傳感器（Sensor）是指將收集到的信息轉(zhuǎn)換成設(shè)備能處理的信號的元件或裝置。

人類會基于視覺、聽覺、嗅覺、觸覺獲得的信息進行行動，設(shè)備也一樣，根據(jù)傳感器獲得的信息進行控制或處理。

傳感器收集轉(zhuǎn)換的信號（物理量）有溫度、光、顏色、氣壓、磁力、速度、加速度等。

這些利用了半導(dǎo)體的物質(zhì)變化，除此之外，還有利用酶和微生物等生物物質(zhì)的生物傳感器。

能夠感受諸如力，溫度，光，聲，化學(xué)成分等物理量，并能把他們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為便于傳送和處理的里一個物理量（通常是電流，電壓等電學(xué)量）或轉(zhuǎn)換為電路的通斷。

把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量，就可以很方便的進行測量，傳輸，處理和控制了。

傳感器原理

傳感器感受的通常是非電學(xué)量，如壓力、溫度、位移、濃度、速度、酸堿度等。

而它輸出的通常是電學(xué)量，如電壓值、電流值、電荷量等，這些輸出信號是非常微弱的，通常要經(jīng)過放大后，再送給控制系統(tǒng)產(chǎn)生各種控制動作，傳感器原理如圖所示。

傳感器應(yīng)用的一般模式

常見傳感器的應(yīng)用

光敏傳感器——火災(zāi)報警器

1、光敏電阻在被光照射時電阻發(fā)生變化，這樣光敏電阻可以把光照強弱轉(zhuǎn)換為電阻大小這個電學(xué)量。

2、光敏傳感器的電阻隨光照的增強而減小

光敏電阻一般由半導(dǎo)體材料做成，當半導(dǎo)體材料受到光照或者溫度升高時，會有更多的電子獲得能量成為自由電子，同時也形成更多的空穴，于是導(dǎo)電性能明顯增強。

溫度傳感器的應(yīng)用——電熨斗

由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻和金屬熱電阻均可制成溫度傳感器，它可以把熱信號轉(zhuǎn)換為電信號進行自動控制。

（1）電熨斗的構(gòu)造：

（2）電熨斗的自動控溫原理：其內(nèi)部裝有雙金屬片溫度傳感器，如上圖所示。

常溫下，上、下觸點應(yīng)是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數(shù)不同，上部金屬膨脹大，下部金屬膨脹小。

則雙金屬片向下彎曲，使觸點分離，從而切斷電源，停止加熱。溫度降低后，雙金屬片恢復(fù)原狀，重新接通電路加熱，這樣循環(huán)進行，起到自動控制溫度的作用。

測定壓力的電容式傳感器

當待測壓力F作用于可動膜片電極上時，可使膜片產(chǎn)生形變，從而引起電容的變化。

如果將電容器與靈敏電流計、電源串聯(lián)，組成閉合電路，當F向上壓膜片電極時，電容器的電容將增大。電流計有示數(shù)，則壓力F發(fā)生了變化（如圖所示）

相比而言，金屬熱電阻化學(xué)穩(wěn)定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好。

力傳感器的應(yīng)用——電子秤

（1）組成：由金屬架和應(yīng)變片組成

（2）電子秤的工作原理：如圖所示，彈簧鋼制成的梁形元件右端固定。

在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，在梁的自由端施力F，則梁發(fā)生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應(yīng)變片的電阻變大，下表面的電阻變小。

F越大，彎曲形變越大，應(yīng)變片的阻值變化就越大，如果讓應(yīng)變片中通過的電流保持恒定，那么上面應(yīng)變片兩端的電壓變大，下面應(yīng)變片兩端的電壓變小，傳感器把這兩個電壓的差值輸出．外力越大．輸出的電壓差值也就越大。

