人形机器人专题3：IMU传感器专题

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 人形机器人专题3：IMU传感器专题 2023.12.31 分析师：曾彪 S0740522020001 研究助理：农誉 nongyu@zts.com.cn 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 1NT 传感器概述 ｜领先｜深度 各类传感器分类 传感器概述 人形机器人的“感知器官”：传感器。作为一种检测装置，传感器能够感知到被测量信息，并将感知到的信息，按一定规律转换成各种形式的信息（电信号）进行输出，使所感知的信息得以达成传输、处理、存储、显示、记录和控制等目的。 内部传感器 外部传感器 位置 嗅觉 气体&气、传感器… 速度 触觉 力&触觉传感器… 加速度 语音/听觉 麦克风… 力/力矩 味觉/体感 温度&湿度传感器… 压力视觉CMOS激光传感器、红外线感应器…. 姿态接近电感、电容、超声波传感器… •内部传感器：测量机器人自身状态，通过测量运动学和力学量，使机器人具备识别自身运动状态，并使按照预设的位置、轨迹和速度等参数控制肢体进行摆动、行走、维持平衡等运动； •外部传感器：测量机器人自身所处的外部环境，以及进行本体与外部环境之间的信息交互。11月2日，工信部印发《人形机器人创新发展指导意见》，引导行业聚焦、突破视觉（集成高精度仿生眼与类脑处理算法）、听（宽频响、高灵敏的仿生听觉传感器）、触觉 （高分辨率和具有多点接触检测能力的仿人电子皮肤）、嗅觉（高灵敏、可检测多种气体）等人形机器人专用高精度传感技术。 3 传感器市场规模 市场规模 传感器全球市场规模 传感器市场份额：应用类别&市场（2022年） 3500 3000 2500 生物传感器,11.43% 光学传感器,3.91% RFID,3.42% 中东、非洲,5% 2000 1500 1000 500 0 单位：亿美元 2946.7 2698.4 2473.4 2269.1 2048 2022 2023E2024E2025E2026E 其他传感器,65.86% 图像传感 器,5.37% 温度传感器,3.13% 压力传感器,4.44% 触觉传感器,2.44% 拉丁美洲,3% 欧洲,24% 亚洲,40% 北美,28% •根据PrecedenceStatistics的预测，2026年，全球传感器市场规模将达到2946.7亿美元（按23年1-11月平均汇率,接近2.07万亿人民币），2022-2026年复合增长率达9.52%； •行业增速得益于监控摄像头、消费电子产品、视频游戏等领域日益增长的需求，以及新能源技术和物联网技术的普及带来的增量。 •生物传感器是占据最大份额的应用类别，其组成包含生物敏感元件，能够识别抗体、酶、核酸等生物物质，广泛应用于微生物监测、食品分析等领域； •按地域做区分，亚洲占据最大的市场，占比接近40%，由于核心的消费电子制造商集中在中国、韩国、日本和印度等亚太地区，随着5G、智慧城市的兴起，预计该区域持续拉动 传感器需求的增长。4 市场规模 智能传感器成为产业趋势 智能传感器：集成了微处理机，相较由敏感、转换元件和变换电路组成的传统传感器，在满足采集、处理需求的同时，还具备与外部系统双向通信、交换信息的能力。 智能传感器市场规模（亿元）传感器市场份额：下游应用场景分类（2022年） 全球智能传感器行业营收规模中国智能传感器行业营收规模 4494 4023.2 3605.1 3233.2 2902.4 1477.9 1610.9 1147.5 1247.3 1357.1 5000 医疗电子, 9.7% 其他, 7.0% 汽车电子, 24.1% 网络通信, 17.6% 工业制造, 22.0% 消费电子, 19.6% 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2022E2023E2024E2025E2026E •根据头豹研究院预测，2026年，全球智能传感器行业营收规模将达到4494亿元，2022-2026年复合增长率达11.55%，其中，中国智能传感器行业营收规模将达到1610.9亿，年复合增长率8.85%； •从下游应用场景看，2022年，汽车电子、工业制造和消费电子占据超过65%的市场份额，随着5G、AI和物联网技术的发展，智能传感 器有望在医疗、家居、公共服务等领域得到更广泛的应用。 