2024年機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告：靈巧手觸覺(jué)感知-場(chǎng)景落地關(guān)鍵

2024年機(jī)器人行業(yè)專題報(bào)告：靈巧手觸覺(jué)感知_場(chǎng)景落地關(guān)鍵1.人形機(jī)器人場(chǎng)景落地，觸覺(jué)感知不可或缺1.1Optimus引入觸覺(jué)，逐漸完善手部功能特斯拉第二代Optimus引入靈巧手觸覺(jué)傳感器，進(jìn)一步完善手部功能。2023年12月13日特斯拉發(fā)布第二代Optimus視頻，視頻顯示機(jī)器人手指腹部增加了黑色皮膚“觸覺(jué)傳感器”，并演示了雙指拿雞蛋的動(dòng)作。第一代機(jī)器人曾展示過(guò)抓取較大物件的動(dòng)作，通過(guò)視覺(jué)觀察即可判斷是否“抓住”，但是對(duì)于雞蛋這種有重量、表面光滑、球形表面的物體，僅靠視覺(jué)無(wú)法判斷是否“抓穩(wěn)”，需要手部的壓力和摩擦力等力反饋信息來(lái)綜合判斷，靈巧手上的觸覺(jué)傳感器為取得信息的核心器件。展望未來(lái)，人形機(jī)器人聚焦場(chǎng)景落地，感知層為重要突破口。2022年以來(lái)，全球各地的人形機(jī)器人原型機(jī)層出不窮，但初代產(chǎn)品大多數(shù)側(cè)重于提升運(yùn)動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走、快速行走、平衡等能力，經(jīng)過(guò)一年以上的迭代，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力已基本實(shí)現(xiàn)；展望未來(lái)，人形機(jī)器人如要商業(yè)化落地，就必須落地具體的場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)具體的功能，而靈巧手的感知和操控是重要的突破方向。觸覺(jué)是僅次于視覺(jué)的重要信息來(lái)源。人形機(jī)器人傳感器作為模仿人類感知功能的產(chǎn)品，可以分為視覺(jué)傳感器、聽(tīng)覺(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器、觸覺(jué)傳感器、位姿傳感器、嗅覺(jué)傳感器、味覺(jué)傳感器等多種傳感器。其中，視覺(jué)為機(jī)器人提供最大的信息量，但視覺(jué)有時(shí)存在遮擋和誤差情況，并且難以捕捉到接觸交互信息。觸覺(jué)是僅次于視覺(jué)的重要信息來(lái)源，廣義的觸覺(jué)包含接觸覺(jué)、壓覺(jué)、力覺(jué)、滑覺(jué)、冷熱覺(jué)、痛覺(jué)等與接觸有關(guān)的感覺(jué)，它能感知到的信息量很大，包括機(jī)器人與環(huán)境的交互情況，以及所接觸目標(biāo)的各種物理屬性，如位置、形狀、剛度、柔軟度、紋理等。1.2觸覺(jué)技術(shù)尚未定型，多技術(shù)路線并行發(fā)展觸覺(jué)傳感器本質(zhì)上是將接觸面形狀、壓力、摩擦力、溫度等信息進(jìn)行感知識(shí)別和轉(zhuǎn)換的傳感器，其組成部分包括電極，敏感材料和導(dǎo)電材料等。按照敏感元件原理，觸覺(jué)傳感器可分為壓電式、壓阻式、電容式、摩擦電式、電感式、光纖式等，其中壓電式、壓阻式、電容式、摩擦電觸覺(jué)傳感器應(yīng)用較為廣泛。（1）壓電式觸覺(jué)傳感器壓電式觸覺(jué)傳感器基于壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流。常用的壓電材料的是壓電陶瓷和石英晶體。壓電式觸覺(jué)傳感器剛度大，測(cè)量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好，但由于其原理限制無(wú)法測(cè)量靜態(tài)力。（2）壓阻式觸覺(jué)傳感器壓阻式觸覺(jué)傳感器利用彈性體材料的電阻率隨壓力大小的變化而變化制成。壓阻晶體一般使用硅或者其他半導(dǎo)體材料。壓阻式觸覺(jué)傳感器頻響寬、精度高、系統(tǒng)魯棒性好，主要的問(wèn)題是延遲較大，撤去力之后需要15-20毫秒才能恢復(fù)。（3）電容式觸覺(jué)傳感器電容式觸覺(jué)傳感器在外力作用下使兩電極板相對(duì)位置發(fā)生變化，從而導(dǎo)致兩極板間電容的變化，通過(guò)檢測(cè)電容的變化量實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)檢測(cè)?？煞譃樽儤O距型電容傳感器、變面積型電容傳感器、變介質(zhì)型電容傳感器三類。電容式觸覺(jué)傳感器對(duì)溫濕度變化低敏感、響應(yīng)時(shí)間快、滯后低、功耗低、器件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，常被用于三維、六維傳感器中。（4）摩擦電式觸覺(jué)傳感器摩擦電式觸覺(jué)傳感器利用兩種不同材料之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦電荷，形成一定的電勢(shì)差，由靜電感應(yīng)電荷產(chǎn)生電信號(hào)輸出。