聲傳感器的應(yīng)用——話筒

（1）動圈式話筒的原理：

話筒是把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置。

下圖是動圈式話筒的構(gòu)造原理圖，它是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象制成的。

當聲波使金屬膜片振動時，連接在膜片上的線圈（叫做音圈）隨著一起振動。

下圖話筒的原理圖音圈在永磁鐵的磁場里振動，其中就產(chǎn)生感應(yīng)電流（電信號）。

感應(yīng)電流的大小和方向都變化，振幅和頻率的變化由聲波決定．這個信號電流經(jīng)擴音器放大后傳給揚聲器，從揚聲器中就發(fā)出放大的聲音。

（2）電容式話筒的原理：

如圖所示，Q是絕緣支架，薄金屬膜M和固定電極N形成一個電容器，被直流電源充電。

當聲波使膜片振動時，電容發(fā)生變化，電路中形成變化的電流，于是電阻R兩端就輸出了與聲音變化規(guī)律相同的電壓。其優(yōu)點是保真度好。

（3）駐極體話筒：

①極化現(xiàn)象：將電介質(zhì)放入電場中，在前后兩個表面上會分別出現(xiàn)正電荷與負電荷的現(xiàn)象。

②駐極體：某些電介質(zhì)在電場中被極化后．去掉外加電場，仍然會保持被極化的狀態(tài)，這種材料稱為駐極體。

③原理：同電容式話筒．只是其內(nèi)部感受聲波的是駐極體塑料薄膜。

④特點：體積小．重量輕，價格便宜，靈敏度高．工作電壓低，只需3～6V

霍耳元件

1、如圖所示，厚度為d的導(dǎo)體板放在垂直于它的磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中。

當恒定電流I通過導(dǎo)體板時，導(dǎo)體板的左右側(cè)面出現(xiàn)電勢差，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)。

在這個矩形半導(dǎo)體上制作四個電極EFMN就成為一個霍耳元件，能夠把磁感應(yīng)強度這個磁學(xué)量轉(zhuǎn)換為電壓這個電學(xué)量。

2、霍耳電壓??

①其中k為比例系數(shù)，稱為霍耳系數(shù)，其大小與薄片的材料有關(guān)。

②一個霍耳元件的d、k為定值，再保持I恒定，則的變化就與B成正比，因此霍耳元件，又稱磁敏元件。

3、工作原理

霍耳元件就是利用霍耳效應(yīng)來設(shè)計的。一個矩形半導(dǎo)體薄片，在其前、后、左、右分別引出一個電極。

如圖所示，沿EF方向通入電流I，垂直于薄片加勻強磁場B，則在MN間會出現(xiàn)電勢差U，設(shè)薄片厚度為d，EF方向長度為l1，MN方向為l2。

薄片中的帶電粒子受到磁場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使N側(cè)電勢高于M側(cè)，造成半導(dǎo)體內(nèi)部出現(xiàn)電場，帶電粒子同時受到電場力作用。

當磁場力與電場力平衡時，MN間電勢差達到恒定。

再根據(jù)電流的微觀解釋

整體得：

令????其中n為材料單位體積的帶電粒子個數(shù)，q為單個帶電粒子的電荷量。

則有

可見，U與B成正比這就是為什么霍耳元件能把磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的原因。

目前中國傳感器行業(yè)技術(shù)水平在全球范圍內(nèi)處于中上水平。在加速傳感器、陀螺儀、指南針、氣壓傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等傳感器領(lǐng)域，中國傳感器行業(yè)均有自主研發(fā)能力。在高端傳感器領(lǐng)域，中國傳感器行業(yè)目前在全球范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位。在生物傳感器、化學(xué)傳感器、納米傳感器等領(lǐng)域，中國傳感器行業(yè)目前處于起步階段。總的來說，中國傳感器行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀較好，有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

傳感器歷經(jīng)了多年的發(fā)展，其技術(shù)的發(fā)展大體可分三代：

第一代是結(jié)構(gòu)型傳感器，它利用結(jié)構(gòu)參量變化來感受和轉(zhuǎn)化信號。

第二代是上70年代發(fā)展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導(dǎo)體、電介質(zhì)、磁性材料等固體元件構(gòu)成，是利用材料某些特性制成。如：利用熱電效應(yīng)、霍爾效應(yīng)、光敏效應(yīng)，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器、光敏傳感器。

第三代傳感器是正在發(fā)展的智能型傳感器，它是微型計算機技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有一定的人工智能。

美國早在80年代就聲稱世界已進入傳感器時代，美國早在80年代初就成立了國家技術(shù)小組（BGT），幫助政府組織和領(lǐng)導(dǎo)各大公司與國家企事業(yè)部門的傳感器技術(shù)開發(fā)工作。美國國家長期安全和經(jīng)濟繁榮至關(guān)重要的22項技術(shù)中有6項與傳感器信息處理技術(shù)直接相關(guān)。關(guān)于保護美國武器系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)勢至關(guān)重要的對項關(guān)鍵技術(shù)之中，8項就為無源傳感器。美國空軍2000年舉出15項有助于提高21世紀空軍能力關(guān)鍵技術(shù)，傳感器技術(shù)名列第二。

