资源描述
1证券研究报告行业报告|请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明机器人系列报告2024年6月21日传感器：汽车电子国产替代，机器人再添增长空间行业深度研究分析师 孙潇雅 SAC执业证书编号：S1110520080009作者：行业评级：上次评级：强于大市强于大市评级）(维持摘要2请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明一、传感器属性：市场大而散，其中最大下游在汽车电子，此领域多为海外垄断，国内企业突破中传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，一般包含敏感元件、转换元件和转换电路。传感器有多种分类方式，按照被测对象可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器，按照工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热电式、波式和辐射式等传感器。传感器产业链包括上游原材料（半导体、陶瓷、高分子、金属）、中游制造，下游应用，下游应用主要有工业自动化、汽车电子、医疗设备、智能家居等。传感器市场空间大但品类多（分下游分品种），海外占比较高（欧美合计占7成左右），汽车电子是最大的下游（占比3成+）。从全口径看，全球/国内传感器市场空间达千亿美元/千亿人民币。1）从下游看：汽车电子占比32%，消费类占比18%、工业类占比16%；2）从区域看：北美占比43%，其次是欧洲、日本，国内占比较低，故存在较大国产替代空间。3）从品种看：压力传感器占比最大，在汽车电子占比30%，在消费类占比14%。传感器行业竞争格局呈现整体分散，细分品类集中的特点，国内企业在中高端传感器市场与海外企业差距较大，主要体现在市占率和智能传感器的芯片自供能力。二、传感器赛道期权：是人形机器人重要零部件，在人形产业趋势下，加持传感器赛道成长空间人形机器人用传感器主要包括力、触觉、位置和视觉传感器。从供应链配套看，力传感和电子皮肤尚不明晰，视觉方面，奥比中光配套客户较多。三、传感器工艺壁垒，什么样的公司能脱颖而出？传感器品类和下游较多，不同类别有不同的工艺特性，我们从存量和增量市场空间大小出发，重点分析汽车领域用压力传感器（存量最大下游和占比最高品类）、力矩传感器和电子皮肤（人形机器人空间和弹性较大品类）。XVFUvMmRnOnMrPnOtOoRmN7N8QbRsQmMtRsOkPnNqOiNtRsO9PmMuMwMmQyRvPsOtR摘要3请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3.1 汽车压力传感器目前汽车压力传感器的难点在于：1）压力传感器为安全件，整车厂在选择供应商时相对谨慎，产品验证周期较长；2）压力传感器下游汽车电子被海外垄断，整车厂商使用的ECU、ESP等汽车电子系统主要由海外企业提供，国内汽车电子系统的落后。汽车用压力传感器细分为陶瓷电容、MEMS（玻璃微熔广义角度也属于此类）。陶瓷电容式压力传感器的生产壁垒主要体现在陶瓷芯片的制备和高质量封接：1）材料选择：主流使用氧化铝材料，氧化铝含量的提高可以提高机电性能但加工难度也增大；2）陶瓷片制备：需要干燥工艺解决表面和底层干燥不一致的问题；3）封接：印刷和烧结技术：电极导体后膜印刷技术，保证膜片和基座的微间隙距离精度。MEMS压力传感器工艺制造需要经过四个步骤：晶圆制造、薄膜沉积、表面微加工技术、封装和测试。3.2 力矩传感器应用于机器人市场的六/单维力矩传感器主流是电阻式应变片传感器，弹性体和应变片是核心零部件。电阻式应变片力传感器主要由敏感元件（即为弹性体）、外部封装、集成电路板和电阻应变片等部件组成。弹性体的结构决定所测量的力的维度和量程，应变片的选择包括金属和半导体材料。六维力传感器生产壁垒主要体现在：1）标的设备需自制：标定设备主要用于确定传感器的转换特性，确定传感器的输入-输出关系。六维联合加载设备是高精度六维力研发和生产的必要条件，但是目前六维联合加载设备没有标准产品可以直接采购，一般由传感器生产厂商自行研制；2）解耦算法需时间和经验积累（分为硬件解耦合软件解耦，BP 神经网络常见解耦算法）。目前多采用金属应变片+人工贴片，考虑降本，未来硅应变片+玻璃微熔工艺有望成为六维力大批量生产时的首选路线。目前六维力传感器依然以人工显微镜下的手动贴片为主，大批量市场下无规模效应使单位成本难以下降。1）硅应变片：优势在于灵敏度，大批量生产下单位成本下降空间大。