5 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 2NT 人形机器人惯量传感器 ｜领先｜深度 TeslaOptimus人形机器人 TeslaOptimus人形机器人进展 2023年9月24日，特斯拉在其官方推特更新了人形机器人产品Optimus的进展，根据最新的展示录像，可以看到机器人的感知能力再度实现升级：Optimus已经具备了对物件的自主识别和筛分的能力，并且可以实现肢体位置的精准校准、平衡运动姿态控制。 •IMU、力传感器、视觉传感器等多种传感器融合，通过数据间的特征提取、关联实现互补和校准； •肢体状态定位、校正：视觉传感器&关节处的位置传感/编码器 •瑜伽伸展：IMU是保持平衡和姿态控制的关键 •复杂的肢体动作：力/力矩传感器是稳定控制力量&摆动的核心 IMU概述 惯性传感器：IMU IMU（InertialMeasurementUnit），又称为惯性测量单元，与MEMS加速度计、陀螺仪同属于MEMS惯性传感器（MEMS代指微机电系统），它是由两个及以上惯性测量MEMS芯片及ASIC芯片合封而成，通过检测运动加速度、旋转角速度等参数来来感知物体的运动姿态和位移等信息。 加速度计陀螺仪磁力计IMU 原理：利用牛顿第二定律F=ma测量加速度大小并将其转化为电信号。如图示电容式的微型化弹簧等效系统，与弹簧相连的橙色重物受到加速度作用时发生位移，绿色极板间的电容C1、C2发生变化被检测并转换成电信号输出； 测量：加速度，用于测量振动、冲击、方向和速度等。 原理：角动量守恒定律，科里奥利效应。如图示等效微型电容系统，当传感器旋转时，橙色质量块受惯性产生力矩，因而向某一方向偏转，电容变化产生电信号，被转化为角速度输出。 测量：旋转角速度，用于导航、姿态 控制和稳定系统等。 原理：霍尔效应。电子在导体板流通过程，外部磁场的存在会使导体板中的电子分布发生变化，因此导体板两端测量到的电压也会发生变化，该信号被检测到并转换为磁场的强度和方向信息输出。 测量：空间磁感应强度 原理：将一个三轴陀螺仪、三轴加速度计集成在同一个芯片中，构成六轴IMU，或者进一步与三轴磁力计集成，构成九轴IMU 测量：加速度、位置和姿态 分类 关键组成部分：加速度计&陀螺仪 根据惯性传感器的核心性能参数，可区分为战略级、导航级、战术级、消费级，各层级加速度计、陀螺仪适配对于的应用领域。 类别 分级 零偏稳定性 （°/h） 标度因数精度 （ppm） 角度随机游走 （°/√h） 应用领域 类别 示例（MEMS） 加速度计 战略级<5<10-航天，航海，自校准机械摆式、石英、加速度 导航级 5-50 <500 - 航空，长航时无人系统 机械摆式、石英、 MEMS加速度计 战术级 50-1000 <1000 - 高端工业（如测绘，资源勘探）、车辆和飞行体 MEMS、石英加速度计 计 消费级 >1000 >1000 - 消费电子 MEMS加速度计 战略级 <0.01 <1 <0.01 航天，航海 机电、激光、光纤陀螺仪 导航级 0.01-0.15 1-100 0.01-0.05 航空，长航时无人系统 激光、光纤、MEMS 陀螺仪 战术级 0.15-15 100-1000 0.05-0.5 高端工业（如测绘，资源勘探）、车辆和飞行体 激光、光纤、MEMS 消费级 >15 >1000 >0.5 消费电子 MEMS陀螺仪 衡量一个工作周期内，表征温度变化、非线反映角速率信号中白 备注当加速度、角速率为零时，输出值围绕其 均值的偏离程度 性、重复性等影响因素，数值越小测量精度越高 噪声，数值越小代表误差越小，测量精度越高 --- •MEMS加速度计、陀螺仪具备高集成化、小型化的特征，覆盖消费级-导航级应用范围，由于战略级产品定位于系统复杂、高价值的应用平台，特点是体积大、价格高、抗机械冲击能力差，大规模量产能力有限，制约平台小型化，智能化发展； 9 MEMS市场规模预测 MEMS市场规模 MEMS市场规模预测MEMS下游应用市场规模&占有率（2028年） 100 90 80 70 60 50 2022年（亿美元）2028年（亿美元） 94 76 41 国防和航通讯,4% 40 3027 20 10 0 31 25医药,4% 14 6898 2 空,7% 工业,16% 消费,48% 汽车,21% •根据YoleIntelligence预测数据，MEMS传感器的市场规模将从2022年的~145亿美元增长至2028年的~196亿美元，年复合增长率~5%； •其中，预计陀螺仪的单独销量持续降低，而集成化的IMU产品市场规模扩大，从2021年的18.3亿美元增长至2027年的27.9亿美元。 •预计至2028年，消费、汽车、工业应用占据MEMS市场接近85%的份额，其中汽车领域市场规模迅速增长，由2022年的27亿美元增长至2028年的41亿美元。 10 MEMS产业链及行业格局 MEMS传感器产业链环节 惯性传感器IMU行业格局 产业格局：2021年IMU市占率&公司总营收规模对比 芯片设计 霍尼韦尔 其他,12% Fabless模式： IDM模式： 敏芯股份芯动联科应美盛 晶圆制造 台积电 中芯国际 垂直整合制造商 北方电子院安徽公司 博世（Bosch） 封装测试 苏州固锝 华天科技 日月光半导体 北方电子院安徽公司 （Honeywell）,7% 亚德诺半导体 （ADI）,6% TDK株式会社,20% 博世（Bosch）,35% 意法半导体（ST）,20% 公司 国家 2022年总收入/亿 单位 汇率2022总收入/ （2023.11.18）亿人民币 博世 德国 884 欧元 7.86 6948.2 ST 瑞士 161.3 美元 7.24 1167.8 TDK 日本 19021 日元 0.048 913.0 ADI 美国 120.14 美元 7.24 869.8 Honeywell 美国 354.66 美元 7.24 2567.7 敏芯科技 中国 - - - 292.65 芯动联科 中国 - - - 226.86 意法半导体（STMicroelectronics） 亚德诺半导体（AnalogDevicesInc.，ADI） 霍尼韦尔（Honeywell） •MEMS行业有Fabless（无晶圆厂制造模式）和IDM（垂直分工模式）两种经营模式；IDM对企业资金和业务规模、技术水平要求较高，需要具备独立覆盖芯片设计到产品制造的所有环节，博世、ST、ADI、Honeywell等国际大型半导体企业采用该模式。 •IMU市场集中度高，博世、ST、TDK、ADI、honeywell等海外厂家占据接近88%的市场份额，国产厂家在业务规模和收入体量上相对较小。 11 目 CONTENTSO 中泰 录 E 所 3NT IMU产业链主要公司梳理 ｜领先｜深度 传统汽车电子领域 IMU行业新增量：自动驾驶 MEMS传感器已经广泛的应用于汽车电子领域。 汽车电子应用自动驾驶&IMU：惯性导航 产品性质实现功能传感器 功能安全类产品 非功能安全类产品 碰撞感测发射安全气囊加速度计侧翻检测陀螺仪 车辆导航系统GPS、加速度计、陀螺仪、磁力计 防盗系统加速度计 智能钥匙加速度计 T-BOX加速度计 行车记录仪加速度计 •惯性导航系统通常集成多轴陀螺仪和多轴加速度计，对各轴 •独立