隨著北京冬奧會的結束，“零碳”辦奧運的目標順利實現(xiàn)，人們開始注意起了碳達峰、碳中和這個龐大的市場。2019年中國CO2年排放量達到了100億噸，高居全球首位，占全球總排放量的27.9%，這個數(shù)值是美國的2倍，歐盟28國的3倍。與歐美發(fā)達國家相比，我國尚處經(jīng)濟上升期，2030年實現(xiàn)碳達峰，與2060年碳中和的目標間隔年限較短，實現(xiàn)“碳中和”遠景可謂是“時間緊、任務重”。

資料來源：OurWorld in Data :EDGAR前瞻產(chǎn)業(yè)研究院整理

如何準確高效對碳排放進行監(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、排放等過程進行監(jiān)控，通過對數(shù)據(jù)實時傳輸、統(tǒng)計分析，判斷減污降碳協(xié)同情況，將是一個重大課題。而這項課題的核心，是使用正確的氣體傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設備來記錄、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，心中會有一個答案~~~

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數(shù)轉化成對應電信號的轉換器。一般用來測量環(huán)境中某種氣體或有機揮發(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)管領域。

1926年，連環(huán)油船爆炸事件讓美國標油公司開始重視有毒有害氣體的現(xiàn)代手段預防和檢測，1927年美國人OliverW. Johnson利用可燃氣體催化燃燒的機理，發(fā)明了歷史上第一臺催化燃燒(LEL)傳感器。

1968年，日本費加羅公司研發(fā)出世界上第一支實用性半導體(二氧化錫)氣體傳感器，廣泛應用于工廠和家庭的氣體泄漏報警中。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，大部分技術繼承于工業(yè)強國德國和日本。

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)學診斷等領域作用極為關鍵，應用廣泛。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)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，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工藝等基礎應用科學的積累，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。而當前氣體傳感器在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用正不斷拓寬，并有與人工智能、云平臺緊密融合的趨勢。得益于國家對環(huán)保及相關產(chǎn)業(yè)政策的支持，當前氣體傳感器在IoT領域主要應用在這六大場景:

1、消費類市場：主要集中在消費終端產(chǎn)品中，包括智能家居、可穿戴設備和智能手機;

2、環(huán)境監(jiān)測市場：用于監(jiān)測空氣質量和污染情況的氣體傳感器;

3、暖通空調市場：用于室內/車內空氣質量監(jiān)測的氣體傳感器。

4、交通運輸市場：用于汽車尾氣測量或重型車輛發(fā)動機控制的氣體傳感器。

5、醫(yī)療市場：在治療護理和急救時，用于呼吸分析的氣體傳感器，例如呼吸機、制氧機、監(jiān)護儀等。

6、國防和工業(yè)安全市場：在工業(yè)和國防領域，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原理

氣體傳感器是以檢測目標為分類基礎的，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，因為氣體成分的冗雜性，對氣體傳感器很難進行精準分類。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、半導體式)、有毒氣體傳感器（一般采用電化學、金屬半導體、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體類、催化燃燒類、電化學類、光學類、固體電解質類等。

01 半導體氣體傳感器

半導體氣體傳感器出現(xiàn)時間較早，廣泛應用于家庭和工廠的可燃氣體泄露檢測報警裝置，適用于甲烷、液化氣、氫氣等的檢測。優(yōu)點是性價比高，設計及制造過程簡單;而半導體傳感缺點也非常明顯，容易受到背景氣體和溫度干擾，工作時功耗較大、穩(wěn)定性差、線性差。

圖.半導體氣體傳感器

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氣體接觸，在其表面燃燒以檢測可燃氣體的存在。其優(yōu)點是計量準確、響應快速、壽命較長;缺點是對可燃氣體無選擇性，且暗火工作有引燃爆炸的風險。

03 電化學氣體傳感器

電化學技術因開發(fā)時間早、成熟度高，市場占有率較高(近60%)，英德等國家在該領域樹立了核心地位。氣體傳感器主要有兩種細分傳感器。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。

電化學氣體傳感器具有體積小、功耗低、靈敏度高的優(yōu)點，同時也存在易受干擾，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部構造

04 光學氣體傳感器

光學傳感器主要有紅外線氣體傳感器、光反應氣體傳感器、光導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變化傳遞信號，對SO2、CO、CO2、NOx等氣體具有較高的靈敏度。

因開發(fā)技術較晚，技術難度較高，但在測量精度、抗干擾、使用壽命與穩(wěn)定性上均有加強，在暖通制冷和空氣質量監(jiān)控、新風系統(tǒng)和工業(yè)安全防護、農(nóng)林畜牧業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控領域有廣泛的應用前景。

05 固體電解質氣體傳感器

固體電解質氣體傳感器是一種以離子導體為電解質的化學電池。通過電解質和隔膜的配合，在檢測到氣體時電解質中產(chǎn)生電勢差，將氣體信息轉化為電信號并輸出。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域，僅次于半導體氣體傳感器。

