人形机器人：3大核心传感器技术壁垒及市场规模分析（1.3万字）

传感器为人形机器人感知层核心零部件，人形机器人对传感器需求较大，成本占比较高，本文将对六维力矩传感器、电子皮肤、MEMS传感器这几类传感器进行市场分析：

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传感器：全球市场空间分析

1.1. 传感器分类众多，压力传感器占比较大 传感器是自动化检测技术和智能控制系统的重要部件。传感器是能够把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。广义上的传感器一般由信号检出器件与信号处理器件两部分组成，从而转化感知到的模拟信号并使之以电信号的形式显示。传感器一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成。敏感元件感受被测量的状态，转换元件将相应的被测量转换成电参量，而基本电路将电参量接入电路并转换成电量。传感器的核心部分是转换元件，其决定了传感器的工作原理。 传感器分类较多，压力传感器占比最大。传感器可按检测对象分为物理 量、化学量以及生物量传感器，下含力学量传感器、热学量传感器、光学量传感器、温度传感器、生物量传感器等共 11 个小类。检测对象的信号形式决定了选用传感器的类型，在机械自动化与工业过程控制中，常见的信号形式包括位移、（加）速度、扭矩、力、振动、温度、湿度等。目前我国压力传感器和图像传感器占比稳步提升，2021 年分别占比 17.9% 和 10.3%，是目前国内占比最高的两种传感器。   1.2. 传感器下游应用广泛，市场空间广阔 传感器产品下游应用广泛，人形机器人对传感器依赖程度高。据 CCID 数据，我国传感器产品最大下游领域为汽车电子，占比达到 24.2%，其次为工业制造领域，占比为 21.1%，位列三到五名的下游行业为网络通信、消费电子和医疗电子，占比分别为 21.0%、14.7%、7.2%。为模拟人类感知，人形机器人需要装载一套复杂的传感器系统，包含内部传感器和外部传感器。一台能完全模拟人类的机器人身体上会用到大量传感器， 用于提供视觉、听觉、触觉、位置等信息。   全球传感器市场空间较为广阔。随着工业 4.0、工业物联网进程的推进以 及智慧驾驶、智能穿戴设备等新兴产业的发展，传感器市场持续扩容。据 Precedence Research 数据，2022 年全球传感器市场规模达 2048.0 亿 美元，且随着工业自动化等领域的需求不断增长，未来十年内传感器市 场将延续增长态势，2032 年或将达到 5086.4 亿美元。   我国传感器市场规模不断扩大，未来有望延续较高增速。随着工业转型升级的历程不断推进，我国传感器市场规模近年来实现显著增长。据中商产业研究院数据，传感器市场规模行业已由 2019 年的 2188.8 亿元上 涨至 2022 年的 3096.9 亿元，期间 CAGR 为 12.26%，预计 2024 年可达 到 3732.7 亿元。据 Mordor Intelligence 数据，在汽车工业、国防工业等行业发展推动及“中国制造 2025”政策目标激励下，我国传感器市场规模有望实现高速增长，2023-2028 年间的 CAGR 预计将达 9.1%。   我国传感器高端市场仍被外资品牌主导，但国产化率有明显提升趋势。2020 年全球龙头企业如爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等跨国公司占据绝大部分国内市场份额，高端市场传感器芯片仍依赖海外企业，而国内头部企业产品主要集中在中低端，未形成大批量应用。从国产化率来看，国内智能传感器国产化率由2016年的13%增长至2020 年的 31%，CAGR 达 24%，预计未来国产化率有望进一步提升。   1.3. 政策东风频吹，助力市场扩容 我国传感器行业政策支持力度持续加大。传感器作为工业控制系统、汽车电子等产品的核心关键部件之一，是实现工业转型升级的重要组成部分，在物联网、人工智能等各方面都有广泛应用。近年来国家相继推出 一系列产业支持政策，有力推动了传感器行业的发展。