2）玻璃微熔技术：将高温熔化的玻璃纤维作为黏合剂，可实现自动贴（用烘烤机把玻璃胶烘上去），适合大批量生产（设备耗电量大，大批量才有经济性）。微熔玻璃的热膨胀系数与硅应变片基本相似，因此在硅应变片的贴片方面具有良好的应用前景。摘要4请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3.3 电子皮肤压阻式传感器更适合人形机器人灵巧手需求，电容式适合身体关节的安全作业需求。柔性触觉传感器由敏感材料、电极材料、衬底材料构成。生产壁垒体现在敏感材料：1）材料选择：使用较多的是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯泡沫（PORON）；2）结构设计：常见有金字塔、微针式等结构；3）工艺制作：存在电子印刷术和MEMS工艺；4）标定：仍需要研究人员利用大量的实验和AI情景模拟。四、投资建议汽车传感器投资逻辑在于国产替代，目前国产化率较低，重点推荐【安培龙】、建议关注【华培动力】。此外，电子皮肤目前阶段更考验材料配比，建议关注【福莱新材】。风险提示：人形机器人发展不及预期、特斯拉人形机器人进展不及预期、力传感和电子皮肤国产化进展不及预期、测算有主观性。77Jr+T+73tNecygQwZVFFpDzSda0ryHb0G1WUCrSdD6aR4MwhbRH6IKf6H21XzYG 一、传感器存量市场空间大而散，海外企业市占率和盈利能力较高5请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明6资料来源：机器人传感器迟明路、天风证券研究所 传感器是指能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的器件或装置，一般包含敏感元件、转换元件和转换电路。敏感元件负责信号采集，是传感器中能直接感受（或响应）被测量的部分；转换元件则根据嵌入式软件算法，对敏感元件输入的电信号进行处理，以输出具有物理意义的测量信息；最后通过转换电路与其他装置进行通信。传感器是将物理或化学信号转换为电信号的设备，一般包括敏感元件、转换元件、转换电路7资料来源：传感器与检测技术（第2版）牛百齐等、天风证券研究所 传感器可以按照被测对象或工作原理进行分类：根据被测对象：可分为位移、力、力矩、转速、振动、加速度、温度、压力、流量、流速等传感器。根据工作原理：可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、热电式、波式和辐射式等传感器。传感器可以按照被测对象或工作原理分类 8资料来源：安培龙招股书、智研咨询、华经情报网、力淮传感官网、敏感材料及传感器发展探析刘超、高分子功能材料及在传感器中的应用卢崇考、天风证券研究所 传感器产业链主要包括上游的原材料、中游的传感器制造和下游的不同应用市场。上游原材料：主要包括半导体材料、陶瓷材料、高分子材料、金属材料等；中游：为各种类型的传感器，由各类传感器供应商组成，主要完成传感器产品的设计、组装和销售；下游：主要应用有工业自动化、汽车电子、医疗设备、智能家居、环境监测等领域。传感器产业链包括上游原材料（半导体、陶瓷、高分子）、中游制造，下游应用 9资料来源：安培龙招股书、华经情报网、中商情报网、赛迪顾问、天风证券研究所 根据华经情报网的数据，2022年全球传感器市场规模达1844亿美元，预计2023年全球传感器市场规模将达2032亿美元。从下游看：汽车电子占比32%，消费类占比18%、工业类占比16%。从区域看：北美占比43%，其次是欧洲、日本，国内占比较低，故存在较大国产替代空间。从品种看：传感器可以分为压力传感器、加速度传感器、温度传感器、流量传感器、湿度传感器、气体传感器等。根据赛迪顾问披露的2019年数据，压力传感器占比最大，在汽车电子占比30%，在消费类占比14%。传感器市场空间大但品类多（分下游分品种），汽车电子是最大的下游，占比3成多 2019 2019 2022 2022 10资料来源：MIR睿工业公众号、昌晖仪表官网、华经情报网、MordorIntelligence、森萨塔公司公告、安培龙招股书、中商产业研究院、亿渡数据、天风证券研究所 传感器不同细分领域有不同头部企业，呈现整体分散，细分品类集中的特点。全球头部企业具备产业链纵向一体化或跨行业解决方案能力，这些企业的传感器与软件配合方面优势明显，具有较强的盈利能力。例如森萨塔作为传感器制造商，提供基于传感器的解决方案，近五年毛利率超过30%，提供的电气保护产品组合（包括组件和系统）中除了传感器，还由各种开关、熔断器、电池管理系统、逆变器、储能系统、高压配电装置、控制器和软件组成。