根據(jù)電極材料分為四種類型：導(dǎo)體電極、半導(dǎo)體電極、混合電極和水凝膠電極。摩擦電式觸覺(jué)傳感器有自供能、靈敏度高、快速響應(yīng)、尖銳峰值等優(yōu)點(diǎn)，多用于高精細(xì)行業(yè)。（5）電感式觸覺(jué)傳感器電感式觸覺(jué)傳感器通過(guò)測(cè)量線圈自感或互感系數(shù)的變化，將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出?？煞譃樽愿惺絺鞲衅?、差動(dòng)變壓式傳感器和電渦流傳感器三種類型。磁性材料一般為鐵氧體，鎳鐵合金、鐵氧體等軟磁材料，有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)及測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。（6）光纖式觸覺(jué)傳感器光纖式觸覺(jué)傳感器在外界施加的力、溫度等作用下，引起光學(xué)參數(shù)變化，進(jìn)而可獲被測(cè)參數(shù)。光纖傳感器具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，比如尺寸小重量輕、耐腐蝕、易布設(shè)、無(wú)源傳感、抗電磁干擾、傳感精度高等。光纖傳感器作為一種新型傳感器，具有替代傳統(tǒng)各類傳感器的潛力和廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。（7）視觸覺(jué)傳感器視觸覺(jué)傳感器利用視覺(jué)圖像作為傳感信息提供觸覺(jué)感知。視觸覺(jué)傳感器由接觸模塊、照明模塊、圖像采集模塊和信息處理模塊組成。1.3靈巧手迭代發(fā)展，觸覺(jué)感知成為剛需人形機(jī)器人要發(fā)揮實(shí)際功能，靈巧手是關(guān)鍵部件，而觸覺(jué)傳感器能讓機(jī)器人更準(zhǔn)確感知和適應(yīng)周?chē)h(huán)境。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外對(duì)靈巧手進(jìn)行廣泛研究，涵蓋了從三指到五指、從工業(yè)到生活、從簡(jiǎn)單抓取到復(fù)雜操作等方面，旨在解決實(shí)際作業(yè)難題。靈巧手上的核心器件包括感知單元（傳感器）和執(zhí)行單元（電機(jī)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)），過(guò)去機(jī)器人場(chǎng)景簡(jiǎn)單，具備基礎(chǔ)的執(zhí)行單元已經(jīng)可以滿足要求，隨著未來(lái)場(chǎng)景復(fù)雜化和日?；?，感知單元的重要性逐漸顯現(xiàn)。機(jī)器人靈巧手的觸覺(jué)傳感器主要用于輔助機(jī)器人完成雙手的操作，需要滿足體積和性能等特點(diǎn)。（1）體積?。红`巧手的空間小、輕小，因此觸覺(jué)傳感器應(yīng)滿足體積小、重量輕的要求；（2）性能過(guò)關(guān)：通常力觸覺(jué)傳感器要求在量程、分辨率、精度、線性度、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)上達(dá)標(biāo)，每個(gè)行業(yè)側(cè)重點(diǎn)存在區(qū)別。機(jī)器人靈巧手的觸覺(jué)傳感器也需要滿足相應(yīng)性能要求，但總體而言低于汽車(chē)、軍工等行業(yè)。目前，機(jī)器人靈巧手觸覺(jué)感知的主流技術(shù)路線有三種：（1）力/力矩傳感器，置于手指內(nèi)部力/力矩傳感器是將力的量值轉(zhuǎn)換為相關(guān)電信號(hào)的器件，能檢測(cè)張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)量，一般放置于手指內(nèi)部，能感知外部一維/三維/六維度的力和力矩，具有精度高、量程大、對(duì)體積要求低等優(yōu)點(diǎn)。（2）柔性傳感器，即電子皮膚柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，具有良好的柔韌性、延展性、彎折性等,由于材料和結(jié)構(gòu)靈活，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景任意布置。（3）MEMS壓力傳感器MEMS壓力傳感器是采用微電子和微機(jī)械技術(shù)工藝制造出來(lái)的微型傳感器，受到壓力時(shí)變形并產(chǎn)生電信號(hào)。2.力矩傳感器：技術(shù)成熟，用于指尖與腕部等2.1力矩傳感器技術(shù)成熟，隨維度增加難度提升觸覺(jué)傳感器由測(cè)量的力/力矩?cái)?shù)量可分為一維、三維和六維傳感器等。力矩傳感器測(cè)量并輸出在笛卡爾直角坐標(biāo)系中各個(gè)坐標(biāo)上的力和力矩，由測(cè)量的力、力矩?cái)?shù)量可進(jìn)行維度上的分類，一般分為一維、三維、六維傳感器。隨著測(cè)量維度提升，多維傳感器有著高精度、協(xié)調(diào)性強(qiáng)、非線性特征顯著等優(yōu)勢(shì)，在人形機(jī)器人領(lǐng)域得到廣泛使用。一維力傳感器僅能測(cè)量一個(gè)方向的力或力矩，主要分為力傳感器和扭矩傳感器。