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力传感器

2.1. 力/力矩传感器可精确测量力的大小 力传感器是将力的值转换成电信号的元件。重量、拉力、应力、扭矩均 能够作为力传感器的输入量，经处理后输出为电信号，并将其传递至指 示器、控制器或计算机等终端。与广义传感器类似，力传感器由力敏元 件（即弹性体，常见的材料有铝合金，合金钢和不锈钢）、转换元件（最 为常见的是电阻应变片）和电路部分（一般有漆包线，pcb 板等）组成， 其中力敏电阻器是广泛运用的力敏元件。力敏电阻器通常包含导电聚合 物薄膜（由亚微米尺寸的导电及非导电颗粒基质组成），其表面受力时 接触传感器电极，并以可预测的方式改变本身电阻，从而衡量受力数值。   力矩传感器属于力传感器，力矩传感器使用应变计测量物体所受到的力矩。力矩是表示力对物体作用时所产生的转动效应的物理量，是传感器常见的力学输入量。按照是否涉及加速度，力矩又可分为静态力矩（不涉及加速度）和动态力矩（涉及加速度），静态力矩通常为未产生旋转的力矩，而动态力矩通常为产生旋转的力矩。两种典型的力矩传感器设计是测量轴和测量法兰，均呈现轴体结构。力矩传感器通常装载有应变 片，其由薄箔和连接到箔的电导体组成。当箔片以及导体形状发生变化时，电阻也会发生变化，从而揭示作用在应变片上的负载。如果外部负载作用于传感器，应变计会像弹簧元件一样产生形变，进而实现测量功能。   根据压力原件的不同，可以将力传感器可分为应变式力传感器、光学式传感器以及压电式力传感器等，其中压电式转换元件多应用在非六维力传感器中。 1）应变式力传感器：采用的是硅应变片或金属箔，压电式传感器可分为电容和压电两种，其原理都是转换元件应变片随力敏元件同时发生形变， 导致自身电阻值、电压差、光栅变化，通过电信号反应力和力矩的改变。硅应变片能够保持高刚度、稳定性和信噪比，具有最优的性能水平，缺点则是成本较高、制作工艺复杂；

2）光学式元件：测量范围较广、抗电磁干扰能力强，但缺点是刚性偏弱， 并且对环境的要求较高； 3）压电/电容式元件：拥有高灵敏度和高分辨率，并且环境适用性较强， 但缺点是电路复杂，信号漂移难以抑制。   2.2. 六维力矩传感器为力控最优方案，技术壁垒高筑 按测量方向分类，六维力矩传感器是其中性能最优、力觉信息最全面的力矩传感器。在指定的直角坐标系内，六维力矩传感器能够同时测量沿三个坐标轴方向的力（F、FY、FZ）和绕三个坐标轴方向的力矩（MX、 MY、MZ）。六轴力传感器一般分成固定端（机器人端）和加载端（工具端）。两端相对受力时，传感器发生弹性变形，传感器内部的应变计 电阻发生变化，进而转换成电压信号输出。   在精确测量的要求下，六维力矩传感器是最佳选择。若如果力的方向和 作用点固定，则可选用一维力传感器；若力的方向随机变化，但作用点 保持不变且与传感器的标定参考点重合，则可选用三维力传感器；若力 的方向和作用点都在三维空间内随机变化，则应选用六维力传感器进行 测量。高精度的六维力矩传感器能够解耦各方向力和力矩间的干扰，使 力的测量更为精准，并能利用力矩信息来推算获取受力部件的姿态，监 测力矩是否在安全范围内，有效避免传感器的过载损坏。   力传感器应用广泛，人形机器人配置较多。力传感器广泛应用于工业、 航空航天、汽车、医疗设备等领域。在机器人领域，力传感器可用于实时测量机器人关节所受到的力，并实现主动力输出控制，在高复杂度工作、协调作业等场景扮演重要角色。机器人中的力传感器主要有关节部位的单轴力矩传感器和机器人执行器末端的六轴力传感器，测量机器人内部受力情况，以及末端执行器与外界环境交互的受力情况。六维力矩传感器具有多元的工业应用场景，主要包含打磨、精密装配、医疗、特种作业、测试等涉及接触操作、需要多维力感知的场景，其中机器人领域的应用较多，是六维力/力矩传感器的核心应用领域。   机器人运动的高精度控制对六维力矩传感器带来需求。协同机器人末端关节上的六维力传感器通常还需要与研磨头、夹爪等执行器相连，执行器工作过程中的力臂从数十毫米到三百毫米不等，力臂较大且随机变化， 所以通常采用六维力传感器实现高精度控制。在人形机器人中，通常将力/力矩传感器安装在脚掌与踝关节之间和机械手与腕关节之间，以提供更加全面的力觉感知。   多维力传感器小型化是未来重要发展趋势。