圖.固體電解質氣體傳感器內部構造

國內外氣體傳感器廠商之爭：國產(chǎn)替代，敢于亮劍

相比通信、計算機技術的日新月異，傳感器技術的發(fā)展明顯滯后。一方面?zhèn)鞲衅髌奉惐姸嘤猩先f種，不同元件存在技術壁壘;另一方面單種類市場規(guī)模較小，需要深厚的技術基礎和研發(fā)投入，缺乏資本市場青睞，規(guī)模化發(fā)展受到一定限制。

材料、硬件設計和軟件算法是傳感器的核心，再加上一些高端傳感器技術和設備被英美日德等工業(yè)強國壟斷，在敏感材料制備、器件制造自動化、多技術整合上仍有差距。

據(jù)企查查工商信息顯示，當前國內經(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)。從商標專利來看，我國公開的氣體傳感器領域專利有4600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體及催化燃燒傳感器這兩類細分產(chǎn)業(yè)，國內市場份額占有率高，在國際上也頗有競爭力。但在電化學、紅外氣體傳感器領域起步較晚，高端儀器近乎被美日德等國壟斷。如城市技術(CityTechnology)、費加羅(Figaro)、安費諾(Amphenol)、博世(Bosch)、盛思銳(Sensirion)、森爾(Senseair)等在電化學氣體、紅外光學氣體傳感器領域扎根久，在上游元器件研發(fā)制造能力和品牌影響力上實力強勁。

國內氣體傳感器實力較強的有漢威科技(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”領域的物聯(lián)網(wǎng)綜合服務商。

漢威科技的傳感器業(yè)務主要由旗下的煒盛科技承擔，雖然傳感器業(yè)務在漢威科技的營收貢獻只有12%，但傳感器業(yè)務48.5%的毛利率無疑是印證了煒盛科技在氣體傳感領域的龍頭地位。

漢威科技2021年度報告節(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、安全等領域。在2021半年報中，四方光電透露要加大對民用傳感器、消費物聯(lián)網(wǎng)的投入，一方面是在智能家居領域CO2/粉塵監(jiān)測等空氣凈化場景，拓展油煙機、掃地機器人、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，在車規(guī)MEMS傳感模塊發(fā)力。

從兩家公司的財務數(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域的毛利率接近50%，成本控制已相當出色。同時如果從上游產(chǎn)業(yè)鏈延伸到下游做IoT方案，在智慧安全領域的毛利率較高(50.27%)，在智慧城市領域毛利率也較高(35%)，而在智慧環(huán)保行業(yè)應用的毛利率較低，只有25.6%。

氣體傳感器遠景與趨勢展望

傳感器行業(yè)正走上“技術自控，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，實現(xiàn)關鍵零部件自主可控，降本增效提高毛利率，并從低端的技術和元件制造邁向中高端市場，以期實現(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、薄膜厚膜技術和MEMS工藝，為氣體傳感器縮小體積與功耗提供了條件，應用于低能耗場景與可穿戴設備。

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：在傳感器內置微型處理器，或將多個相同或不同類型的氣體傳感器組成傳感器陣列，算法升級以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、邏輯判斷和功能計算。

4、信息化：通過有線無線通信傳輸，實現(xiàn)傳感器之間的聯(lián)動與數(shù)據(jù)交互，并要求具備傳輸距離遠、抗干擾性強、自適應強等通信特點。

5、單點發(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用，從幾大巨頭的年報里我們發(fā)現(xiàn)氣體傳感器的未來商機：

1、碳中和相關場景/智慧環(huán)保應用

“雙碳”戰(zhàn)略的提出和執(zhí)行，意味著碳排放監(jiān)測業(yè)務在會迎來爆發(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)進行碳交易。同時，像煤炭、化工等重污染企業(yè)早已提前布局，積極對工廠進行改造，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)的帶動下，國內所有制造型企業(yè)都會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)/智能家居檢測設備

隨著消費升級和生活品質的不斷提升，城市化衍生的環(huán)境問題日益受到重視?？諝赓|量監(jiān)測覆蓋室內、車內、室外等主要應用場景，室內空氣品質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為可同時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、新風系統(tǒng)、空調等終端，還可應用于吸塵器、掃地機、油煙機等家電品類。

隨著全屋智能的普及，未來氣體檢測器在智能家居中的應用勢必會越來越多。同時，工業(yè)生產(chǎn)中也會需要進行大量的有毒氣體的監(jiān)測，監(jiān)測的過程中離不開優(yōu)質的氣體傳感器。

3、汽車電子消費應用

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，汽車發(fā)動機所用的傳感器中，氣體傳感器數(shù)量占比超過50%，大種類達到5-6個。保守估計，我國每年需要超過2億個氧傳感器、1000萬個氮氧傳感器、500萬個顆粒物傳感器。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時監(jiān)控，也將成為未來電動汽車普及衍生的產(chǎn)業(yè)機遇。在汽車智能化、自動化的勢頭下，車用氣體傳感器正處于飛速發(fā)展的風口。

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”的重點項目普及，讓傳感器從傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)快速涌向生活消費物聯(lián)網(wǎng)，氣體傳感器的廣闊應用空間和利好風向市場，在與中短距離無線通信、云計算等物聯(lián)網(wǎng)技術緊密結合，正在在各行業(yè)煥發(fā)新的春天。