本文来自微信公众号“物联传媒（ID：ulinkmedia）”，作者慕白、Charles。
随着北京冬奥会的结束，“零碳”办奥运的目标顺利实现，人们开始注意起了碳达峰、碳中和这个庞大的市场。2019年中国CO2年排放量达到了100亿吨，高居全球首位，占全球总排放量的27.9%，这个数值是美国的2倍，欧盟28国的3倍。与欧美发达国家相比，我国尚处经济上升期，2030年实现碳达峰，与2060年碳中和的目标间隔年限较短，实现“碳中和”远景可谓是“时间紧、任务重”。
资料来源：OurWorld in Data:EDGAR前瞻产业研究院整理
如何准确高效对碳排放进行监控，是许多企业的重大课题。在未来，对企业污染生产、处理、排放等过程进行监控，通过对数据实时传输、统计分析，判断减污降碳协同情况，将是一个重大课题。而这项课题的核心，是使用正确的气体传感器和物联网设备来记录、监测、管理碳排放量，降低环境污染。
如何选择正确的传感器，相信读完本文的你，心中会有一个答案~~~
气体传感器百年：
从矿山工厂到客厅厨房
气体传感器是将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。一般用来测量环境中某种气体或有机挥发物的浓度，如用于气体含氧量监测、易燃易爆气体、有毒有害气体的泄露检测等安全监管领域。
1926年，连环油船爆炸事件让美国标油公司开始重视有毒有害气体的现代手段预防和检测，1927年美国人OliverW.Johnson利用可燃气体催化燃烧的机理，发明了历史上第一台催化燃烧(LEL)传感器。
1968年，日本费加罗公司研发出世界上第一支实用性半导体(二氧化锡)气体传感器，广泛应用于工厂和家庭的气体泄漏报警中。直到80年代改革开放后我国才具备研制气体传感器的能力，大部分技术继承于工业强国德国和日本。
气体传感器在大气环保、石油化工生产开采、煤矿安全、医学诊断等领域作用极为关键，应用广泛。据法国咨询公司YoleDéveloppement分析，2021年全球气体传感器市场规模为9.2亿美元，气体传感器的需求在3.5亿颗，而到2026年，全球气体传感器市场规模将翻一番达20亿美元，前景非常可观。
受新冠疫情冲击，2020年医疗器械行业(尤其是呼吸机)对气体传感器的需求猛增，我国气体传感器行业产值一举突破14.29亿人民币规模。据智研咨询分析，2020年我国气体传感器产量为3540万个，但市场需求量却从2019年的2500万飙升至4260万，还有接近20%的市场需求未被满足。
“国产替代，技术自有”的支持趋向明显，在2010-2020十年间，国产自有气体传感器专利数从372增加到2660件，曾经屈指可数的软件著作权也增至335件，历经几十年的沉淀，中国气体传感器行业经历了功能材料、电子陶瓷、MEMS工艺等基础应用科学的积累，有望迎来井喷式发展。
资料来源：佰腾网，华经产业研究院整理
在传统的石油化工工业生产中，国外传感器厂商有极高的市场占有率，国产企业常常心有余而力不足。而当前气体传感器在物联网领域的应用正不断拓宽，并有与人工智能、云平台紧密融合的趋势。得益于国家对环保及相关产业政策的支持，当前气体传感器在IoT领域主要应用在这六大场景:
1、消费类市场：主要集中在消费终端产品中，包括智能家居、可穿戴设备和智能手机;
2、环境监测市场：用于监测空气质量和污染情况的气体传感器;
3、暖通空调市场：用于室内/车内空气质量监测的气体传感器。
4、交通运输市场：用于汽车尾气测量或重型车辆发动机控制的气体传感器。
5、医疗市场：在治疗护理和急救时，用于呼吸分析的气体传感器，例如呼吸机、制氧机、监护仪等。
6、国防和工业安全市场：在工业和国防领域，生产制造过程所产生的有害气体监测。
气体传感器分类与技术原理
气体传感器是以检测目标为分类基础的，凡是用于检测气体成分和浓度的传感器都可以被称为气体传感器，因为气体成分的冗杂性，对气体传感器很难进行精准分类。从检测对象来说，气体传感器的测量对象有氧气(常用顺磁式、氧化锆式)、易燃易爆气体(常用催化燃烧式、红外、热导、半导体式)、有毒气体传感器（一般采用电化学、金属半导体、光离子化、火焰离子化式）、有害气体传感器（常采用红外、紫外等）和有机挥发物等。按照传感原理不同，主流气体传感器可以分为半导体类、催化燃烧类、电化学类、光学类、固体电解质类等。