整体分散：千亿美元，全球市场每个公司的份额都不高，但是细分市场很高。例如压力传感器这个品类的主要市场参与者是博世、泰科电子、英飞凌；在位移传感器市场中基恩士的市场份额超过60%。传感器行业竞争格局呈现整体分散，细分品类集中的特点 头部企业压力传感 器 博世、泰 科电子、英飞 凌位移 传感 器 基恩 士、松下 电 器、欧 姆龙、巴鲁 夫、倍 加 福图像传感 器 索尼、三 星、韦 尔股份、意法 半导体、安森 美温度 传感 器 霍尼 韦尔、西 门 子、ABB、艾默生、德州 仪器MEMS 传感器 博世、博 通、威 讯联合、意法 半导体、德州 仪器、歌尔微汽车 传感 器 博世、森 萨塔、日本 电 装11资料来源：前瞻产业研究院、中商产业研究院、天风证券研究所 中国市场达千亿人民币，年均复合增速约为11%，市场空间大。根据中商产业研究院数据，2022年中国传感器市场规模近3097亿人民币，预计2024年中国传感器市场规模将达3733亿人民币，年均复合增速约为11%。我国国内供给能力不足，艾默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等国外企业在2020年占据超过60%的市场份额。分品类看，国内企业在中高端市场竞争力不足；分产业链看，国内企业芯片依赖进口。分品类：中高端传感器进口比例达80%；2020年我国传感器TOP5公司如歌尔股份、汉威科技等的份额占据了国内传感器企业所占份额的40%以上，其余60%为中小企业，产品主要集中在中低端，国内传感器公司的产品结构较为简单。分产业链：中国市场传感芯片进口比例达90%（芯片是传感器信号调节电路、微电子计算机存贮器及接口电路的集成），跨国公司在中国MEMS传感器市场占比高达60%。国内企业在中高端传感器市场与海外企业差距较大，主要体现在市占率和芯片自供能力 2020 2020 12资料来源：博世公司公告、博世公司官网、statista、天风证券研究所 博世始于1886年，是全球领先的汽车技术和服务供应商，主要分为四个业务领域：汽车与智能交通技术、工业技术、消费品、能源和建筑技术。博世利用其在传感器技术、软件和服务方面的专业知识，为全球客户提供整合式跨领域解决方案。博世是全球最大的汽车零部件供应商之一，以其一站式解决方案和专业研发技术在汽车传感器行业保持竞争优势。博世贴近应用场景提供传感器及其他零部件产品，为客户提供13类一站式跨领域应用方案，传感器产品主要体现在动力总成解决方案、电动汽车、跨域计算解决方案、和汽车电子。其中子公司Bosch Sensortec，为各种应用场景供应MEMS传感器。2022年博世在全球汽车传感器市场中以21%的份额排名第一。博世从1969年开始研发传感器，90年代开发了MEMS传感器，拥有MEMS传感器从芯片设计到传感器生产的全流程技术和系统集成能力。博世始终重视在技术研发方面的投入，2023年研发费用达到73亿欧元，研发费率8%，其中超过70%用于汽车业务部，投入研究电气化、自动驾驶技术、汽车电子、传感器等。博世：传感器技术储备深厚，半导体传感器市场龙头777.21714.94787.48882.01915.9629.0316.5728.15 34.7445.033.7%2.3%3.6%3.9%4.9%32%32%33%32%31%-5.0%0.0%5.0%10.0%15.0%20.0%25.0%30.0%35.0%020040060080010002019 2020 2021 2022 2023营收 EBIT EBIT Margin 毛利率 EBIT EBIT Margin%13资料来源：森萨塔公司公告、森萨塔公司官网、天风证券研究所 森萨塔是传感器、电气保护器、控制器设计及制造领域的全球领导者，具有明显的规模、研发技术和市场优势，在中国汽车压力传感器市场占重要地位。森萨塔由高性能传感器业务和传感器解决方案业务两个部门组成，产品广泛应用在汽车、暖通及空调设备、家用电器、航空设备和工业设备等领域。森萨塔2023年营收达40.54亿美元，约287亿人民币（高性能传感器业务营收占比74%），毛利率达31%，净利润为-0.39亿美元。净利润为负是因为公司重新评估商誉，Insights部分有约3.2亿美元的一次性商誉减值。森萨塔：23年收入体量接近300亿元，毛利率多年稳定在30%+%二、传感器在人形机器人市场空间弹性较大14请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明15资料来源：特斯拉官网、天风证券研究所 人形机器人由控制、感知、执行三大部分组成，感知部分挖掘空间大。