为兼顾多维力传感器的小型化和高性能，目前能够采取的主要途径是选用小尺寸（或体积）的敏感 元件，从而缩小传感器结构尺寸。基于压阻效应的敏感元件（如硅应变 计等）多采用半导体材料和加工工艺，在体积、性能和成本等方面具有 显著优势，已成为实现多维力传感器小型化的重要技术途径之一。将半导体硅应变计应用于实现多维力传感器的小型化涉及特定技术问题：硅应变计设计与其贴片工艺需满足多维力传感器的设计使用要求。 目前主流商业化压力传感器多采用（集成式）硅应变计。国内传统硅应变计的制造工艺一般是在 P 型硅片衬底上采用扩散法或离子注入法掺杂 N 型杂质形成压敏电阻，并通过光刻、腐蚀、引线键合等工艺形成应变计，但易造成应变计批次间较大的阻值差异。多维力传感器采用的应变计较多，对一致性有的更高需求，较差的一致性则会导致不同桥路（分量力）的零点输出差异较大，不利于其后续的温度及解耦信号处理与补偿，并阻碍传感器的批量生产。对于贴片工艺，传统力传感器通常使用 有机粘接剂（硅胶、环氧等）将金属（或半导体）应变计粘接在传感器弹性元件上，是目前最常见的传感器贴片材料。 六维力矩传感器技术壁垒极高，涵盖多个方面。六维力传感器除了形态多，研发难度也较大，其非线性力学特征明显，要考虑多通道信号的温漂、蠕变、交叉干扰、数据处理的实时性、加载标定的复杂性等，技术壁垒主要在结构解耦设计、解耦算法、标定与校准等方面。   结构解耦设计为重要壁垒。力敏感元件的形式和布置直接影响传感器的灵敏度、刚度、动态性能、维间耦合等，很大程度上决定传感器性能的优劣。常见的结构设计包括竖梁、横梁等一体化结构以及 Stewart 并联平台。竖梁结构横向效应好、结构简单、承载能力强，但竖向效应差、维间干扰大、灵敏度较低；十字横梁结构灵敏度高、易加工，易于标定，但存在维间耦合和径向效应；Stewart 平台中弹性体采用复合式结构，该 类传感器具有结构紧凑、承载能力强、误差不累积等优点。贴片位置调整和电桥组桥设计进一步消除耦合。特殊的结构设计能够大大地降低力敏元件的耦合变形，但其结构上的连续性导致结构耦合变形没有办法完全避免，因此还需要通过贴片和组桥来进一步消除耦合贴片。   解耦算法，会解耦各方向力和力矩间的干扰，使力的测量更为精准。六分力传感器中六个通道中的每一个通道中的输入信号都会对其他通道 的输出信号造成影响，解耦就是要在一定程度上减小或消除耦合干扰。一般消除耦合或者抑制耦合可以从两个方向来做，第一种是在生产传感器之前进行的工作，一般叫做结构解耦，即从传感器的设计上来消除或 者抑制耦合；第二种则是利用系统性的数学模型，要矩阵解耦，运用数 字信号处理的方法来减少或者消除传感器的维间耦合该方法对制作工 艺要求比较低，比较容易达到，且还能取得很好的效果。 标定与检测可校准传感器精度。通过加载理论值的载荷并同时记录传感器输出的对应原始信号的方式，建立传感器原始信号和受力之间的映射关系，获得解耦算法的数学模型和参数。在完成标定以后，通过加载已知理论真值的载荷并同时记录传感器测量结果的方式进行检测，统计、 比较测量结果和理论真值的差异，获得传感器的精度和准。简单说，标 定是获得传感器固件参数，检测是获得传感器的精准度。

2.3. 六维力矩传感器市场规模高速增长，国产厂商持续发力 力传感器市场空间较大，六维力传感器市场规模有望高速增长。根据贝哲斯咨询数据，2022 年全球力和力矩传感器市场规模为 572.4 亿元，预计2028年将达到804.83亿元人民币，2022-2028年CAGR预计为5.84%。其中六维力矩传感器市场规模有望高速增长，2022 年中国人形机器人市场对六维力矩传感器需求量为 8360 套，市场规模约为 1.56 亿元，随着人形机器人加速发展，六维力矩传感器市场规模有望高速增长。   力控传感器领域国内外龙头差距较大，国内宇立和坤维相对领先。根据高工机器人数据，2022 年中国力传感器市场依然以外资品牌为主导，国产份额低于 30%，国内厂商主要有宇立仪器（未上市）、坤维科技（未上市，航天级技术）、柯力传感（布局高端力矩传感）、东华测试（力传感器技术领先）等，国外主要有 ADI、ST 以及 TDK 等。

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柔性传感器

