格局
壓力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈上游主要涉及原材料和芯片設(shè)計(jì)，包括半導(dǎo)體硅片等關(guān)鍵材料，中國半導(dǎo)體硅片市場提供了充足的原料支撐。中游環(huán)節(jié)為傳感器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝和測試等制造環(huán)節(jié)，中國在這一階段與國際先進(jìn)水平存在差距。下游應(yīng)用廣泛，包括工業(yè)、汽車電子、通信電子和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
①壓力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈上游
壓力傳感器的上游產(chǎn)業(yè)鏈包括原材料、芯片設(shè)計(jì)等方面，壓力傳感器原材料分為半導(dǎo)體材料、陶瓷材料、金屬材料和有機(jī)材料四大類。其中，半導(dǎo)體硅片是生產(chǎn)集成電路、存儲器、傳感器等半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵材料，近年來，中國半導(dǎo)體硅片市場規(guī)模不斷增長，技術(shù)不斷發(fā)展，為壓力傳感器提供了充足的原料支持。
②壓力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈中游
壓力傳感器的中游產(chǎn)業(yè)鏈主要是各種類型的傳感器的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，包括壓力傳感器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、封裝和測試等。在中游生產(chǎn)制造階段，企業(yè)需要具備先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和制造工藝，以確保傳感器產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性，從我國傳感器制造水平發(fā)展情況來看，目前仍與國際先進(jìn)水平具有一定的差距。
③壓力傳感器產(chǎn)業(yè)鏈下游
壓力傳感器的下游應(yīng)用于工業(yè)、汽車電子產(chǎn)品、通信電子產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，許多設(shè)備和系統(tǒng)需要對壓力進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測和控制，壓力傳感器能夠?qū)崟r(shí)測量液體、氣體或蒸汽的壓力變化，并將這些數(shù)據(jù)反饋給自動(dòng)化控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對壓力的準(zhǔn)確控制，這對于保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和效率至關(guān)重要。同時(shí)，在工業(yè)場所中壓力傳感器還可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和安全防護(hù)方面，通過安裝壓力傳感器監(jiān)測氣體，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)有無泄漏情況并采取措施，以確保工作環(huán)境的安全性。
泰科電子提供多種壓力傳感器，在醫(yī)療和工業(yè)控制領(lǐng)域起到重要作用。博世作為最大MEMS供應(yīng)商，其電容式MEMS氣壓傳感器在汽車故障診斷中發(fā)揮重要作用。森薩塔的產(chǎn)品以高精度和溫度補(bǔ)償性能為特點(diǎn)，在汽車、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，同時(shí)響應(yīng)雙碳號召，積極擴(kuò)展新能源和智能網(wǎng)聯(lián)等領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)。
①泰科電子(英文名TE Connectivity Ltd.)
泰科電子(TEConnectivity)。泰科電子提供多種類型的壓力傳感器，包括絕對壓力傳感器、表壓型傳感器和介質(zhì)隔離型傳感器，因?yàn)槠涓呔?、耐用、易安裝等特點(diǎn)，滿足了各種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，在市場上具有很強(qiáng)的競爭力。在醫(yī)療領(lǐng)域，小型侵入式的傳感器(IntraSense)在呼吸機(jī)中起到關(guān)鍵作用；在工業(yè)控制領(lǐng)域，泰科電子的壓力傳感器覆蓋工業(yè)狀態(tài)監(jiān)測及協(xié)作機(jī)器人等重要應(yīng)用。同時(shí)，泰科電子在設(shè)計(jì)上考慮了環(huán)保因素，推出了耐氯環(huán)境適用的超緊湊型數(shù)字壓力和溫度傳感器MS5839-02BA，遵循可持續(xù)發(fā)展的觀念，在市場上保持領(lǐng)先地位。
②博世(Bosch)
博世是壓力傳感器領(lǐng)域的最大MEMS供應(yīng)商與行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，自1988年就活躍在MEMS領(lǐng)域，其采用的電容式MEMS氣壓傳感器，具有低溫漂、高靈敏度、低噪聲和較大的動(dòng)態(tài)范圍等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，尤其在汽油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷中起著重要作用，能夠測量進(jìn)氣量，檢測進(jìn)氣歧管的壓力，為發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
③森薩塔
森薩塔是壓力傳感器的主要供應(yīng)商，其產(chǎn)品采用了微熔硅應(yīng)變計(jì)傳感技術(shù)和專有ASIC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度、溫度補(bǔ)償性能以及強(qiáng)大的診斷功能，這些特點(diǎn)使得森薩塔的壓力傳感器在汽車、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，為了適應(yīng)中國市場，響應(yīng)雙碳號召，森薩塔成立了清潔能源解決方案事業(yè)部，不斷增資擴(kuò)大新產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，以適應(yīng)新能源、電動(dòng)化、自動(dòng)駕駛、智能網(wǎng)聯(lián)等領(lǐng)域的發(fā)展。