如果待測(cè)力的方向能完全與標(biāo)定坐標(biāo)軸重合，那么用一維力傳感器就能完成測(cè)量任務(wù)；如待測(cè)力與標(biāo)定坐標(biāo)軸成一定夾角，或作用點(diǎn)不在標(biāo)定參考點(diǎn)，則會(huì)產(chǎn)生測(cè)量偏差。根據(jù)Tesla2022AIDay信息，Optimus的關(guān)節(jié)執(zhí)行器均使用關(guān)節(jié)式力/力矩傳感器；國(guó)內(nèi)靈巧手公司因時(shí)機(jī)器人的五指靈巧手在每個(gè)微型伺服電缸的尾端搭配壓力傳感器，用來(lái)反饋靈巧手的實(shí)時(shí)抓力。三維力傳感器能夠測(cè)量三個(gè)正交方向的力。常用的三維傳感器按照原理可分為：電阻式、電感式、電容式及光纖光柵式等。三維力傳感器也可以和柔性傳感器結(jié)合，論文《新型柔性三維力觸覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)與研究》提出一種新型柔性電阻式三維力觸覺(jué)傳感器，包括頂部PDMS凸起層、上下層敏感單元、上下層PET襯底柔性電極5層。六維力傳感器能夠測(cè)量三個(gè)正交方向的力和力矩。即使待測(cè)力的方向任意變化，作用點(diǎn)不在標(biāo)定參考點(diǎn)，六維力傳感器也能完成測(cè)量任務(wù)。六維力傳感器目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)療健康、航空航天、智能機(jī)器人、工業(yè)運(yùn)輸?shù)葓?chǎng)景，新興拓展領(lǐng)域?yàn)槿诵螜C(jī)器人。通常人形機(jī)器人使用4個(gè)六維力傳感器，分布于手腕和腳腕等關(guān)節(jié)末端，采集與外界環(huán)境交互的數(shù)據(jù)信息，從而調(diào)整姿態(tài)和動(dòng)作。六維力傳感器按照原理分為多種類型，不同類型優(yōu)勢(shì)各不相同。六維力傳感器按照原理來(lái)分，包括硅應(yīng)變傳感器、金屬箔傳感器、電容傳感器、光學(xué)傳感器、壓電傳感器。經(jīng)過(guò)穩(wěn)定性、剛度、動(dòng)態(tài)特性、成本與信噪比五個(gè)維度的比較可知，硅應(yīng)變傳感器和金屬箔傳感器之間，硅應(yīng)變片在穩(wěn)定性、信噪比以及動(dòng)態(tài)特性方面要更優(yōu)，兩者剛度上相差不多，但成本上金屬箔要優(yōu)于硅應(yīng)變片；電容傳感器和壓電傳感器之間，電容傳感器成本最優(yōu)，其他幾項(xiàng)弱于壓電傳感器；光學(xué)傳感器在動(dòng)態(tài)特性方便明顯具有優(yōu)勢(shì)。2.2市場(chǎng)需求逐漸釋放，國(guó)產(chǎn)份額持續(xù)提升六維力傳感器目前場(chǎng)景局限，人形機(jī)器人行業(yè)將打開(kāi)遠(yuǎn)期市場(chǎng)空間。根據(jù)睿工業(yè)數(shù)據(jù)，2023年中國(guó)市場(chǎng)六維力傳感器出貨量為9450套，同比增長(zhǎng)17.4%；市場(chǎng)規(guī)模2.35億元，同比增長(zhǎng)14.3%。當(dāng)下六維力傳感器市場(chǎng)規(guī)模較小，主要因?yàn)閮r(jià)格昂貴、應(yīng)用場(chǎng)景少，過(guò)去柔性化生產(chǎn)是推動(dòng)六維力銷(xiāo)量提升的主要原因，增速呈現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)狀態(tài)；近兩年更多廠商布局六維力傳感器參與競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)品價(jià)格有所下降，應(yīng)用場(chǎng)景不斷拓展。隨著未來(lái)人形機(jī)器人實(shí)現(xiàn)規(guī)?；涞兀约案鄨?chǎng)景的需求被挖掘出來(lái)，六維力傳感器的需求量和市場(chǎng)規(guī)模將快速上升。根據(jù)睿工業(yè)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2027年行業(yè)將迎來(lái)增速拐點(diǎn)，進(jìn)入高速成長(zhǎng)階段，預(yù)計(jì)2030年六維力傳感器的出貨量和市場(chǎng)空間將分別增加到120.0萬(wàn)臺(tái)和143.3億元。ATI目前在國(guó)內(nèi)六維力傳感器市場(chǎng)份額最高。在1985年至2006年之間是全球重要的顯示芯片公司，總部設(shè)在加拿大。ATI力/力矩傳感器系統(tǒng)測(cè)量全部六個(gè)力和力矩，其原理為應(yīng)變式。根據(jù)官網(wǎng)介紹，ATI的力/力矩傳感器被廣泛的應(yīng)用與各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，如產(chǎn)品測(cè)試，機(jī)器人裝配，打磨和拋光等；在研究領(lǐng)域被用于外科手術(shù)機(jī)器人，仿生機(jī)器人，康復(fù)機(jī)器人，以及神經(jīng)學(xué)等其他不同的應(yīng)用中。目前六維力傳感器集中度較高，但國(guó)產(chǎn)份額持續(xù)提升，未來(lái)有望延續(xù)這一趨勢(shì)。