3.1. 柔性传感器由柔性基底、薄膜材料等组成 柔性传感器是由柔性材料制成的传感器，可用于多种特定场景。柔性材料与刚性材料相对应，具有柔软、低模量、易变形等属性，对应制成的柔性传感器则具有良好的柔韧性、延展性，可自由弯曲或者折叠，结构形式灵活多样，且在弯曲和伸展的形态下仍能表现出良好的导电性和响应性。得益于其优秀的性能，柔性传感器已成为现代柔性电子产品的重要组成部分，广泛运用于电子皮肤、医疗保健、电子电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等下游领域。   柔性传感器主要由柔性基底、薄膜材料及电极组成。 1）柔性基底：常用柔性传感器多采用 PI（聚酰亚胺）、PET（聚酯）或 PEN（聚萘二甲酯乙二醇酯）等作为器件的柔性基底。PI 是综合性能最 佳的有机高分子材料之一，具有很好的机械性能，抗张强度均在 100MPa 以上，介电常数不高于 3.5（经特殊处理后可抵御 2.5），耐温点达 250℃ 且可长期使用，并具有优秀的耐辐射、耐化学药品性能；PET 是一种饱 和的热塑性聚合物，长期使用温度可达 120℃，具有很好的光学性，优 良的磨耗摩擦性、尺寸稳定性和电绝缘性，且耐油、脂肪、稀酸/碱，价 格低、产量大、机械性能佳；PEN 是一种新兴优良聚合物，比 PET 具有 更高的物理机械、气体阻隔和耐热性能，长期使用温度高达 160℃，且 具备耐紫外线、耐辐射性能。通常会选择天然橡胶和环氧树脂来保护纳 米结构并改善界面黏合性能。 2）薄膜材料：通常是柔性传感器的敏感材料，根据被测量信息的不同需 求可采用金属、导电氧化物、纳米复合材料等。金属薄膜能够保留基底 的柔性特性，也可明显改变其表面特性；透明导电氧化物（TCO）薄膜 兼顾可见光范围光学透明性和良好的导电性，具有可折叠、重量轻、易运输和大规模生产等优点，其中铟锡氧化物（ITO）较为常用（具有高可 见光透射率、高红外反射率和低电阻率），镓或铝掺杂 ZnO（GZO 或 AZO）也被广泛研究和应用；纳米材料最初以超微颗粒形式在传感器上使用，近年来逐渐拓展到低维材料和阵列材料，如碳纳米粉复合膜、碳纳米管复合膜、碳纳米管/炭黑/硅橡胶复合阵列等。 3）电极材料：除少部分柔性传感器薄膜材料与电极为一体外，电极材料也为柔性传感器的主要构件，其根据使用要求不同采用不同的材料及制作工艺，包括碳材料（石墨烯、碳纳米管、碳纤维等）、金属纳米线（银纳米线、铜纳米线等）及导电聚合物（聚苯胺等）等，其中碳基纳米材料发展前景表现突出，其通常与各种聚合物结合，以获得柔性和稳定的应变传感器。   相比普通传感器，柔性传感器性能更加优越。普通传感器硬脆的性质使 其难以进行弯曲和延展，测量范围也因此受限；柔性传感器借助于碳纳米管、石墨烯、高分子膜、高分子电解质和有机聚合物等性能优越的材料，能够极大提高延展性及其他性能，适应复杂的不平整表面。   柔性传感器根据信号转换机理可分为主要分为 3 大类：电容式、电阻式和压电式。 1）电容式柔性传感器：感受到外界压力时，电极板间的电容值会发生变化，从而引起其他电信号的变化，从而通过测量电信号的变化计算出外力的大小。一般电容式柔性传感器是在柔性电极中间加上一层具有微结构的介质材料，介质层在受到外界压力作用下，微结构会发生比较明显 的变化，引起介质材料的介电特性发生变化，导致电容值产生较为明显 的变化。电容式柔性传感器一般通过改变介质层的材料或进行相关的结 构修饰，再或者将柔性基底与高介电常数的物质进行复合，来提高灵敏度。 2）电阻式柔性传感器：工作原理是把外界施加的压力值转化为电阻或者电流值的器件。根据其工作原理的不同分为应变式和压阻式。应变式柔性传感器受到外界压力被拉伸或者压缩时，导体的横截面积变化，导电的区域也发生变化，从而导致电阻发生变化；压阻式柔性传感器是基于压阻效应的传感器，当受到外界压力作用时，导体材料的电导率会随着自身的一些微小改变而发生变化。 3）压电式柔性传感器：是基于压电材料的压电效应的原理而设计的传感 器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷。当外力撤去后，电介质又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变，电介质受力所 产生的电荷量与外力的大小成正比。