半导体气体传感器出现时间较早，广泛应用于家庭和工厂的可燃气体泄露检测报警装置，适用于甲烷、液化气、氢气等的检测。优点是性价比高，设计及制造过程简单;而半导体传感缺点也非常明显，容易受到背景气体和温度干扰，工作时功耗较大、稳定性差、线性差。
图.半导体气体传感器
02催化燃烧气体传感器
该气体传感器也适用于甲烷、液化气、氢气等气体的检测。和半导体气体传感器不同，催化燃烧式传感器是利用耐高温铂金层与可燃气体接触，在其表面燃烧以检测可燃气体的存在。其优点是计量准确、响应快速、寿命较长;缺点是对可燃气体无选择性，且暗火工作有引燃爆炸的风险。
03电化学气体传感器
电化学技术因开发时间早、成熟度高，市场占有率较高(近60%)，英德等国家在该领域树立了核心地位。气体传感器主要有两种细分传感器。第一种恒电位电解式传感器，主要用于检测毒性气体。第二种原电池式气体传感器，主要用于检测氧气，灵敏度极高。
电化学气体传感器具有体积小、功耗低、灵敏度高的优点，同时也存在易受干扰，使用寿命短以及稳定性的问题。
图.原电池式气体传感器内部构造
04光学气体传感器
光学传感器主要有红外线气体传感器、光反应气体传感器、光导纤维温度传感器三种，原理是通过对气体的灵敏度和光谱反应变化传递信号，对SO2、CO、CO2、NOx等气体具有较高的灵敏度。
因开发技术较晚，技术难度较高，但在测量精度、抗干扰、使用寿命与稳定性上均有加强，在暖通制冷和空气质量监控、新风系统和工业安全防护、农林畜牧业生产监控领域有广泛的应用前景。
05固体电解质气体传感器
固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。通过电解质和隔膜的配合，在检测到气体时电解质中产生电势差，将气体信息转化为电信号并输出。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于半导体气体传感器。
图.固体电解质气体传感器内部构造
国内外气体传感器厂商之争：
国产替代，敢于亮剑
相比通信、计算机技术的日新月异，传感器技术的发展明显滞后。一方面传感器品类众多有上万种，不同元件存在技术壁垒;另一方面单种类市场规模较小，需要深厚的技术基础和研发投入，缺乏资本市场青睐，规模化发展受到一定限制。
材料、硬件设计和软件算法是传感器的核心，再加上一些高端传感器技术和设备被英美日德等工业强国垄断，在敏感材料制备、器件制造自动化、多技术整合上仍有差距。
据企查查工商信息显示，当前国内经营气体传感器的企业近2000家，大多分布在广东、江浙沪以及山东地区。从商标专利来看，我国公开的气体传感器领域专利有4600多件，其中2000多件被日本特殊陶业(NGK)、德国博世(Bosch)、美国德尔福(Delphi)等外企注册，2660件专利是中国企业申请持有。
我国相对成熟的是半导体及催化燃烧传感器这两类细分产业，国内市场份额占有率高，在国际上也颇有竞争力。但在电化学、红外气体传感器领域起步较晚，高端仪器近乎被美日德等国垄断。如城市技术(CityTechnology)、费加罗(Figaro)、安费诺(Amphenol)、博世(Bosch)、盛思锐(Sensirion)、森尔(Senseair)等在电化学气体、红外光学气体传感器领域扎根久，在上游元器件研发制造能力和品牌影响力上实力强劲。
国内气体传感器实力较强的有汉威科技(旗下炜盛电子)、四方光电、戴维莱等企业。
汉威科技的战略是从上游材料供应到中游的智能仪表仪器，再到对下游客户的物联网解决方案打通，利用平台和产销协同优势，降低经营成本并提高毛利率，从传统传感器厂商走向“智慧城市”“智慧环保”“智慧安防”“智能家居”领域的物联网综合服务商。
汉威科技的传感器业务主要由旗下的炜盛科技承担，虽然传感器业务在汉威科技的营收贡献只有12%，但传感器业务48.5%的毛利率无疑是印证了炜盛科技在气体传感领域的龙头地位。
汉威科技2021年度报告节选