2023年ATI、宇立儀器分別占22.4%、12.2%，TOP10廠商共占據(jù)接近70%的份額；外資品牌仍然占據(jù)主導(dǎo)，但份額已持續(xù)下降，從2020年的80.9%下降至2023年的67.9%。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)品牌的份額持續(xù)提升，一方面，國(guó)內(nèi)廠商的技術(shù)不斷進(jìn)步，技術(shù)差距縮??；另一方面，國(guó)內(nèi)品牌的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)和本體化服務(wù)有限明顯。未來(lái)隨著人形機(jī)器人不斷成熟，逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地和規(guī)?；a(chǎn)，國(guó)內(nèi)品牌將進(jìn)一步發(fā)揮在性能、性價(jià)比、服務(wù)和響應(yīng)速度等方面的優(yōu)勢(shì)，份額取得進(jìn)一步提升。3.柔性傳感器：小批量應(yīng)用，柔性化是最大優(yōu)勢(shì)3.1柔性傳感器適合交互，持續(xù)拓展下游場(chǎng)景柔性傳感器又稱“電子皮膚”，具有柔性化特征，并且能夠測(cè)量力、溫度等特征。柔性傳感器最大的特點(diǎn)是柔軟可彎曲、重量輕、強(qiáng)大的可擴(kuò)展性等，材質(zhì)最接近人類皮膚，因此具有研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化價(jià)值，目前正處于研發(fā)和小批量應(yīng)用階段，目前電容式、壓阻式柔性傳感器應(yīng)用較多。柔性觸覺(jué)傳感器主要由基底材料、電極材料、功能層材料構(gòu)成?；撞牧鲜侨嵝杂|覺(jué)傳感器的基礎(chǔ)，是決定傳感器彈性形變性能的關(guān)鍵因素。電極材料主要用于傳輸電信號(hào)。功能層材料則是傳感器的核心部分，能夠?qū)⑼獠康牧?、溫度、濕度等物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。（1）基底材料：決定傳感器彈性性能的關(guān)鍵因素?；撞牧掀鹬魏捅Ｗo(hù)傳感器的作用，要求它具有良好的柔韌性、耐腐蝕性、絕緣性以及溫度穩(wěn)定性等。常用的柔性基底材料有PET、PI、PDMS、Ecoflex、NR、TPU等。（2）電極材料：電信號(hào)傳輸。傳統(tǒng)的電極一般為金屬材料，其本身不具有柔性，多采用減薄金屬膜層厚度或設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)等方法賦予其柔性，這將極大地提高成本且制備工藝復(fù)雜。目前，液態(tài)金屬和導(dǎo)電水凝膠的發(fā)展為其提供了新思路。（3）功能層材料：柔性觸覺(jué)傳感器的核心部分。將外部的力、溫度、濕度等物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。具有優(yōu)異力電特性的功能層材料是決定柔性觸覺(jué)傳感器性能的關(guān)鍵，多采用金屬基材料、碳基材料及導(dǎo)電橡膠等。柔性觸覺(jué)傳感器具有柔軟、生物貼合性強(qiáng)、輕薄便捷等特點(diǎn)，適用的下游場(chǎng)景廣泛，包括人形機(jī)器人、智能穿戴、醫(yī)療檢測(cè)、智能床墊、感壓筆、耳機(jī)、按摩椅、足底檢測(cè)等。目前，柔性傳感器正處于從實(shí)驗(yàn)研發(fā)過(guò)渡到產(chǎn)業(yè)落地階段，已在醫(yī)療設(shè)備、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域落地，在人形機(jī)器人電子皮膚等應(yīng)用處于探索階段。（1）人形機(jī)器人皮膚人形機(jī)器人未來(lái)走向場(chǎng)景落地，包括工廠、家庭等，將對(duì)柔性化、安全性的人機(jī)交互提出更高要求。理想狀態(tài)下，柔性觸覺(jué)傳感器可以讓機(jī)器人有著像人類皮膚一樣的具有柔韌性的“電子皮膚”，并且擁有類似于人類皮膚的觸覺(jué)、力覺(jué)、溫度感知等。（2）醫(yī)療設(shè)備由于柔性觸覺(jué)傳感器與醫(yī)療健康設(shè)備的天然適配，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前概念及試點(diǎn)產(chǎn)品包括電子紋身、智能繃帶、智能衣物等。其中，常見(jiàn)的產(chǎn)品包括智能創(chuàng)可貼、智能繃帶、柔性血氧計(jì)等。（3）可穿戴設(shè)備柔性觸覺(jué)傳感器的柔性化特征，使其適用于人機(jī)交互場(chǎng)景，目前在功能性服飾和運(yùn)動(dòng)類服飾上有所應(yīng)用。例如，針對(duì)沙漠等惡劣環(huán)境工作人員穿著的智能服裝，溫濕度傳感器不僅能夠檢測(cè)工作人員的生命特征，也能對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利于工作人員隨時(shí)掌握自身的健康狀況及環(huán)境情況。