壓力傳感器發(fā)展趨勢
信息化和智能化的推進(jìn)使壓力傳感器在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并迎來發(fā)展契機(jī)。技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)著壓力傳感器的快速發(fā)展，低成本和高性能的新型傳感器不斷涌現(xiàn)。國家政策如“十三五”規(guī)劃等對產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要支持。此外，市場競爭加劇導(dǎo)致行業(yè)并購整合頻繁，國內(nèi)外企業(yè)通過并購加強(qiáng)技術(shù)優(yōu)勢，有望促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
①市場帶動(dòng)
信息化和智能化的推進(jìn)為壓力傳感器產(chǎn)業(yè)帶來巨大的市場，在智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智能交通、建筑節(jié)能、智能電網(wǎng)、健康醫(yī)療、智能穿戴等領(lǐng)域，壓力傳感器都有著廣闊的應(yīng)用空間。同時(shí)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，壓力傳感器產(chǎn)業(yè)也迎來了巨大的發(fā)展契機(jī)。
②技術(shù)拉動(dòng)
近年來，國內(nèi)外從事壓力傳感器技術(shù)研發(fā)的機(jī)構(gòu)和投入都不斷增多，壓力傳感器技術(shù)也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著先進(jìn)、新型、低成本、高性能的壓力傳感器的不斷研發(fā)成功，壓力傳感器應(yīng)用的成本將不斷降低，應(yīng)用效果將不斷提升，從而拉動(dòng)壓力傳感器產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
③政策推動(dòng)
中國在“十三五”規(guī)劃里提出了“制造基礎(chǔ)技術(shù)與關(guān)鍵部件”(約24億元)的國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)，對先進(jìn)傳感器做規(guī)劃。另外，科技部2017年7月也發(fā)布了科技創(chuàng)新規(guī)劃，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、綠色制造、智能機(jī)器人和工業(yè)傳感器等。未來壓力傳感器產(chǎn)業(yè)將會(huì)面臨更為寬松的政策環(huán)境。在國家政策的扶持下，壓力傳感器產(chǎn)業(yè)將會(huì)迎來快速發(fā)展時(shí)期。
④整合促進(jìn)
隨著市場競爭的加劇，壓力傳感器產(chǎn)業(yè)并購整合不斷增多，國外大型壓力傳感器企業(yè)已經(jīng)通過并購形成了各自的技術(shù)優(yōu)勢，中國壓力傳感器企業(yè)的并購重組也已開始，歌爾、東風(fēng)科技等企業(yè)不斷通過并購增強(qiáng)競爭力。未來，中國壓力傳感器領(lǐng)軍企業(yè)的形成將大大增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)競爭力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。
MEMS技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了壓力傳感器在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，中國MEMS傳感器市場增長迅速，預(yù)計(jì)將在工業(yè)控制、軍工、智能家居等領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。在汽車工業(yè)中，壓力傳感器的應(yīng)用范圍廣泛，隨著電動(dòng)車市場的增長，全球汽車壓力傳感器市場將快速增長。醫(yī)療器械行業(yè)的需求也推動(dòng)了壓力傳感器的發(fā)展，隨著老齡化社會(huì)的到來，這一領(lǐng)域的需求和技術(shù)創(chuàng)新將持續(xù)增長。
MEMS技術(shù)對壓力傳感器的影響。隨著消費(fèi)電子、汽車電子產(chǎn)品等下游行業(yè)的快速發(fā)展，MEMS技術(shù)正在迅速擴(kuò)張成為增長熱點(diǎn)。中國MEMS傳感器市場需求旺盛，歷年持續(xù)保持快速增長，根據(jù)CCID的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2018年，中國MEMS傳感器市場規(guī)模達(dá)到504.3億元，成為全球MEMS市場發(fā)展最快的地區(qū)。由于近年來硬件創(chuàng)新市場逐漸轉(zhuǎn)移，中國市場對于MEMS器件的需求增速遠(yuǎn)高于全球MEMS市場增速。未來，MEMS壓力傳感器將在工業(yè)控制、軍工、智能家居、智慧城市等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁鼮閺V泛的應(yīng)用。
壓力傳感器在汽車工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。壓力傳感器在汽車工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，涵蓋歧管壓力測量、氣缸內(nèi)氣測量、燃油噴射壓力測量等多個(gè)領(lǐng)域，壓力傳感器市場受到汽車領(lǐng)域需求增長的推動(dòng)。中國電動(dòng)車市場規(guī)模近年來整體呈現(xiàn)出波動(dòng)增長態(tài)勢，2022年中國電動(dòng)車行業(yè)市場規(guī)模達(dá)到1,571.72億元，同比上漲27.98%。根據(jù)傳感器專家網(wǎng)發(fā)布的信息，2019-2026年，受益于全球范圍內(nèi)對乘客駕駛安全的日益關(guān)注以及有關(guān)排放的嚴(yán)格政府法規(guī)，全球汽車壓力傳感器市場將以8.3%的速度快速增長。
醫(yī)療器械行業(yè)的需求推動(dòng)壓力傳感器的發(fā)展。醫(yī)用壓力傳感器廣泛應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)中，包括微創(chuàng)導(dǎo)管手術(shù)、透析過程中的液體與血液壓力監(jiān)測，以及其他需要準(zhǔn)確監(jiān)測壓力的醫(yī)療設(shè)備，例如呼吸機(jī)和輸液泵等。隨著世界人口老齡化的增長，對呼吸機(jī)等醫(yī)療設(shè)備的需求也在不斷增加，將推動(dòng)壓力傳感器技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新和發(fā)展。