执行部分核心是执行器（电机、丝杠，减速器等硬件）。我们认为感知层是特斯拉产品后续迭代的关键，二代视频初现端倪。23年12月，特斯拉发布第二代Optimus机器人的视频，配备特斯拉设计的执行器和传感器，2个自由度驱动颈部，行走速度提高30%，【脚部配备力矩传感】，减重10kg，平衡性提升（可深蹲），灵巧手性能大幅提升（处理鸡蛋）手指配备【触觉传感器】。传感器赛道为什么对人形重要？22 9 Optimus 23 12 Optimus/16资料来源：OFWeek机器人网、YoleDevelopment、天风证券研究所 感知的核心是传感器。传感器是人形机器人获取状态信息的必要手段，即将机器人自身的相关特性或相关物体的特性转化为机器人执行某项功能时所需要的信息。一般分为内传感器和外传感器两大类：内部传感器是完成机器人运动控制所必需的传感器，如位置传感器、速度传感器用于采集机器人内部信息，是构成机器人不可缺少的基本元件；外部传感器检测机器人所处环境、外部物体状态或机器人与外部物体的关系。力传感器：是指对机器人的关节、肢体等运动中所受力的感知，可以把力传感器分为测力传感器、力矩表等。触觉传感器：触觉是接触、冲击、压迫等机械刺激感觉的综合，触觉可以用来进行机器人抓取，利用触觉进一步感知。视觉传感器：是以光为媒介测量物体的位置、速度、形状等物理量所感知的信息，是非接触式测量。人形机器人用传感器主要包括力、触觉、位置和视觉传感器 17 人形机器人处于产业化初期，2022年全球市场空间达15亿美元，未来发展空间大，将扩大传感器市场空间。人形机器人还处于产业化初期，市场规模由产品技术进步速度、大规模商用进程、下游渗透率决定。人形机器人需要视觉、触觉、听觉、力传感等外部传感器以及位置、速度等内部传感器。人形机器人的发展带动传感器市场空间扩大18资料来源：奥比中光公司公告、天风证券研究所 人形机器人处于产业化初期，没有实现大规模商业化。视觉传感器方面，奥比中光全领域布局六类3D视觉感知技术，合作超百家机器人企业。奥比中光是行业领先的机器人视觉及AI视觉科技公司，3D视觉传感器是公司主要产品之一，为全球超过1000家客户与开发者提供“研发+制造”的一站式产品和服务，与微软、英伟达合作开发产品。公司已经与高仙、云迹、普渡、优必选等超百家多类型机器人企业达成合作，其中机器人视觉业务在中国服务机器人市场占有率超过 70%。力传感器和电子皮肤方面，尚未形成清晰的供应链体系。人形机器人本体厂商目前传感器供应链配套情况 3D 三、传感器工艺壁垒，什么样的公司能脱颖而出？传感器品类和下游较多，不同类别有不同的工艺特性。我们从存量和增量市场空间大小出发，重点分析汽车领域用压力传感器（存量最大下游和占比最高品类）和力矩传感器和电子皮肤（人形机器人空间和弹性较大品类）19请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明20请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3.1 汽车压力传感器21资料来源：安培龙公司公告、天风证券研究所 压力传感器是能感受压力信号，并能按照特定的标定公式，将压力信号转换成可用的电信号的器件或装置，广泛应用于汽车电子领域及各种工业自控产品中。从感测原理来区分，压力传感器主要包括五类技术路线：MEMS硅压阻技术、陶瓷压阻技术、陶瓷电容技术、MEMS硅微熔技术（即玻璃微熔技术）、溅射薄膜压阻式技术。不同技术路线的汽车压力传感器具有不同的产品特性，适用不同的应用场景，常见的有：1）陶瓷电容式压力传感器可用于汽车空调系统、发动机系统、变速箱系统、商用车刹车系统，新能源汽车热泵以及商用空调等领域。2）MEMS 硅压阻压力传感器主要用于汽车发动机系统、刹车系统、尾气处理系统等气压测量场景。3）MEMS 硅微熔压力传感器主要用于汽车 ABS 刹车系统、ESP 车辆稳定系统及发动机高压共轨系统、汽油机直喷系统。汽车压力传感器：主要品类是陶瓷电容、MEMS（玻璃微熔广义角度也属于此类）22资料来源：陶瓷电容式压力传感器优化设计与试验研究李鑫标、陶瓷电容式压力传感器的制备工艺、有限元模拟及封装检测陆浩杰、陶瓷电容式压力传感器芯片玻璃封接与电极制备工艺研究刘炘城、安培龙招股书、天风证券研究所 陶瓷电容式压力传感器以其成本低、使用寿命长、测量重复性强等众多优势，在 MEMS 压力传感器快速发展的今天仍然牢牢占据着市场的大量份额，市场地位难以动摇。与国外相比，我国在电容式压力传感器领域的研究和发展较为缓慢，仍处于研究开发阶段，核心部件主要依赖进口。