3.2市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步提升，未來(lái)空間有望打開(kāi)全球柔性觸覺(jué)傳感器市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)步上升。隨著人們對(duì)智能化產(chǎn)品的需求增加，全球柔性觸覺(jué)傳感器市場(chǎng)份額將繼續(xù)擴(kuò)大，2022年全球柔性觸覺(jué)傳感器市場(chǎng)規(guī)模為19.31億美元。中國(guó)柔性傳感器市場(chǎng)規(guī)模在過(guò)去幾年中呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，并有望在未來(lái)繼續(xù)擴(kuò)大，2022年中國(guó)柔性觸覺(jué)傳感器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為21.12億元。柔性觸覺(jué)傳感器由海外企業(yè)主導(dǎo)，產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化率逐步上升。柔性觸覺(jué)傳感器市場(chǎng)主要參與者分布在北美和歐洲，2022年全球前五大廠商占有大約57.1%的市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)柔性觸覺(jué)傳感器需求量和供給量不斷上升，國(guó)產(chǎn)化率逐步提高。柔性觸覺(jué)傳感器的發(fā)展瓶頸在于性能平衡、材料制備和生產(chǎn)成本，未來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，應(yīng)用場(chǎng)景有望進(jìn)一步擴(kuò)大。①性能的優(yōu)化和平衡：柔性觸覺(jué)傳感器需要具備高靈敏度、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性等性能特點(diǎn)，而這些性能往往相互制約，難以同時(shí)滿足。例如，提高靈敏度可能會(huì)犧牲穩(wěn)定性，而快速響應(yīng)則要求電路設(shè)計(jì)和處理算法的優(yōu)化。②柔性材料的選擇和制備：不同原理的傳感器在柔性材料上遇到的困難不盡相同，如壓阻式柔性觸覺(jué)傳感器在使用柔性材料時(shí)，主要有靈敏度和測(cè)量范圍有限、滯后性大、溫度穩(wěn)定性差等問(wèn)題；電容式柔性觸覺(jué)傳感器電路復(fù)雜，易受電磁干擾和寄生電容影響，主要研究集中在探索新材料和新結(jié)構(gòu)上。③生產(chǎn)成本較高：目前大多數(shù)柔性觸覺(jué)傳感器仍然依賴于傳統(tǒng)的微加工技術(shù)，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本還有下降空間。4.MEMS傳感器：工藝成熟，批量生產(chǎn)的最優(yōu)路徑4.1MEMS微制造技術(shù)，小型化、批量生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)顯著MEMS全稱Micro-Electro-MechanicalSystem，即微機(jī)電系統(tǒng)，是一種微制造技術(shù)。MEMS是集微型傳感器、執(zhí)行器、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電源能源、信號(hào)處理、控制電路、高性能電子集成器件、接口、通信等于一體的微米或納米級(jí)器件或系統(tǒng)，具有體積小、功耗低、響應(yīng)迅速、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、生物醫(yī)療、智能家庭設(shè)備、可穿戴設(shè)備、軍事航空等高精尖領(lǐng)域。MEMS產(chǎn)品主要包括MEMS傳感器和MEMS執(zhí)行器。MEMS傳感器用于探測(cè)和檢測(cè)物理、化學(xué)、生物等現(xiàn)象，按照產(chǎn)品特點(diǎn)可分為慣性、壓力、聲學(xué)、環(huán)境、光學(xué)傳感器；MEMS執(zhí)行器用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、力和扭矩等行為，按照產(chǎn)品特點(diǎn)可分為光學(xué)MEMS、微流控、射頻MEMS、微結(jié)構(gòu)、微型揚(yáng)聲器、超聲指紋識(shí)別等。MEMS產(chǎn)業(yè)鏈包括芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試以及系統(tǒng)應(yīng)用四個(gè)環(huán)節(jié)。MEMS行業(yè)主要有Fabless和IDM兩種經(jīng)營(yíng)模式：①采用Fabless模式的MEMS企業(yè)主要負(fù)責(zé)MEMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與銷(xiāo)售，將生產(chǎn)、封裝、測(cè)試等環(huán)節(jié)外包；②采用IDM模式的國(guó)際企業(yè)，如博世、意法半導(dǎo)體、亞德諾半導(dǎo)體、霍尼韋爾等，經(jīng)營(yíng)范圍覆蓋了芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造和封裝測(cè)試等各環(huán)節(jié)。