本文來自微信公眾號(hào)“物聯(lián)傳媒（ID：ulinkmedia）”，作者慕白、Charles。
隨著北京冬奧會(huì)的結(jié)束，“零碳”辦奧運(yùn)的目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，人們開始注意起了碳達(dá)峰、碳中和這個(gè)龐大的市場。2019年中國CO2年排放量達(dá)到了100億噸，高居全球首位，占全球總排放量的27.9%，這個(gè)數(shù)值是美國的2倍，歐盟28國的3倍。與歐美發(fā)達(dá)國家相比，我國尚處經(jīng)濟(jì)上升期，2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，與2060年碳中和的目標(biāo)間隔年限較短，實(shí)現(xiàn)“碳中和”遠(yuǎn)景可謂是“時(shí)間緊、任務(wù)重”。
資料來源：OurWorld in Data:EDGAR前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理
如何準(zhǔn)確高效對碳排放進(jìn)行監(jiān)控，是許多企業(yè)的重大課題。在未來，對企業(yè)污染生產(chǎn)、處理、排放等過程進(jìn)行監(jiān)控，通過對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、統(tǒng)計(jì)分析，判斷減污降碳協(xié)同情況，將是一個(gè)重大課題。而這項(xiàng)課題的核心，是使用正確的氣體傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來記錄、監(jiān)測、管理碳排放量，降低環(huán)境污染。
如何選擇正確的傳感器，相信讀完本文的你，心中會(huì)有一個(gè)答案~~~
氣體傳感器百年：
從礦山工廠到客廳廚房
氣體傳感器是將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。一般用來測量環(huán)境中某種氣體或有機(jī)揮發(fā)物的濃度，如用于氣體含氧量監(jiān)測、易燃易爆氣體、有毒有害氣體的泄露檢測等安全監(jiān)管領(lǐng)域。
1926年，連環(huán)油船爆炸事件讓美國標(biāo)油公司開始重視有毒有害氣體的現(xiàn)代手段預(yù)防和檢測，1927年美國人OliverW.Johnson利用可燃?xì)怏w催化燃燒的機(jī)理，發(fā)明了歷史上第一臺(tái)催化燃燒(LEL)傳感器。
1968年，日本費(fèi)加羅公司研發(fā)出世界上第一支實(shí)用性半導(dǎo)體(二氧化錫)氣體傳感器，廣泛應(yīng)用于工廠和家庭的氣體泄漏報(bào)警中。直到80年代改革開放后我國才具備研制氣體傳感器的能力，大部分技術(shù)繼承于工業(yè)強(qiáng)國德國和日本。
氣體傳感器在大氣環(huán)保、石油化工生產(chǎn)開采、煤礦安全、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域作用極為關(guān)鍵，應(yīng)用廣泛。據(jù)法國咨詢公司YoleDéveloppement分析，2021年全球氣體傳感器市場規(guī)模為9.2億美元，氣體傳感器的需求在3.5億顆，而到2026年，全球氣體傳感器市場規(guī)模將翻一番達(dá)20億美元，前景非?？捎^。
受新冠疫情沖擊，2020年醫(yī)療器械行業(yè)(尤其是呼吸機(jī))對氣體傳感器的需求猛增，我國氣體傳感器行業(yè)產(chǎn)值一舉突破14.29億人民幣規(guī)模。據(jù)智研咨詢分析，2020年我國氣體傳感器產(chǎn)量為3540萬個(gè)，但市場需求量卻從2019年的2500萬飆升至4260萬，還有接近20%的市場需求未被滿足。
“國產(chǎn)替代，技術(shù)自有”的支持趨向明顯，在2010-2020十年間，國產(chǎn)自有氣體傳感器專利數(shù)從372增加到2660件，曾經(jīng)屈指可數(shù)的軟件著作權(quán)也增至335件，歷經(jīng)幾十年的沉淀，中國氣體傳感器行業(yè)經(jīng)歷了功能材料、電子陶瓷、MEMS工藝等基礎(chǔ)應(yīng)用科學(xué)的積累，有望迎來井噴式發(fā)展。
資料來源：佰騰網(wǎng)，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院整理
在傳統(tǒng)的石油化工工業(yè)生產(chǎn)中，國外傳感器廠商有極高的市場占有率，國產(chǎn)企業(yè)常常心有余而力不足。而當(dāng)前氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用正不斷拓寬，并有與人工智能、云平臺(tái)緊密融合的趨勢。得益于國家對環(huán)保及相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策的支持，當(dāng)前氣體傳感器在IoT領(lǐng)域主要應(yīng)用在這六大場景:
1、消費(fèi)類市場：主要集中在消費(fèi)終端產(chǎn)品中，包括智能家居、可穿戴設(shè)備和智能手機(jī);
2、環(huán)境監(jiān)測市場：用于監(jiān)測空氣質(zhì)量和污染情況的氣體傳感器;
3、暖通空調(diào)市場：用于室內(nèi)/車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測的氣體傳感器。
4、交通運(yùn)輸市場：用于汽車尾氣測量或重型車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制的氣體傳感器。
5、醫(yī)療市場：在治療護(hù)理和急救時(shí)，用于呼吸分析的氣體傳感器，例如呼吸機(jī)、制氧機(jī)、監(jiān)護(hù)儀等。
6、國防和工業(yè)安全市場：在工業(yè)和國防領(lǐng)域，生產(chǎn)制造過程所產(chǎn)生的有害氣體監(jiān)測。
氣體傳感器分類與技術(shù)原理
氣體傳感器是以檢測目標(biāo)為分類基礎(chǔ)的，凡是用于檢測氣體成分和濃度的傳感器都可以被稱為氣體傳感器，因?yàn)闅怏w成分的冗雜性，對氣體傳感器很難進(jìn)行精準(zhǔn)分類。從檢測對象來說，氣體傳感器的測量對象有氧氣(常用順磁式、氧化鋯式)、易燃易爆氣體(常用催化燃燒式、紅外、熱導(dǎo)、半導(dǎo)體式)、有毒氣體傳感器（一般采用電化學(xué)、金屬半導(dǎo)體、光離子化、火焰離子化式）、有害氣體傳感器（常采用紅外、紫外等）和有機(jī)揮發(fā)物等。按照傳感原理不同，主流氣體傳感器可以分為半導(dǎo)體類、催化燃燒類、電化學(xué)類、光學(xué)類、固體電解質(zhì)類等。
半導(dǎo)體氣體傳感器出現(xiàn)時(shí)間較早，廣泛應(yīng)用于家庭和工廠的可燃?xì)怏w泄露檢測報(bào)警裝置，適用于甲烷、液化氣、氫氣等的檢測。優(yōu)點(diǎn)是性價(jià)比高，設(shè)計(jì)及制造過程簡單;而半導(dǎo)體傳感缺點(diǎn)也非常明顯，容易受到背景氣體和溫度干擾，工作時(shí)功耗較大、穩(wěn)定性差、線性差。
圖.半導(dǎo)體氣體傳感器
02催化燃燒氣體傳感器
該氣體傳感器也適用于甲烷、液化氣、氫氣等氣體的檢測。和半導(dǎo)體氣體傳感器不同，催化燃燒式傳感器是利用耐高溫鉑金層與可燃?xì)怏w接觸，在其表面燃燒以檢測可燃?xì)怏w的存在。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)量準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、壽命較長;缺點(diǎn)是對可燃?xì)怏w無選擇性，且暗火工作有引燃爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
03電化學(xué)氣體傳感器
電化學(xué)技術(shù)因開發(fā)時(shí)間早、成熟度高，市場占有率較高(近60%)，英德等國家在該領(lǐng)域樹立了核心地位。氣體傳感器主要有兩種細(xì)分傳感器。第一種恒電位電解式傳感器，主要用于檢測毒性氣體。第二種原電池式氣體傳感器，主要用于檢測氧氣，靈敏度極高。
電化學(xué)氣體傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在易受干擾，使用壽命短以及穩(wěn)定性的問題。
圖.原電池式氣體傳感器內(nèi)部構(gòu)造
04光學(xué)氣體傳感器
光學(xué)傳感器主要有紅外線氣體傳感器、光反應(yīng)氣體傳感器、光導(dǎo)纖維溫度傳感器三種，原理是通過對氣體的靈敏度和光譜反應(yīng)變化傳遞信號(hào)，對SO2、CO、CO2、NOx等氣體具有較高的靈敏度。
因開發(fā)技術(shù)較晚，技術(shù)難度較高，但在測量精度、抗干擾、使用壽命與穩(wěn)定性上均有加強(qiáng)，在暖通制冷和空氣質(zhì)量監(jiān)控、新風(fēng)系統(tǒng)和工業(yè)安全防護(hù)、農(nóng)林畜牧業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
05固體電解質(zhì)氣體傳感器
固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。通過電解質(zhì)和隔膜的配合，在檢測到氣體時(shí)電解質(zhì)中產(chǎn)生電勢差，將氣體信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器。
圖.固體電解質(zhì)氣體傳感器內(nèi)部構(gòu)造
國內(nèi)外氣體傳感器廠商之爭：
國產(chǎn)替代，敢于亮劍
相比通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，傳感器技術(shù)的發(fā)展明顯滯后。一方面?zhèn)鞲衅髌奉惐姸嘤猩先f種，不同元件存在技術(shù)壁壘;另一方面單種類市場規(guī)模較小，需要深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和研發(fā)投入，缺乏資本市場青睞，規(guī)?；l(fā)展受到一定限制。