在此过程中，通过电流的大小可以计算外力的大小。   3.2. 电子皮肤有望向感知压力、温度等多种信号发展 电子皮肤（E-skin）是柔性传感器的重要应用。皮肤是最重要的人体器官之一，具有延展性、自愈性、高机械韧性等特征，可以对各种形状和纹理、温度变化以及接触压力等进行感知，而模仿人类皮肤的特征以及 具备相似感知功能的设备通常被称为电子皮肤。与人类皮肤相似，电子皮肤具有柔韧、舒适、安全等特点，被视为未来电子技术的新兴发展方向，在人形机器人触觉方案中得到较多关注。   电子皮肤一般由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。当感受到外界压力时，活性功能层将应变、湿度、温度等信号转换为可探测的电信号，并在功能层两侧的电极层完成接收和传输，最终传递至目标区域，从而实现“触觉”传输。柔性基材能够承载电子皮肤，并确保其与生物皮肤等材料的相容性，优良的柔性材料能够给传感器提供高灵敏度、宽传感范围、高动态响应和高重复性。   电子皮肤具有四大特性：可拉伸性、自愈合性、生物相容性及生物降解性。 1）可拉伸性：在多种机械应力的作用下，电子皮肤将在不同方向上发生 形变。提升电子皮肤可拉伸性主要有两种技术路径——材料创新（开发 单一或聚合形式的可拉伸新型材料来制造电子皮肤）或结构设计（改造 脆性材料制的结构，使其能够吸收施加的应变）。 在材料创新方面，以下几种材料通常被纳入考虑范围： ①水凝胶：由水等混合溶剂作为分散剂的三维网状凝胶，具有良好的可拉伸性、自修复 能力、生物相容性和离子导电率，经改造可获得较高的机械性能，但稳定性较差，开发具有高稳定性、耐冻性的水凝胶是当前研究重点； ②液态金属：液态金属具有优秀的导电性及可变形能力，其中镓及其合金因 其低毒性和高导电率在电子皮肤领域得到了广泛的应用。其缺点在于表面张力较高，难以加工并与其他材料兼容，需要通过界面材料改性克服；

③导电聚合物：聚合物是绝大多数柔性电子设备的基本组成单元，选用 本征导电的聚合物作为构筑基元，可同时实现柔韧性、导电性及较好的机械性能。目前已成功应用于电子皮肤制备的聚合物材料包括 PEDOT:PSS、聚吡咯、聚乙炔、聚噻吩等； ④纳米材料：基于纳米材料 的可拉伸导体通过在可拉伸的聚合物基体中混合导电填料在弹性体中形成渗透网络，从而为复合材料提供电流通路，且其外形薄，具有卓越 的机械顺从性，在柔性电子设备领域具有巨大的应用前景。常用的纳米填料有零维纳米颗粒、具有高纵横比的一维纳米线以及具有较大表面积的二维纳米片；高分子聚合物如降解塑料、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯醇等通常被用作弹性基底，为渗透网络赋予可拉伸性。   在结构设计方面，通常考虑以下几种结构： ①波形结构：通过施加预应 力对平面结构的基材进行预拉伸，修饰好所需的活性材料后再释放预应 力，从而将上层的导电或活性材料层改造为波浪结构，使得其形变时能 够释放部分压力，缺点是该结构可提供的拉伸性极其有限； ②岛-桥结构：由导电线路（桥）及固定位置的功能性元器件（岛）组成，其中蛇形结 构较为常见，其形状简单、易于加工，可实现电子皮肤的高可拉伸性； ③折纸/剪纸结构：折纸包含预先布置的折叠结构，能够有效地减缓其在 折叠、弯曲、拉伸等过程中所产生的应力变化，从而提供高通用性、大 变形性和与刚性电子相当的性能；剪纸结构将平面结构转化规则排列的 镂空结构，是基材能够充分释放形变中产生的应力，实现更强的可拉伸 形变能力； ④织物结构：织物大多数由高分子材料组成，天然具有优异 的力学性能，只需要辅以合适的导电及其他功能性材料，即可构建优异 的柔性电子产品。   2）自愈合性：当材料遭受损伤时，其内部化学键发生断裂，而这些动态 的化学键（氢键、二硫键、金属配位键等）通过扩散发生重组，从而实 现自修复。目前自愈合材料的研究重点聚焦于开发具有延展性和自愈合 性的高分子材料，这类材料在电子皮肤领域具有广阔的应用前景。   3）生物相容性及生物降解性：电子皮肤的应用场景通常与生物界面紧密相关，而生物相容性是避免引发免疫反应的重要性质。