MEMS傳感器優(yōu)勢(shì)明顯，體現(xiàn)在小型化、批量生產(chǎn)、降本潛力等方面。①微型化：MEMS器件體積小，一般單個(gè)MEMS傳感器的尺寸以毫米甚至微米為計(jì)量單位，重量輕、耗能低。②硅基加工工藝，可兼容傳統(tǒng)IC生產(chǎn)工藝：硅的強(qiáng)度、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng)，密度類似鋁，熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢，同時(shí)可以很大程度上兼容硅基加工工藝。③批量生產(chǎn)、降本：以單個(gè)5mm*5mm尺寸的MEMS傳感器為例，用硅微加工工藝在一片8英寸的硅片晶元上可同時(shí)切割出大約1000個(gè)MEMS芯片，批量生產(chǎn)可大大降低單個(gè)MEMS的生產(chǎn)成本。④集成化：?jiǎn)晤wMEMS往往在封裝機(jī)械傳感器的同時(shí)，還會(huì)集成ASIC芯片，控制MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量輸出。4.2壓力傳感器空間廣闊，國(guó)產(chǎn)廠商任重道遠(yuǎn)MEMS市場(chǎng)容量迅速擴(kuò)張，2021年全球和中國(guó)的MEMS行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模分別達(dá)到為136億美元、837億人民幣。按照下游來(lái)分，目前消費(fèi)電子、汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)、通信等領(lǐng)域?yàn)橹饕南掠晤I(lǐng)域；按照品類來(lái)分，目前壓力傳感器、麥克風(fēng)、慣性傳感器等為主要的MEMS傳感器類型。2021年壓力傳感器在全球MEMS市場(chǎng)中占比14.74%，市場(chǎng)規(guī)模20.88億美元，因?yàn)榫哂畜w積小、重量輕、易于集成等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。MEMS壓力傳感器由海外巨頭主導(dǎo)，高精度MEMS壓力傳感器是國(guó)內(nèi)“卡脖子”技術(shù)。2020年博世占據(jù)全球MEMS壓力傳感器市場(chǎng)份額33%，其余主要被泰科電子、英飛凌、森薩塔等公司占據(jù)，市場(chǎng)集中度較高，國(guó)內(nèi)企業(yè)的市場(chǎng)占有率極低。技術(shù)壁壘高、產(chǎn)業(yè)鏈尚處初期、企業(yè)盈利難為主要的門(mén)檻和壁壘。作為全球最大的電子產(chǎn)品生產(chǎn)基地，我國(guó)每年消耗大量的MEMS器件，但大部分仍依賴于進(jìn)口。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的MEMS傳感器主要以中低端市場(chǎng)為主，技術(shù)水平相對(duì)滯后。國(guó)內(nèi)企業(yè)主要面臨的壁壘為：（1）技術(shù)壁壘高，研發(fā)周期長(zhǎng)：MEMS傳感器技術(shù)壁壘高主要體現(xiàn)在復(fù)雜的制造工藝、多學(xué)科知識(shí)需求、材料和封裝的挑戰(zhàn)，以及對(duì)高度精準(zhǔn)測(cè)試和校準(zhǔn)的要求，導(dǎo)致MEMS傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)需要投入大量資源和技術(shù)。因此，MEMS企業(yè)面臨較高的資金壁壘和技術(shù)研發(fā)壁壘。（2）國(guó)內(nèi)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展時(shí)間短，尚處初期階段：國(guó)內(nèi)整個(gè)MEMS產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展較晚，均處于投入階段，盈利比較困難，尚未出現(xiàn)在國(guó)際市場(chǎng)上具有領(lǐng)導(dǎo)地位的企業(yè)，整體競(jìng)爭(zhēng)力較弱；而樓氏、英飛凌等全球領(lǐng)先企業(yè)在MEMS行業(yè)發(fā)展歷史更長(zhǎng)，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)更加豐富，為蘋(píng)果、三星、華為等全球知名的消費(fèi)電子品牌供貨，已形成品牌、產(chǎn)品、渠道等方面的護(hù)城河，是十分強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。（3）頭部企業(yè)技術(shù)降本，國(guó)內(nèi)廠商盈利困難：國(guó)外領(lǐng)先的MEMS企業(yè)不斷更新技術(shù)，推動(dòng)成本的降低。