电子行业专题报告：传感器在电子皮肤中的应用

事件：特斯拉于12.13日发布OptimusGen-2视频。视频显示，新一代机器人较上一代有以下变化：1）更灵巧的双手，所有手指都有触觉，可以对物体进行精细处理，比如夹起鸡蛋；2）2个自由度的脖子可以使机器人在一定幅度转头；3）走路速度较上一代提升30%。 传感器市场空间广阔：2022年全球传感器市场规模为418.6亿美元，《2023中国智能传感器产业发展报告》预测全球传感器市场规模2025预计将达到572.5亿美元，未来3年的年均复合增长率达到11%。特斯拉CEO马斯克预测未来Optimus成熟可用后，使用需求可达到100亿~200亿台，机器人市场将带动传感器市场继续增长。 MEMS传感器在触觉传感器中的应用：机器人中的触觉传感器应用潜力巨大，当前多采用硅作为主要材料的微传感器，其制造技术主要采用MEMS微机电系统技术来实现良好的空间分辨率，形成微小阵列，体积小，成本低。 投资建议：特斯拉机器人发布将加快传感器行业落地，建议关注传感器产业链相关公司。执行器总成：三花智控、拓普集团；Mems传感器：敏芯股份、芯动联科、申昊科技；Mems代工：赛微电子；柔性传感器：汉威科技。 风险提示：电子皮肤开发不及预期，电子皮肤降本较难，人形机器人产业落地进度缓慢。 1传感器概述 1.1传感器概述 传感器是一种信息检测与传递的装置，能够将被检测到的信息，按一定规律和方式转换成电信号和其他形式的信号输出，从而实现信息的收集、传输、处理、分析、显示等。由于当前传感器在材料、机理、工艺和应用交叉较为普遍，当前尚无完全统一的命名标准，业内一般按照测量原理、输出信号、制造工艺等进行分类。其中按照测量原理可将传感器分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。 物理传感器是指利用某些物理规律和物理效应把被测的物理量转换成便于处理的电信号的装置，主要包括压力传感器、惯性传感器、磁传感器、声学传感器等。 例如，压力传感器便是将外界的压力信号转换成其他便于检测的物理信号（如电压、电阻、电容等），以测试绝对压力值或压力变化。化学传感器指的是对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的装置，主要包括气体传感器、湿度传感器、离子传感器等。生物传感器是一种能够将生物学过程转化为可测量信号的装置，主要包括酶传感器、免疫传感器、微生物传感器等。 表1.传感器分类 随着智能化时代的来临，传感器成为了连接虚拟和现实的重要桥梁，在工业、汽车、通信等多个领域的应用逐渐加深，2022年全球传感器市场规模为418.6亿美元，《2023中国智能传感器产业发展报告》预测全球传感器市场规模2025年将达572.5亿美元，未来3年的年均复合增长率达到11%。报告同时指出，我国传感器市场近年来增长迅速，2022年市场规模达到1154.4亿元，到2025年有望达到1795.5亿元，未来三年年均复合增长率约为15.86%。 图1.全球传感器市场规模（亿美元） 图2.中国传感器市场规模（亿人民币） 1.2触觉传感器 触觉是机器人实现与环境直接作用的必须媒介，触觉本身有很强的敏感能力，可直接测量对象和环境的多种性质。触觉的主要任务是为了获取对象与环境信息或为完成某种作业任务而对目标对象、环境相互作用时的一系列物理特征量进行检测或感知。机器人的触觉是模拟人类的触觉感受，广义地说它包括了接触觉、压觉、力觉、滑觉、冷热觉、痛觉等与接触有关的感觉，狭义地说它仅反映了机械手与物体接触面上的力感觉。触觉感知包含的信息量很大，它不仅反映了机器人与环境的交互情况，而且反映了所接触目标的各种物理属性，如位置、形状、刚度、柔软度、纹理、导热性、黏滞性等。 常用的触觉传感器可以从原理上分为以下几类：压阻式、电容式、电感式、光电式等。 表2.5类触觉传感器比较 近年来，随着MEMS技术、新材料、新工艺的发展，触觉传感器开始向柔性化、轻量化、高阵列、高灵敏度的方向发展，以柔性化、轻量化、可扩展、多功能的电子触觉皮肤为代表的柔性触觉传感器成为热点。 1.3电子皮肤 皮肤是人类面积最大的器官，是人体与外界环境交流的桥梁，人类皮肤能感知触觉、痛觉、热觉等多种感觉，其中触觉的感觉是最直接，也尤为重要。皮肤具有保护、排泄、调节体温和感受外界刺激等功能。在皮肤的基础上，诞生了具有与人类皮肤能力相当的电子皮肤。 