目前开发生物兼容和生物可降解装置的相关研究已有重大进步，使电子皮肤的应用更加稳定。   机器感知是电子皮肤在机器人领域的重要应用。诸如智能类人机器人和假肢机器人的设计目标是实现精准的类人操作，需要实现高精度的集成 感测功能，因此相应的柔性电子皮肤需要考虑以下几个方面的需求：① 对多个机械刺激和触觉反馈进行实时检测；②集成多功能传感器，可检测温度、湿度、硬度等多种参数；③人机界面的无线信号传输和控制。目前的研究方向需聚焦于可部署的、高分辨率的传感器皮肤、能够高效处理密集传感器信息的算法以及机器人的高精度反馈控制，最终目标是 让机器人实现高度类人的感知能力和触摸能力。   为实现或超越人体皮肤的感知能力，目前的电子皮肤已经向多模式复合方向发展。已有的一种智能集成的多层纳米纤维结构仿生多功能柔性传 感器可同时检测压力、湿度和温度信号，该电子皮肤由四部分组成：第 一层为压力感应层；第二层为温度传感层；第三层用于湿度检测；第四 层采用摩擦电采集系统收集生物力学能量，并为温度和湿度传感提供能 量。温度传感层以多壁碳纳米管和 PEDOT:PSS 作为导电材料，湿度传 感层则以酸化碳纳米管为导电材料。   现有的多维电子皮肤除常规的压力/应变、温度感知外，还可实现对微弱气体、pH 及葡萄糖等刺激的感知。   电子皮肤大规模量产仍有几大技术难度亟需突破。 1）制造工艺有待简化。为满足电子皮肤可弯曲性和延展性的需要，电子 皮肤的电路大多采用蛇形几何结构，并使用转印技术将电路组装到弹性 基底上，缺点是该工艺设计繁琐，且通常需要专门的洁净室，成本很高。电子打印技术（3D 打印和喷墨打印等）有望简化相应的制造流程，并具 有成本低廉、可扩展生产等优势，但在柔性基材上印刷仍然存在技术性 挑战，有待进一步优化。 2）多功能检测能力有待提升。目前多功能电子皮肤设备的应用规模有限， 尤其是集成物理和化学信号的检测功能。为了实现对生物皮肤的高度模 仿，同时获取各种形式的数据在先进水平的电子皮肤应用中十分重要， 并能根据不同形式的信息得到更加准确的分析结果。 3）有待集成更多智能模块。目前的电子皮肤只具备初级信号处理能力， 在面对大数据和复杂算法时通常需要借助外部设备帮助。若传感器内能 够集成计算能力更强的小型化智能模块，则有望消除对外部刚性设备的 依赖，提升电子皮肤柔性水平，并实现高精度的分析和控制。 4）柔性集成芯片有待进一步发展。在集成度较低的水平下，现有电子皮 肤需依赖刚性集成芯片以实现复杂动作，因此牺牲柔性和拉伸性，并且 刚柔结合部位因材料杨氏模量差别较大，会导致器件整体的抗疲劳性下 降，工作状态不稳定。因此，混合电子皮肤的刚柔结合策略亟待优化， 以及柔性集成芯片的研发以期实现多功能的全柔性电子皮肤。 3.3. 柔性传感市场空间巨大，国产厂商积极布局 柔性传感器市场空间巨大。据弗若斯特沙利文数据，2022 年全球柔性电 子市场规模已达 586.2 亿美元，预计 2025 年市场规模将达到 3049.4 亿 美元，2023-2025 年内的 CAGR 达到 70.17%。随着人形机器人加速发展， 柔性电子市场有望快速增长。   柔性传感器市场竞争日趋激烈。目前我国柔性传感器行业涌现出了大量 的企业，企业数量众多，形成了相对分散的竞争格局。中国柔性传感器企业的技术水平存在一定差异，国内主要厂商有：汉威科技、柔宇科技、上海思澄等。

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MEMS 传感器

4.1. MEMS 传感器可分为惯性传感器、压力传感器等 MEMS 产品具有高集成、微型化、智能化、低功耗等特点，在人形机器人领域拥有广阔的应用空间。MEMS（Micro Electromechanical System） 是指利用硅基半导体制造工艺将微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源集成于一体的微型机电系统。基于 MEMS 工艺制造的芯片具有低功耗、微型化、智能化、高集成度以及可大批量生产等特点，能够满足人形机器人对于传感器微型化、低功耗以及低成本的需求，因而在人形机器人领域拥有广阔的应用空间。   半导体行业经营模式主要分为 IDM 和Fabless，MEMS 行业 Fabless 模 式有其特殊之处。