陶瓷电容式压力传感器是采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成，其是由陶瓷电容、线路板（FPC）、ASIC 调理芯片、接插件、外壳以及密封圈等材料构成。陶瓷电容式压力传感器的工作原理为电容变间隙式原理。传感器由薄、厚两层陶瓷片构成，陶瓷基底与膜片之间利用有机玻璃浆料经过烧结封接为整体，内部留有空间构成电容腔，当膜片受到外界压力作用时，膜片发生位移，电容腔间距变小，电容随之变大，信号通过处理和转换后输出。陶瓷电容式压力传感器：工作原理为电容变间隙式原理 23资料来源：陶瓷电容式压力传感器芯片玻璃封接与电极制备工艺研究刘炘城、安培龙招股书、天风证券研究所 在制备工艺方面，主要包括敏感结构（俗称芯片）的制备工艺和外壳封装工艺，主要工艺壁垒在于陶瓷芯片的制备和高质量封接。陶瓷基片及陶瓷弹片的制备：陶瓷片的材料选用：常用的材料包括氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅、氮化硼、氧化铍等，其中氧化铝材料应用最广泛。在陶瓷片制备过程，容易存在表面和底层干燥不一致的问题，在进一步烧结时发生翘曲。需要干燥工艺（例如采用水热直接接触加热膜带），使温度均匀，提高流延膜带的密度均匀性。封接工艺主要步骤包括：1）将金属氧化物制备成粉末，并进一步制成封装浆料；2）通过印刷工艺将封装浆料印刷至特定位置；3）通过低温烧结，去除浆料中的有机载体，并使浆料粘接组份熔融混合，完成对器件的粘接。印刷：电极导体后膜印刷技术，采用特殊沉降工艺，筛选出直径高度一致的颗粒物，保证膜片和基座的微间隙距离精度。烧结：密封烧结工艺曲线可以有效保证陶瓷电容芯体的气密性。陶瓷电容式压力传感器：核心技术是陶瓷芯片的制备和高质量封接 陶瓷材料 特点氧化铝价格低廉、来源丰富、热稳定性好、耐腐蚀、抗磨损、抗冲击振动、绝缘性好，是一种性价比较高的陶瓷材料，应用非常广泛；氧化铝材料随着氧化铝的含量增高，材料机电性能和热性能更优异，但是制造加工的难度增大，价格也有所提升氮化铝 综合性能十分优良，但是价格高昂、加工难度大，不利于批量生产碳化硅 脆性较大，过高介电常数限制了其在高频领域的应用氮化硅料抗弯曲强度高（达到980 MPa），耐磨性好，综合机械性能最好，但其热导率较低、制备工艺复杂且制造成本较高氮化硼 抗弯强度较低，无突出优点且价格昂贵，目前仍处于开发研究阶段氧化铍 粉末有毒，对人体会造成伤害，并且会对环境造成一定污染24资料来源：芯动联科招股书、富力天晟、安培龙招股书、天风证券研究所 MEMS传感器的工艺制造需要经过四个步骤：晶圆制造、薄膜沉积、表面微加工技术、封装和测试。1）晶圆制造，是MEMS制造过程的基础。晶圆用于绘制传感器的结构。2）薄膜沉积。薄膜可以作为传感器的敏感部分。薄膜沉积可以采用化学气相沉积（PCD）或者物理气相沉积（PVD）技术在晶圆上形成所需的薄膜层。3）表面微加工技术，包括扩孔和表面反应等操作。通过使用微加工技术，可以使传感器的敏感元件尽可能地接近工作环境，更加准确地测量物理量。4）封装和测试，将制造好的传感器封装成为一个整体，并进行测试。从材料上MEMS 封装主要有金属封装、陶瓷封装和塑料封装三种形式。汽车上采用的传感器中大约1/3传感器采用的是MEMS传感器，并且汽车越高级，采用的MEMS传感器越多。目前国内汽车压力传感器主要被美国森萨塔、博世等国际企业所占据，中国压力传感器仍处于技术追赶阶段，应用难点在于：1）作为安全件，压力传感器的稳定性和性能至关重要，整车制造企业在选择供应商时相对谨慎，对产品的验证周期较长；2）压力传感器与车身相应电子控制系统的配合度亟待验证，全球主流的整车厂商使用的ECU、ESP 等汽车电子系统主要由国外汽车零部件供应商提供，这些零部件供应商在压力传感器与软件配合度方面优势明显，可提供配套化服务。MEMS压力传感器主要工艺包括：晶圆制造、薄膜沉积、表面微加工技术、封装和测试 MEMS MEMS 3.2 力矩传感器25请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明26资料来源：机器人多维力传感器梁桥康等、灵巧手指尖六维力传感器的设计韩明、传感器专家网、中国科学馆合肥物质科学研究院、天风证券研究所 六维力/力矩传感器能够在笛卡尔坐标系中同时检测三维空间的力/力矩信息，即实现空间三维力（Fx，Fy，Fz）和三维力矩（Mx，My，Mz）的获取。按照测量原理，六维力传感器可分为电磁式、光电式、电感式、电阻应变式、压电式、电容式。