相比汉威科技，四方光电在IoT上的布局垂直一些，这家企业更专精于传感器元件和终端产品出货，依靠气体传感器+气体分析仪器“双轮”战略，覆盖了空气清洁、工业环境、医疗健康、安全等领域。在2021半年报中，四方光电透露要加大对民用传感器、消费物联网的投入，一方面是在智能家居领域CO2/粉尘监测等空气净化场景，拓展油烟机、扫地机器人、吸尘器等产品的渗透率;另一方面是在抓住新能源汽车发展的东风，在车规MEMS传感模块发力。
从两家公司的财务数据可以看出，这两家成熟企业在气体传感器和仪表盘领域的毛利率接近50%，成本控制已相当出色。同时如果从上游产业链延伸到下游做IoT方案，在智慧安全领域的毛利率较高(50.27%)，在智慧城市领域毛利率也较高(35%)，而在智慧环保行业应用的毛利率较低，只有25.6%。
气体传感器远景与趋势展望
传感器行业正走上“技术自控，国产替代”道路，通过国产替代和核心零部件自研率提升，实现关键零部件自主可控，降本增效提高毛利率，并从低端的技术和元件制造迈向中高端市场，以期实现完全的国产替代。
在物联网快速发展的今天，气体传感器也在朝着以下方向发展：
1、微型化：纳米、薄膜厚膜技术和MEMS工艺，为气体传感器缩小体积与功耗提供了条件，应用于低能耗场景与可穿戴设备。
2、多功能化，集成工艺符合传感器，可测量浓度、流量、温度、湿度、压力等多种类型变量的复合型传感器将逐渐替代单功能传感器。
3、智能化：在传感器内置微型处理器，或将多个相同或不同类型的气体传感器组成传感器阵列，算法升级以实现数据存储、逻辑判断和功能计算。
4、信息化：通过有线无线通信传输，实现传感器之间的联动与数据交互，并要求具备传输距离远、抗干扰性强、自适应强等通信特点。
5、单点发力向集约化发展：从传统的传感器元件、MEMS芯片向下游产业链输出产品硬件和IoT方案发力。
6、智能仪表仪器也在走向微型化、多功能化、人工智能化、网络化、虚拟化发展。
从汉威科技的全产业链布局，囊括了气体传感元件到IoT解决方案，再到四方光电聚焦材料、专注开拓下游硬件终端市场应用，从几大巨头的年报里我们发现气体传感器的未来商机：
1、碳中和相关场景/智慧环保应用
“双碳”战略的提出和执行，意味着碳排放监测业务在会迎来爆发式增长。去年下半年，各地的碳交易所已经成立，并开始有大型企业进行碳交易。同时，像煤炭、化工等重污染企业早已提前布局，积极对工厂进行改造，添加各种气体传感器以记录其碳数据。在未来，各种大型企业的带动下，国内所有制造型企业都会面临在工厂增加碳排放检测装置，而在线连续式气体传感器将是碳盘查环节中重要的一环。
2、智慧工业/智能家居检测设备
随着消费升级和生活品质的不断提升，城市化衍生的环境问题日益受到重视。空气质量监测覆盖室内、车内、室外等主要应用场景，室内空气品质检测对象不仅限于粉尘、CO2，还拓展至甲醛、VOC、氨气、氡等，产品功能也由单一检测对象升级为可同时检测多种气体的集成化产品;气体传感器不仅可搭载空气净化器、新风系统、空调等终端，还可应用于吸尘器、扫地机、油烟机等家电品类。
随着全屋智能的普及，未来气体检测器在智能家居中的应用势必会越来越多。同时，工业生产中也会需要进行大量的有毒气体的监测，监测的过程中离不开优质的气体传感器。
3、汽车电子消费应用
车用传感器的种类非常多，而车用气体传感器是其中最重要的组成部分。据不完全统计，汽车发动机所用的传感器中，气体传感器数量占比超过50%，大种类达到5-6个。保守估计，我国每年需要超过2亿个氧传感器、1000万个氮氧传感器、500万个颗粒物传感器。同样，汽车安全监控，尤其是新能源汽车电池安全状况的实时监控，也将成为未来电动汽车普及衍生的产业机遇。在汽车智能化、自动化的势头下，车用气体传感器正处于飞速发展的风口。
新一轮“新基建”如火如荼，“双碳”政策的环保画卷启幕、“智慧城市”的重点项目普及，让传感器从传统工业物联网快速涌向生活消费物联网，气体传感器的广阔应用空间和利好风向市场，在与中短距离无线通信、云计算等物联网技术紧密结合，正在在各行业焕发新的春天。
参考资料：
汉威科技2021年度报告
四方光电2021年半年度报告
西南证券，气体传感器行业研究报告
华经情报网，2020年中国气体传感器行业技术及竞争格局