例如，在消費(fèi)電子領(lǐng)域，對(duì)輕薄化的需求促使了MEMS器件尺寸的縮小，制造商一方面改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)以確保產(chǎn)品性能的同時(shí)減小器件尺寸，另一方面在保持單片晶圓尺寸穩(wěn)定的情況下，通過(guò)同步縮小芯片尺寸來(lái)增加產(chǎn)量，從而有效地降低了平均成本。而國(guó)內(nèi)公司尚處于研發(fā)初期，面臨著降低成本的困難，利潤(rùn)空間受到進(jìn)一步擠壓。4.3MEMS觸覺(jué)傳感器前景展望隨著人形機(jī)器人走向產(chǎn)業(yè)落地，觸覺(jué)感知需求逐步釋放，MEMS壓力傳感器在靈巧手上的應(yīng)用迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。以靈巧手Uskin為例，其觸覺(jué)傳感器方案采用XELA公司的陣列式三維力觸覺(jué)傳感器（電容式），具有1×1、2×1、2×2、4×4、4×6多種規(guī)格，具有你小巧、輕薄、柔軟、耐用，布線少等優(yōu)點(diǎn)。MEMS壓力傳感器按原理主要分為硅電容式和硅壓阻式。它們都是在硅基底上制造的微型傳感器，但工作原理各有差異。①電容式：當(dāng)受到壓力時(shí)，上下兩個(gè)橫隔之間的間距變化，導(dǎo)致隔板之間的電容變化，據(jù)此可以測(cè)算出壓力大小。②壓阻式：由一個(gè)帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結(jié)構(gòu)組成，當(dāng)外力施加時(shí)，電壓與壓力大小成比例變化產(chǎn)生測(cè)量值。一維MEMS壓力傳感器是當(dāng)下市場(chǎng)主流產(chǎn)品，MEMS壓力傳感器向多維方向發(fā)展。目前市面上的MEMS壓力傳感器在原理上大多為一維傳感器，多維MEMS壓力傳感器因其小型化難度大、制造成本較高等問(wèn)題仍未量產(chǎn)。然而隨著更多高精細(xì)場(chǎng)景對(duì)傳感器的應(yīng)用要求提高，MEMS壓力傳感器向高維發(fā)展是當(dāng)下的趨勢(shì)。5.觸覺(jué)傳感器新機(jī)遇，競(jìng)爭(zhēng)格局有望重塑5.1外資占據(jù)主導(dǎo)地位，國(guó)內(nèi)創(chuàng)業(yè)公司發(fā)展迅速全球觸覺(jué)傳感器主要廠商包括Tekscan、PressureProfileSystems、SensorProductsInc.等，2021年前三大廠商市場(chǎng)份額約65%。海外頭部廠商先進(jìn)的制造技術(shù)、豐富的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及全球化的市場(chǎng)布局，在全球觸覺(jué)傳感器市場(chǎng)中保持著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)布局觸覺(jué)傳感器的廠商主要包括蘇州能斯達(dá)(漢威科技)、奧迪威、力感科技、帕西尼感知科技和鈦深科技等。根據(jù)帕西尼官網(wǎng)數(shù)據(jù)，2020年全球觸覺(jué)傳感器市場(chǎng)規(guī)模為112.5億美元，預(yù)計(jì)2028年將增長(zhǎng)到260億美元。（1）Tekscan：全球觸覺(jué)傳感器頭部公司，技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品集成完備Tekscan是1987年成立的美國(guó)一家高科技公司，其柔性薄膜壓力傳感器及集成產(chǎn)品占據(jù)主要市場(chǎng)，在觸覺(jué)傳感領(lǐng)域保持世界領(lǐng)先地位。Tekscan的專利觸覺(jué)和壓力傳感解決方案為客戶提供優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改善臨床和研究結(jié)果所需的可操作信息。Tekscan柔性薄膜壓力傳感器提供多種形狀和尺寸，還提供0-14kPa至0-207MPa的各種壓力范圍，以及定制設(shè)計(jì)的形狀、尺寸、靈敏度和高溫版本。（2）PPS：主攻電容式觸覺(jué)傳感器，人體皮膚接觸性能優(yōu)秀PressureProfileSystems于1996年在美國(guó)成立，業(yè)務(wù)涵蓋體壓圖、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、訓(xùn)練模擬等。公司產(chǎn)品主要為電容式柔性壓力傳感器，適用于直接與人體皮膚接觸。電容式傳感器電極可由任何導(dǎo)電材料（導(dǎo)電布、FPCB、金屬夾具）制成，因此其傳感器具有較高的靈敏度、可重復(fù)性、穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)靈活性。PPS產(chǎn)品ConformableTactArray(CTA)是一種電容式壓力傳感器，適合與人體皮膚接觸。其由柔軟的導(dǎo)電布制成，是一種靈活的電容式傳感器陣列，可適應(yīng)不同程度的曲率，還可以定制將其安裝在復(fù)合曲率上。單獨(dú)使用時(shí)，CTA的布狀表面適合與人體皮膚接觸，通常可集成到可拉伸的布帶或面罩中。國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)展較晚，但也涌現(xiàn)出一批提前布局觸覺(jué)傳感器的優(yōu)質(zhì)企業(yè)，如能斯達(dá)、帕西尼、力感科技、鈦深科技等。蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司成立于2013年，是創(chuàng)業(yè)板上市公司漢威科技的成員企業(yè)，公司專注于柔性微納傳感技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，目前已形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多品種、多量程的柔性微納力學(xué)量傳感器（壓力、壓電、應(yīng)變）及陣列的核心設(shè)計(jì)能力，解決了柔性微納傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差和規(guī)?；圃祀y等關(guān)鍵技術(shù)難題。帕西尼是一家擁有前沿觸覺(jué)核心及自動(dòng)化技術(shù)的公司，致力于打造感知更加智能的機(jī)器人系統(tǒng)，提升人機(jī)交互體驗(yàn)，并在新興領(lǐng)域探索創(chuàng)新，為客戶和社會(huì)帶來(lái)更先進(jìn)、智能的科技應(yīng)用。公司創(chuàng)始成員來(lái)自于日本早稻田大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室擁有最前沿技術(shù)并發(fā)布了世界上第一款人形機(jī)器人。5.2重點(diǎn)公司分析(一）漢威科技：控股子公司能斯達(dá)深入布局柔性微納傳感器漢威科技作為氣體傳感器頭部公司，致力于智慧系統(tǒng)解決方案。公司以傳感器為核心，將傳感技術(shù)、智能儀表技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、地理信息和云計(jì)算等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)緊密結(jié)合，形成了“傳感器+監(jiān)測(cè)終端+數(shù)據(jù)采集+空間信息技術(shù)+云應(yīng)用+AI”的系統(tǒng)解決方案。業(yè)務(wù)應(yīng)用覆蓋傳感器、智能儀表、物聯(lián)網(wǎng)綜合解決方案、公用事業(yè)及居家智能與健康等行業(yè)領(lǐng)域，在所涉及的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中形成了相對(duì)領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。子公司蘇州能斯達(dá)柔性微納傳感技術(shù)領(lǐng)先，已應(yīng)用于智能機(jī)器人領(lǐng)域。蘇州能斯達(dá)積極拓展柔性微納傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，已成功開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多品種、多量程的柔性微納傳感器，涵蓋壓力、壓電、應(yīng)變和織物等多個(gè)類型，并具備核心設(shè)計(jì)、敏感材料合成以及導(dǎo)電墨水制備等關(guān)鍵能力。目前，柔性微納傳感器目前已在智能機(jī)器人領(lǐng)域有明確的應(yīng)用，并與小米科技、九號(hào)科技、深圳科易機(jī)器人等積極開(kāi)展業(yè)務(wù)合作。（二）安培龍：主攻陶瓷電容式傳感器，開(kāi)拓MEMS傳感器領(lǐng)域安培龍專業(yè)從事熱敏電阻領(lǐng)域，陶瓷電容式壓力傳感器打破國(guó)際技術(shù)壁壘。公司專業(yè)從事熱敏電阻及溫度傳感器、氧傳感器、壓力傳感器研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，擁有從陶瓷材料研發(fā)到熱敏電阻及傳感器生產(chǎn)制造的完整產(chǎn)業(yè)鏈。公司結(jié)合熱敏電阻及溫度傳感器產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中對(duì)陶瓷材料的深入研究，打破了國(guó)外公司對(duì)陶瓷電容式壓力傳感器的技術(shù)壁壘。公司開(kāi)拓MEMS傳感器領(lǐng)域，MEMS硅壓阻式壓力傳感器已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。近年公司在MEMS技術(shù)平臺(tái)的研發(fā)領(lǐng)域持續(xù)加大投入，成功自主設(shè)計(jì)了MEMS壓力傳感器芯片。通過(guò)逐步實(shí)現(xiàn)MEMS低壓壓力傳感器、硅微熔高壓壓力傳感器的產(chǎn)業(yè)化，并與陶瓷電容式中壓壓力傳感器展開(kāi)協(xié)同合作，覆蓋低、中、高壓全量程。這使得公司產(chǎn)品得以滿足汽車(chē)和家電行業(yè)絕大部分應(yīng)用場(chǎng)景的需求，提供了高度可靠的解決方案。（三）敏芯股份：MEMS聲學(xué)傳感器供應(yīng)商，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)環(huán)節(jié)國(guó)產(chǎn)化敏芯股