材料、硬件設(shè)計(jì)和軟件算法是傳感器的核心，再加上一些高端傳感器技術(shù)和設(shè)備被英美日德等工業(yè)強(qiáng)國壟斷，在敏感材料制備、器件制造自動(dòng)化、多技術(shù)整合上仍有差距。
據(jù)企查查工商信息顯示，當(dāng)前國內(nèi)經(jīng)營氣體傳感器的企業(yè)近2000家，大多分布在廣東、江浙滬以及山東地區(qū)。從商標(biāo)專利來看，我國公開的氣體傳感器領(lǐng)域?qū)＠?600多件，其中2000多件被日本特殊陶業(yè)(NGK)、德國博世(Bosch)、美國德爾福(Delphi)等外企注冊，2660件專利是中國企業(yè)申請持有。
我國相對成熟的是半導(dǎo)體及催化燃燒傳感器這兩類細(xì)分產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)市場份額占有率高，在國際上也頗有競爭力。但在電化學(xué)、紅外氣體傳感器領(lǐng)域起步較晚，高端儀器近乎被美日德等國壟斷。如城市技術(shù)(CityTechnology)、費(fèi)加羅(Figaro)、安費(fèi)諾(Amphenol)、博世(Bosch)、盛思銳(Sensirion)、森爾(Senseair)等在電化學(xué)氣體、紅外光學(xué)氣體傳感器領(lǐng)域扎根久，在上游元器件研發(fā)制造能力和品牌影響力上實(shí)力強(qiáng)勁。
國內(nèi)氣體傳感器實(shí)力較強(qiáng)的有漢威科技(旗下煒盛電子)、四方光電、戴維萊等企業(yè)。
漢威科技的戰(zhàn)略是從上游材料供應(yīng)到中游的智能儀表儀器，再到對下游客戶的物聯(lián)網(wǎng)解決方案打通，利用平臺(tái)和產(chǎn)銷協(xié)同優(yōu)勢，降低經(jīng)營成本并提高毛利率，從傳統(tǒng)傳感器廠商走向“智慧城市”“智慧環(huán)保”“智慧安防”“智能家居”領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)綜合服務(wù)商。
漢威科技的傳感器業(yè)務(wù)主要由旗下的煒盛科技承擔(dān)，雖然傳感器業(yè)務(wù)在漢威科技的營收貢獻(xiàn)只有12%，但傳感器業(yè)務(wù)48.5%的毛利率無疑是印證了煒盛科技在氣體傳感領(lǐng)域的龍頭地位。
漢威科技2021年度報(bào)告節(jié)選
相比漢威科技，四方光電在IoT上的布局垂直一些，這家企業(yè)更專精于傳感器元件和終端產(chǎn)品出貨，依靠氣體傳感器+氣體分析儀器“雙輪”戰(zhàn)略，覆蓋了空氣清潔、工業(yè)環(huán)境、醫(yī)療健康、安全等領(lǐng)域。在2021半年報(bào)中，四方光電透露要加大對民用傳感器、消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)的投入，一方面是在智能家居領(lǐng)域CO2/粉塵監(jiān)測等空氣凈化場景，拓展油煙機(jī)、掃地機(jī)器人、吸塵器等產(chǎn)品的滲透率;另一方面是在抓住新能源汽車發(fā)展的東風(fēng)，在車規(guī)MEMS傳感模塊發(fā)力。
從兩家公司的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)可以看出，這兩家成熟企業(yè)在氣體傳感器和儀表盤領(lǐng)域的毛利率接近50%，成本控制已相當(dāng)出色。同時(shí)如果從上游產(chǎn)業(yè)鏈延伸到下游做IoT方案，在智慧安全領(lǐng)域的毛利率較高(50.27%)，在智慧城市領(lǐng)域毛利率也較高(35%)，而在智慧環(huán)保行業(yè)應(yīng)用的毛利率較低，只有25.6%。
氣體傳感器遠(yuǎn)景與趨勢展望
傳感器行業(yè)正走上“技術(shù)自控，國產(chǎn)替代”道路，通過國產(chǎn)替代和核心零部件自研率提升，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件自主可控，降本增效提高毛利率，并從低端的技術(shù)和元件制造邁向中高端市場，以期實(shí)現(xiàn)完全的國產(chǎn)替代。
在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的今天，氣體傳感器也在朝著以下方向發(fā)展：
1、微型化：納米、薄膜厚膜技術(shù)和MEMS工藝，為氣體傳感器縮小體積與功耗提供了條件，應(yīng)用于低能耗場景與可穿戴設(shè)備。
2、多功能化，集成工藝符合傳感器，可測量濃度、流量、溫度、濕度、壓力等多種類型變量的復(fù)合型傳感器將逐漸替代單功能傳感器。
3、智能化：在傳感器內(nèi)置微型處理器，或?qū)⒍鄠€(gè)相同或不同類型的氣體傳感器組成傳感器陣列，算法升級(jí)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判斷和功能計(jì)算。