MEMS 行业 Fabless 模式的特殊之处在于：晶圆代工 厂在制造基于 CMOS 工艺的集成电路产品上有较多的技术积累，因此大 规模集成电路的设计企业只需要负责芯片的研发与销售，但是由于 MEMS 产品的技术工艺具有非标化的特点，一款 MEMS 芯片通常需要 对应一套加工工艺方案，所以 MEMS 芯片设计企业需要深度参与第三 方制造企业的工艺开发和持续优化调整的过程。   MEMS 行业需要跨学科知识与技术的综合运用，MEMS 芯片各环节均需技术积累。MEMS 产品的研发与设计需要机械、电子、材料、半导体等跨学科知识以及机械制造、半导体制造等跨行业技术的积累和整合。在芯片设计环节，MEMS 传感器设计厂商需要考虑温度、应力、生产工艺带来的偏差等因素对产品性能、品质的影响，在芯片设计环节通过 MEMS 芯片内部结构的空间排布来抵消部分偏差；在晶圆制造环节，由于一般晶圆代工厂缺乏成熟的 MEMS 工艺模块，需要 MEMS 设计企业与晶圆代工厂基于既有平台共同开发适合自身产品的生产工艺，来提升产品批量化生产的稳定性；在封装测试环节，封装结构需要在保护内部结构的同时，实现芯片内部与外部的信号交互，而测试环节需要公司根据产品应用领域和性能需求的不同，设计不同的测试卡控机制，以完成对规模量产前的品质管控。 全球 MEMS 市场有望持续增长，国内 MEMS 市场增速高于全球市场。根据 Yole Intelligence 的数据，2027 年全球 MEMS 市场规模有望达到 222.53 亿美元，2018-2027 年复合年均增长率为 9.30%。根据中商产业研究院的数据，2023 年国内 MEMS 市场规模有望达到 1132 亿元，2018- 2023 年复合年均增长率高达 17.47%，高于全球 MEMS 市场增速。（根据 Yole Intelligence 的数据，2018-2023 年全球 MEMS 市场复合年均增长 率为 9.47%）   MEMS 产品应用领域丰富，惯性、压力等传感器属于重要产品。根据敏芯股份招股说明书，MEMS 传感器可以分为惯性传感器、压力传感器、 声学传感器、环境传感器以及光学传感器。根据 Yole Development 发布的《Status of the MEMS Industry 2021》，2020 年惯性、射频、压力、声学、流量控制、光学、红外等七大类 MEMS 传感器在整个 MEMS 传感器市场总量的占比分别为 29%、21%、19.2%、10.6%、9.4%、5.4%、4.5%， MEMS 惯性传感器、压力传感器与声学传感器作为可以应用于人形机器人的重要传感器，均在 MEMS 传感器市场中占据了重要地位，三者合计占比达到了 58.8%。   4.2. MEMS 惯性传感器：IMU 可测量角速度与加速度 MEMS 加速度计用于测量物体线加速度，电容式 MEMS 加速度计目前 在市场中占据主导。MEMS 加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件，通常由质量块、阻尼器、弹性元件、敏感元件和适调电路等部分组成，其测量原理为：在加速过程中，通过对质量块所受惯性力的测量计算出加速度值，而在初速度已知的情况下，可以通过加速度对时间积分得到线速度，再次通过线速度对时间积分则可计算出直线位移。根据感测原理，MEMS 加速度计可分为压阻式、电容式以及热式等多种类型， 其中电容式 MEMS 加速度计具有高灵敏度、高精度、低温度敏感的特点，目前在市场中占据主导地位。   MEMS 陀螺仪利用科里奥利效应测量角速率，主要应用于导航定位、姿态感知、平台稳定等应用领域。MEMS 陀螺仪的核心是一颗微机械 （MEMS）芯片，一颗专用控制电路（ASIC）芯片及应力隔离封装，科里奥利效应为其基本工作原理：可动质量块在驱动电路控制下高速震荡，当物体转动时，质量块发生垂直于震荡方向的横向位移，横向位移的大小与输入角速率的大小成正比，因而可以通过测量横向位移实现对角速率的测量。   IMU 由加速度计与陀螺仪组成，可测量物体在三维空间中的角速率和加速度，助力人行机器人实现姿态控制、平衡维持等需求。一个 IMU 通常包含三个轴向的陀螺仪和三个轴向的加速度计，可以测量物体在三维空间中的角速率和加速度。IMU 是人形机器人保持平衡及运动控制的关键 传感器，可以帮助人形机器人实现姿态控制、平衡维持、导航定位等需求。