人类皮肤感受外界信息，是通过神经纤维传递给大脑；电子皮肤则集成了大量被排列成矩阵的触觉传感器，同时结合了了柔性材料，形成的一种可附着在异形物体表面的柔性电子器件，同时将检测到的信息变化通过不同的电信号反馈到识别装置。电子皮肤上的触觉传感器的空间分辨率可达到毫米级，能够准确地感知周围环境的信息变化。 图3.电子皮肤发展历史 电子皮肤触觉传感器种类繁多，其中用于接触压力测量的电子皮肤触觉传感器应用潜力巨大。当前的触觉传感器多为采用硅作为主要材料的微传感器，其制造技术主要采用MEMS微机电系统技术实现良好的空间分辨率，形成微小阵列，体积小，成本低。 电子皮肤作为一种先进的柔性触觉传感器，按照工作原理主要分为下列四种：电容型、电阻型、压电型、摩擦电型。 电容型。电容型压力传感器一般由电极和介电层组成，它属于一种平行板电容器。电容型压力传感器能够检测静态力，介电层是电容型压力传感器提升灵敏度和压力响应范围等的重要优化对象。 电阻型。电阻型压力传感器将压力变化转换成电阻或者电流的变化。电阻型压力传感器衬底会采用弹性体，如PDMS，PET。 压电型。压力传感器是将压力信号转换为电压信号，它的感应机理来源于压电材料的压电效应。常用的压电材料有PZT、ZnO和PVDF。 摩擦电型。摩擦电型压力传感器利用了摩擦起电的原理，它一般由上下两个电极和中间负责摩擦生电的不同材料构成，中间有一层空气。当外加压力时，两种材料相互摩擦起电，在接触界面两侧产生相反的电荷。当压力释放后，带等量相反电荷的两个表面被自动分离，由于静电感应现象分别在电极表面产生补偿电荷。材料之间的空气层使两个表面上的电荷不能完全中和，形成电位差。 图4.四种不同形式的压力传感器 1.3.1电子皮肤的构成 电子皮肤一般由电极、介电材料、活性功能层、柔性基材组成。由于电子皮肤往往具备高灵敏、高柔性、高弹性等性能，具有优良电学和力学性能的软体功能材料成为制备电子皮肤的关键。 衬底材料。衬底材料是决定电子皮肤弹性形变性能的关键因素。传统的电子传 感器通常以硅或者氧化硅作为衬底材料，而电子皮肤需要衬底材料具有高柔韧性，常见的如PDMS、PET、PI、PE等都可以用于传感器基底。 活性层材料。具有优异的机械性能和电子特性的活性材料是决定柔性触觉传感器灵敏度等性能的关键，这要求材料本身具有高导电和高弹性。石墨烯、碳纳米管、导电高分子、离子导体、金属纳米材料等具有较高导电性的材料，常用于柔性传感器的活性层。 电极材料。电极材料是影响器件灵敏度和稳定性的重要因素，因此，电极材料往往选用具有优异导电性能和机械性能的石墨烯、碳纳米管等碳材料以及柔性复合材料。 1.4当前发展主要问题 电子皮肤触觉传感技术经过近年来的快速发展，已经较之前取得了一系列的成果，显示出了广阔的应用场景，尤其是在机器人技术愈发成熟的今天，目前，电子触觉皮肤传感器正往柔性化、轻量化、多功能、集成化、低能耗、大阵列、自供电的方向发展。但在当前环境下，其研究和开发依然存在诸多难题： 阵列触觉传感器兼具高柔性和高弹性。电子皮肤触觉传感器要求能良好覆盖于机器人复杂的三维载体表面，能够弯曲、延展、挤压、变形成复杂的曲面状态，同时还能保持良好的电学性能正常工作。目前，能够贴合于复杂的三维静/动态表面，能够准确完成传感任务的电子皮肤触觉传感器还非常少。 电子皮肤触觉传感器的可扩展性。皮肤是人类面积最大的器官，为了模仿人类皮肤，电子皮肤的表面积通常比较大，目前，单个传感器的灵敏度、柔性度等性能已经得到了很大提升，但电子皮肤触觉传感器之间要求能够任意裁剪、拼接成新的单元，同时保证正常工作，这对触觉传感器阵列单元的可扩展性具有极高要求。 制造成本过高。灵敏度高的电子皮肤的制造过程通常涉及复杂的加工工程，例如聚合物微加工、氧等离子体处理、电子束蒸镀等，这些过程对应的设备价值普遍较高。电子皮肤的制作材料往往选用新型或自行合成材料，其价格也比较昂贵，成本较高。同时传感器处理单元的阵列排布和设计也会增加大量时间成本，因而电子皮肤的设计和制造具有较高的制作成本。 读取电路复杂。由于电子皮肤的表面积大，其所含的触觉传感器的阵列规模大，点阵多，大面积的信号检测往往会带来实时性问题，导致出现信号干扰等问题。 2建议关注 随着特斯拉加速机器人的迭代，同时其机体部位精密度、灵巧度的提升，将加速传感器相关产业链的落地，抬升产业需求，带动行业发展，建议关注传感器产业链相关公司： 执行器总成：三花智控，拓普集团 Mems传感器：敏芯股份，芯动联科，申昊科技Mems代工：赛微电子 柔性传感器：汉威科技 3风险提示 电子皮肤开发不及预期，电子皮肤降本较难，人形机器人产业落地进度缓慢