4、信息化：通過有線無線通信傳輸，實(shí)現(xiàn)傳感器之間的聯(lián)動(dòng)與數(shù)據(jù)交互，并要求具備傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)、自適應(yīng)強(qiáng)等通信特點(diǎn)。
5、單點(diǎn)發(fā)力向集約化發(fā)展：從傳統(tǒng)的傳感器元件、MEMS芯片向下游產(chǎn)業(yè)鏈輸出產(chǎn)品硬件和IoT方案發(fā)力。
6、智能儀表儀器也在走向微型化、多功能化、人工智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化發(fā)展。
從漢威科技的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，囊括了氣體傳感元件到IoT解決方案，再到四方光電聚焦材料、專注開拓下游硬件終端市場應(yīng)用，從幾大巨頭的年報(bào)里我們發(fā)現(xiàn)氣體傳感器的未來商機(jī)：
1、碳中和相關(guān)場景/智慧環(huán)保應(yīng)用
“雙碳”戰(zhàn)略的提出和執(zhí)行，意味著碳排放監(jiān)測業(yè)務(wù)在會(huì)迎來爆發(fā)式增長。去年下半年，各地的碳交易所已經(jīng)成立，并開始有大型企業(yè)進(jìn)行碳交易。同時(shí)，像煤炭、化工等重污染企業(yè)早已提前布局，積極對工廠進(jìn)行改造，添加各種氣體傳感器以記錄其碳數(shù)據(jù)。在未來，各種大型企業(yè)的帶動(dòng)下，國內(nèi)所有制造型企業(yè)都會(huì)面臨在工廠增加碳排放檢測裝置，而在線連續(xù)式氣體傳感器將是碳盤查環(huán)節(jié)中重要的一環(huán)。
2、智慧工業(yè)/智能家居檢測設(shè)備
隨著消費(fèi)升級(jí)和生活品質(zhì)的不斷提升，城市化衍生的環(huán)境問題日益受到重視?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測覆蓋室內(nèi)、車內(nèi)、室外等主要應(yīng)用場景，室內(nèi)空氣品質(zhì)檢測對象不僅限于粉塵、CO2，還拓展至甲醛、VOC、氨氣、氡等，產(chǎn)品功能也由單一檢測對象升級(jí)為可同時(shí)檢測多種氣體的集成化產(chǎn)品;氣體傳感器不僅可搭載空氣凈化器、新風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)等終端，還可應(yīng)用于吸塵器、掃地機(jī)、油煙機(jī)等家電品類。
隨著全屋智能的普及，未來氣體檢測器在智能家居中的應(yīng)用勢必會(huì)越來越多。同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)中也會(huì)需要進(jìn)行大量的有毒氣體的監(jiān)測，監(jiān)測的過程中離不開優(yōu)質(zhì)的氣體傳感器。
3、汽車電子消費(fèi)應(yīng)用
車用傳感器的種類非常多，而車用氣體傳感器是其中最重要的組成部分。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所用的傳感器中，氣體傳感器數(shù)量占比超過50%，大種類達(dá)到5-6個(gè)。保守估計(jì)，我國每年需要超過2億個(gè)氧傳感器、1000萬個(gè)氮氧傳感器、500萬個(gè)顆粒物傳感器。同樣，汽車安全監(jiān)控，尤其是新能源汽車電池安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也將成為未來電動(dòng)汽車普及衍生的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。在汽車智能化、自動(dòng)化的勢頭下，車用氣體傳感器正處于飛速發(fā)展的風(fēng)口。
新一輪“新基建”如火如荼，“雙碳”政策的環(huán)保畫卷啟幕、“智慧城市”的重點(diǎn)項(xiàng)目普及，讓傳感器從傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速涌向生活消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)，氣體傳感器的廣闊應(yīng)用空間和利好風(fēng)向市場，在與中短距離無線通信、云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，正在在各行業(yè)煥發(fā)新的春天。
參考資料：
漢威科技2021年度報(bào)告
四方光電2021年半年度報(bào)告
西南證券，氣體傳感器行業(yè)研究報(bào)告
華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)，2020年中國氣體傳感器行業(yè)技術(shù)及競爭格局