电阻应变式六维力传感器主要由敏感元件、外部封装、集成电路板和电阻应变片等部件组成。对于力传感器，敏感元件即为弹性体，当外力作用于传感器时，弹性体会发生微小变形，附着在其上的电阻应变片也会随之产生应变，导致电阻值发生变化。对于电阻应变片式六维力传感器，基本的设计原则是传感器具有足够的内部空间粘贴应变片，实现弹性体的小型化结构设计。六维力传感器：电阻应变片式为主流，保证精度和灵敏度是关键 27资料来源：Aria、苏州源隆钛精密科技官网、一种全平面式六维力传感器的研制及其静态特性研究 高梓航、灵巧手指尖六维力传感器的设计韩明、天风证券研究所 弹性体的结构有竖梁式、十字交叉式、圆柱式等，目前应用最为广泛的结构为十字交叉型。弹性体的结构设计的优劣将直接影响传感器的静态特性。十字交叉型具有结构紧凑，精度高和抗过载能力强的特点，可以有效降低维间耦合度，且相关的技术标准较为成熟。弹性体常见材质包括钢质、铝质、钛合金，硬铝合金适合复杂加工。弹性体材质会影响传感器的刚度、重量、耐用性和成本。六维力传感器在保证精度和灵敏度的同时，应具有较高的刚度强度，同时还应具有质量较小、易加工、便于贴片等良好的特性。硬铝合金刚度大、耐腐蚀、耐高温、密度低，非常适合加工复杂的元件。弹性体的工艺难点在于，受制于检测方法是基于力敏元件在受载荷作用下产生相应的应变或变形的原理，传感器的量程和灵敏度难以同时提升，且加工应力会影响传感器的测试性能指标。目前常用的检测方法是有限元仿真分析，对弹性体进行初步的结构设计后，需利用数值法确定弹性体的具体尺寸，利用有限元分析软件对弹性体多次反复地施加和卸载力/力矩，分析弹性体关键位置的形变、应力和应变，对弹性体的尺寸进行多次修改，并最终确定应变片的最佳粘贴位置。六维力传感器：弹性体的结构决定所测量的力的维度和量程 弹性体材料 特点不锈钢良好的耐腐蚀性、抗疲劳性和耐磨蚀性铝合金 密度低、重量轻钛合金耐腐蚀性能远优于不锈钢，但价格非常昂贵28资料来源：传感器专家网、柯力传感招股书、坤维科技公司材料、天风证券研究所 应变式传感器工艺流程主要包括弹性体的加工、应变片的粘贴、惠斯通电桥的搭建（组桥走线）、测试。其中，弹性体在加工中会产出各种加工应力，其加工应力的积蓄与大小会影响到传感器的测试性能指标。在贴片、组桥、调试、封胶这几个环节上需要控制环境温度、湿度、洁净度和流程节拍。故必须从多个指标（非线性、重复误差、滞后误差、蠕变、灵敏度、零点等）标定和检测传感器的精度和准度。标定设备主要用于确定传感器的转换特性，确定传感器的输入-输出关系。六维联合加载设备是高精度六维力研发和生产的必要条件，但是目前六维联合加载设备没有标准产品可以直接采购，一般由六维力传感器生产厂商自行研制。一维加载设备的成本低，但标定出来的传感器准度性能较差，串扰较大。六轴联合标校技术可实现正交三方向力和三方向力矩的联合加载，保证产品的精度和准度。六维联合加载设备的研发涉及：空间光学定位，载荷位移补偿，机电一体化等多项综合技术，依赖工程经验。坤维科技自行研发出了六维联合加载设备，使六维力传感器的准度优于0.5%FS，实现高准度、少串扰。六维力传感器：无通用标定设备，需要六维力传感器生产厂商自行研制 29资料来源：多维力传感器的静动态性能研究付立悦、灵巧手指尖六维力传感器的设计韩明、天风证券研究所 多维力传感器在进行力检测时容易在不同维度间产生耦合。六维力传感器的维间干扰可分为结构干扰和误差干扰，主要因素包括传感器的结构设计、弹性体和应变片的加工误差、应变片粘贴位置及机械装备误差等。维间耦合的机理复杂，建模困难，是降低力传感器测量精度和灵敏度的主要因素。消除维间耦合是六维力传感器需要解决的关键问题，解耦算法可以分为硬件解耦和软件解耦，需要时间积累。1）硬件解耦是从传感器弹性体的结构设计上进行解耦，浮动梁结构和滑移结构是典型的机械解耦形式。2）软件解耦是通过软件算法实现解耦，基于最小二乘法计算标定矩阵的广义逆是应用最广泛的解耦算法。由于不同通道的输入、输出数据之间并不总是线性关系，人工神经网络被广泛应用于多维力传感器的静态解耦中，其中BP 神经网络是用于解耦算法的最常见的神经网络之一，但是 BP 神经网络存在易陷入局部极小值、网络泛化能力弱和对初始权值敏感等缺点。六维力传感器：维间耦合是影响传统力觉感知系统精度提高的主要因素 BP 30资料来源：六维力传感器的优化设计甘俊等、多维力传感器研究现状及其小型化存在的问题与对策汤建华等、一种全平面式六维力传感器的研制及其静态特性研究 高梓航、灵巧手指尖六维力传感器的设计韩明、基于人机交互的六维力/力矩传感器的设计及其静态特性的研究熊胜、锐拓、天风证券研究所 结构上，电阻应变片包括敏感栅、基底、覆盖层、和导线，各部分用粘合剂实现可靠粘连。