姿态控制与平衡维持：惯性稳控系统通过连续监测系统姿态与位置变化，利用控制算法对伺服结构进行控制，从而动态调整系统姿态，以实现机器人保持稳定姿态与平衡的目标。   导航定位：通过对角速率和线加速度按时间积分以及叠加运算，人形机 器人可以动态确定自身位置变化，而且因为无需借助外源信息，所以可 以免受外界干扰影响。   全球 MEMS 惯性传感器市场有望持续增长，IMU 正逐步替代独立的 MEMS 陀螺仪。MEMS 惯性传感器是将物体运动的加速度、位置和姿态转换为电信号的器件，包括 MEMS 加速度计、MEMS 陀螺仪、磁力计和惯性测量单元（IMU）。根据 Yole Intelligence 数据，在整体市场规模方面，全球 MEMS 惯性传感器的市场规模已从 2018 年的 28.31 亿美元增长至了 2021 年的 35.09 亿美元，预计到 2027 年市场规模有望达到 49.44 亿美元，2018-2027 年的复合年均增长率为 6.39%；在市场的产品结构方面，MEMS 加速度计、磁力计和 IMU 的市场持续增长，MEMS 陀螺仪的市场则呈现逐年萎缩的态势，主要是由于在高端消费电子和汽车电子市场中 IMU 正逐步取代独立的 MEMS 陀螺仪。   MEMS 惯性传感器市场由国际厂商占据主导，市场集中度较高。根据 Yole Intelligence 数据，在 MEMS 加速度计市场方面，博世、ST、MURATA、 NXP、ADI 为前五大厂商，CR5 市场份额为 84%；在 MEMS 陀螺仪市场方面，TDK、ADI、HONEYWELL、博世、ST 为前五大厂商，CR5 市场份额 为 83%；在 IMU 市场方面，博世、ST、TDK、HONEYWELL、ADI 为前五大厂商，CR5 市场份额为 88%。国内的 MEMS 惯性传感器行业起步较晚， 国内企业整体的销售规模相比国外龙头企业仍有较大差距，故而目前 MEMS 惯性传感器市场的主要市场份额还是由国际厂商占据。   4.3. MEMS 压力传感器：可用于人形机器人手指感知 MEMS 压力传感器常用类型为电容式、电阻式以及压电式，可应用于人形机器人手指。三种类型的 MEMS 压力传感器的工作原理有所不同：1） 电容式 MEMS 压力传感器：传感器受到压力时，传感器上下两个横隔 (传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变化会导致隔板之间的电容变化，根据电容变化可以测算出压力大小；2）电阻式 MEMS 压力传感器：传感器由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻结构组成。传感器受到压力时，电压与压力大小会成比例变化，根据该变化可以测量出压力的大小；3）压电式 MEMS 压力传感器：传感器的敏感元件由压电材料制作而成。压电材料受外力作用后表面会产生电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗后，会被转换为与所受外力成正比关系的电量输出，由此可以测量出压力的大小。我们认为，通过将柔性 MEMS 压力传感器集成到机器人手部，有望帮助机器人实现灵敏的触觉感知。   全球 MEMS 压力传感器市场有望持续增长，国际厂商占据主要市场份额。根据 Yole Intelligence 的数据，在市场规模方面，全球 MEMS 压力传感器已从 2018 年的 17.63 亿元提升至了 2021 年的 20.04 亿美元，在 2027 年则有望达到 26.24 亿美元；在销售量方面，全球 MEMS 压力传感器已从 2018 年的 14.72 亿颗提升至了 16.05 亿颗，在 2027 年则有望达到 25.35 亿颗；在市场竞争格局方面，全球 MEMS 压力传感器市场由国际厂商占据主导地位，博世、泰科电子、英飞凌、Sensata、NXP、Honeyw ell 为前六大厂商，占据的市场份额分别为 31%、15%、10%、9%、6%、5%， CR6 市场份额达到了 76%，市场集中度较高。     审核编辑 黄宇