半导体应变片（多为硅材料）灵敏度和响应度优势大。1）敏感栅是核心部件，可以感知微小的应变变化，并将应变转化为电阻值的改变；根据敏感栅材质，应变片分为金属应变片和半导体应变片；根据敏感格栅的形状，金属应变片分为丝式应变片、箔式应变片和薄膜式应变片。2）基底主要的材料是树脂，其厚度在 0.02mm0.05mm 之内，一方面能保护内部敏感元件，另一方面可以传导被测单元的应变。3）覆盖层起到保护敏感格栅的作用。4）敏感格栅的引出部分为导线，可以将应变片接入测量电路。应变片的主要性能指标包括热输出、机械滞后、灵敏度系数、蠕变等，在连接应变片和弹性体时需要注意消除应力对电阻应变值的影响。应变片需要粘贴在弹性体上，一维力传感器等基本可以实现自动化贴片，但是目前六维力传感器等多维传感器依然以人工显微镜下的手动贴片为主，小规模市场下此种工艺路线满足需求，但大批量的市场下无规模效应导致单位成本难以下降。国内传感器企业在应变片制作技术、电子元器件的可靠性以及电镀外观等方面均与国外有一定差距。六维力传感器：目前多采用金属应变片，需依赖人工贴片 特点 用途康铜合金灵敏度高，对温度的变化不不敏感且在弹性形变范围内拥有较好的延展性，故应用最为广泛，但在高温条件下，康铜合金温度漂移现象比较严重多用于测量动态应变镍锰合金抗疲劳，具有极好的稳定性，能长时间工作，也可应用于温度变化较大的工况适合于静态工况下的应变测量半导体材料 硅、锗等优势在于灵敏度和响应度，灵敏度是金属材料的几十倍，大批量生产下硅应变片单位成本下降空间大可用于检测微应变并制成具有高灵敏度系数的力传感器金属材料敏感格栅材质31资料来源：基于玻璃微熔技术的高压传感器开发毛亮亮等、多维力传感器研究现状及其小型化存在的问题与对策汤建华等、天风证券研究所 贴片工艺方面，目前最常见的传感器贴片材料是有机粘接剂，但热稳定性差，降低传感器性能。传统的力传感器在贴片时一般采用有机粘接剂，例如硅胶、环氧等，把金属或半导体应变片较可靠地粘接在各种基材的弹性体上。但是随着力传感器弹性元件的小型化，有机粘接剂自身的厚度对传感器性能的影响越来越显著，而且有机胶粘贴工艺的热稳定性差、胶体承受的温度范围小，随着工作温度的升高，粘接剂会出现粘塑性行为，增大传感器迟滞误差和输出信号的不稳定。玻璃微熔技术是指将高温熔化的玻璃纤维作为黏合剂，将不锈钢的外壳加工件与测量介质结合的一种技术，提供可靠性密封连接，使得产品具备卓越的耐热性及耐候性。玻璃纤维在 250 时，仍可保持较好的黏合度和稳定性，使应变片和金属底座有较强的粘接强度。玻璃微熔工艺可实现自动贴（用烘烤机把玻璃胶烘上去），适合大批量的生产（设备耗电量大，大批量才有经济性）。微熔玻璃的热膨胀系数与硅应变片基本相似，并可以与适合批量化生产的厚膜封装技术结合，因此在硅应变片的贴片方面具有良好的应用前景。六维力传感器：硅应变片+玻璃微熔工艺有望成为六维力大批量生产时的首选路线 3.3 电子皮肤32请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明33资料来源：柔性阵列触觉传感器的设计与应用陈蕊、面向机器人灵巧手的多功能人机交互传感系统孟星佑、天风证券研究所 敏感材料：可以用作压阻式触觉传感器敏感层的材料分为两类，1）纳米复合型高分子导电材料：如导电橡胶、PDMS、碳纳米管等；2）半导体材料：其基片可直接用做敏感材料，一般通过组成惠斯顿电桥来检测。电极材料：一般要求具有良好的导电性、柔韧性和透明度，包括铜薄膜、锡氧化铟（ITO）导电薄膜、铝掺杂的氧化锌（AZO）透明导电玻璃等。其中铜薄膜因其具有良好的导电性和延展性，在电子元器件中应用最为广泛。通过烤板、钻孔、沉铜、镀铜等工艺，将设定大小和厚度的铜镀在衬底表面，形成电极。衬底材料：要将电极材料沉与衬底材料上，衬底必须具有一定的刚度和硬度；同时由于现代触觉传感器在不平整、不规则表面的使用，衬底又必须具有一定的柔性。现在最常用的衬底材料包括聚酰亚胺（PI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚碳酸酯（PC）等。从结构看，柔性触觉传感器由敏感材料、电极材料、衬底材料构成34资料来源：帕西尼感知科技公众号、柔性阵列触觉传感器的设计与应用陈蕊、天风证券研究所 材料：使用较多的是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯泡沫（PORON）等。不同材料制作的传感器的在回滞误差、线性度、重复性方面有很大区别。结构设计：有研究出金字塔、微针式等结构，这些结构可以增强介电层的回弹性，有利于增强触觉传感器的灵敏度、重复性和稳定性。工艺制作：1）传统工艺-电子印刷术：在柔性衬底上印刷导电电极和敏感材料。电子印刷技术包括丝网印刷、喷墨印刷和其他电子印刷技术。还有部分学者采用3D打印的方式。2）现代新工艺-MEMS工艺：利用微加工技术，已可以在1cm 大小的硅片上制作含有几千个压力传感器组成的阵列。集成化应变计式面阵列触觉传感器就是在8mm8mm的硅片上制作出来的，它包含1024个（3232）敏感触点（桥），硅片四周还制作了信号处理电路，其元件总数约16000个。标定：阵列式触觉传感器，一次测量往往会涉及三维力，如果是集成式触觉传感器，单体触觉感知单元信号相互之间也会产生干扰。所以，触觉传感器的标定机制远复杂于其他类型传感器。从触觉传感器的标定方法来看，传统的标定方法是利用数学模型来计算物理量，但是对于高精度、干扰性强和变量较多的的物理量标定场景，数学模型会异常复杂，但精度却不一定保证。因此，研究人员现在会利用图形处理系统和AI来完成传感器的纠偏和标定。利用大量的实验和AI情景模拟，能够形成触觉传感器的标定数据库，实际测量中，AI直接从数据库调用参数，来完成触觉传感器的标定。柔性触觉传感器生产壁垒体现在敏感材料选择和配比、结构设计、工艺制作上、标定上四、投资建议35请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明36资料来源：安培龙公司公告、天风证券研究所 公司三大类产品线是热敏电阻及温度传感器、压力传感器、氧传感器。热敏电阻及温度传感器包括PTC 热敏电阻器、NTC 热敏电阻器及温度传感器。压力传感器主要包括陶瓷电容式压力传感器、MEMS 压力传感器、玻璃微熔压力传感器。氧传感器包括氧传感器芯体以及氧传感器、氮氧传感器。目前主要应用于汽车、家电、光伏、储能、充电桩、物联网、工业控制、医疗等领域。公司在传感器市场的竞争优势在于：1）产品延拓能力，以技术创新驱动：公司从热敏电阻起家，通过自研+团队搭建延展至温度、氧、压力传感器，经过多年的陶瓷工艺技术积累，公司拥有从陶瓷材料研发到热敏电阻及传感器生产制造的完整产业链,在材料配方、陶瓷基体制备、成型、烧结、印刷、封装、MEMS 芯片等方面均拥有自主研发能力和核心技术。公司现已组建了专门的力传感器研发团队，研发汽车EMB刹车力传感器以及多维力传感器。玻璃微熔压力传感器是公司目前重要的在研新品，性能指标接近海外同行。2）客户开拓能力：公司与国内外知名品牌及其供应链企业建立了稳定的合作关系。公司合作的主要客户包括：美的集团、格力电器、比亚迪、上汽集团、法雷奥、麦格纳、华为等。随着公司产品从热敏电阻到温度传感器到压力传感器，客户从以家电企业为主转为比亚迪等汽车客户为主。安培龙：产品延拓能力是基础，车厂客户有望贡献收入增量 19-23/%PTC热敏电阻器NTC热敏电阻器温度传感器陶瓷电容式压力传感器MEMS压力传感器玻璃微熔压力传感器氧传感器热敏电阻及温度传感器压力传感器37资料来源：华培动力公司公告、天风证券研究所 公司业务分为动力总成业务及传感器业务，形成国内商用车传感器供应商第一梯队的领先能力。动力总成业务涵盖的主要产品为汽车发动机涡轮增压系统的核心零部件，包括放气阀组件、涡轮壳和中间壳及其他零部件等，下游有燃油乘用车、混动车、商用车。传感器业务是以控股子公司盛迈克、盛邦、盛美芯为业务基础，主要产品涵盖全压力量程范围的压力传感器、速度位置传感器、温度传感器、尿素品质传感器等多品类传感器及部分核心芯片，主要服务于国内商用车前装市场，客户涵盖一汽解放、中国重汽等商用车及工程机械整机厂，潍柴动力、康明斯、博世等国内外主流发动机厂商。公司在传感器市场的竞争优势在于：1）多品类传感器供应能力：通过有效整合盛迈克、盛邦及盛美芯三家公司，公司拥有全压力量程传感器技术，逐步增加单车价值供应量，增强客户粘性。2）全球客户关系网络：公司的动力总成业务已与博格华纳、盖瑞特等全球知名涡轮增压器整机制造商形成了长期稳健的合作关系，并对奔驰、宝马等整车厂形成供应，为传感器业务的全球化提供了客户基础，降低市场开发成本。3）芯片能力：公司具备部分核心车规级芯片的自主设计、封装测试的能力，可以为MEMS 压力传感器、速度位置传感器等提供核心敏感芯片。公司是国内陶瓷压力传感器的主流厂商，具备“敏感元件变送模块变送器”全工艺链优势。华培动力：多品类传感器供应能力，建立全球乘用车销售网络 19-23/%38资料来源：福莱新材公司公告、天风证券研究所 公司为国内广告喷墨打印材料的龙头企业，是国内喷墨打印复合材料行业首家实现基膜、胶水、涂布一体化的企业，主营业务是功能性涂布复
展开阅读全文