美國發(fā)展模式走的先軍工后民用、先提高后普及的路子。有顯著特點：

（一）非常重視傳感器功能材料研究；

（二）對傳感器技術(shù)開發(fā)十分重視：?例如美國霍尼威爾公司的固態(tài)傳感器發(fā)展中心每年用于設(shè)備投資就有5000萬美元,目前擁有包括計算機輔助設(shè)計、單晶生長、加工、圖形發(fā)生器,對步重復(fù)照像、自動涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、擴散、外延、蒸鍍、離子注入化學(xué)氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動態(tài)測試等最先進的成套設(shè)備和生產(chǎn)線,而且是大約每三年左右就要更新其中大部分儀器設(shè)備,聲稱只有這樣,才能保證其技術(shù)領(lǐng)先水平。

（三）重視工藝研究：傳感器原理不難,也不保密,而最保密的是工藝。有不少評價“傳感器”不是一般的工業(yè)產(chǎn)品,而是一種完美的工藝品之佳作。研發(fā)方面，美國約有1,300家生產(chǎn)和開發(fā)傳感器的廠家，100多個研究院所和院校。

從應(yīng)用領(lǐng)域來看，工業(yè)、汽車電子、通信電子、消費電子四部分是傳感器最大的市場。國內(nèi)工業(yè)和汽車電子產(chǎn)品領(lǐng)域的傳感器占比約42%左右，而發(fā)展最快的是汽車電子和通信電子應(yīng)用市場。

智能汽車和無人駕駛是驅(qū)動MEMS傳感器發(fā)展的重要動力。在智能汽車時代，將會使用大量的MEMS運動傳感器實現(xiàn)主動安全技術(shù)：語音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風(fēng)將迎來發(fā)展新機遇。自動駕駛技術(shù)的興起，進一步推動了MEMS傳感器進入汽車。

此外，MEMS傳感器也是智能工廠的“心臟”，從這個層面上講，它是工業(yè)機器人變得“神通廣大”的利器。它讓產(chǎn)品生產(chǎn)流程持續(xù)運行，并讓工作人員遠離生產(chǎn)線和設(shè)備，保證人身安全和健康。據(jù)預(yù)測，未來六年，MEMS在工業(yè)市場預(yù)計將以7.3%的復(fù)合年增長率快速增長。

MEMS的全稱是微型電子機械系統(tǒng)(Micro Electromechanical System)，利用半導(dǎo)體制造工藝和材料，將傳感器、執(zhí)行器、機械機構(gòu)、信號處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般在微米甚至納米量級。MEMS主要包含兩個部分：傳感器和執(zhí)行器。

與傳統(tǒng)的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、集成化、智能化、低成本等優(yōu)點，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)時代對于傳感器的要求。MEMS 傳感器種類很多，也有多種分類方法。按其工作原理，大致可分為MEMS物理、化學(xué)和生物傳感器，其中每一種MEMS傳感器又可分為很多種小類，不同的MEMS 傳感器可以測量不同的量，實現(xiàn)不同的功能。

MEMS將無所不能?圖源：yole

隨著制程技術(shù)不斷突破，微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器已可在極小尺寸下，同時兼顧功耗、精度及可靠性要求，因而應(yīng)用領(lǐng)域已開始由汽車和消費性電子，迅速蔓延至各種穿戴式應(yīng)用，實現(xiàn)視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，甚至味覺等各種人體的感知功能，成為人們的數(shù)位新感官。

圖源：yole

目前，嗅覺類氣體傳感器技術(shù)和產(chǎn)品不斷迭代，市場規(guī)模持續(xù)增長。2020年，全球氣體傳感器總體規(guī)模約為11-12億美元，預(yù)計到2026年將達到22億美元規(guī)模，年復(fù)合增長率約為10.9%。

根據(jù)市場咨詢公司Yole Development和Mordor Intelligence統(tǒng)計，全球氣體傳感器市場中，電化學(xué)、紅外、半導(dǎo)體技術(shù)共同占據(jù)了95%以上的市場份額，其中，應(yīng)用電化學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)的氣體傳感器占比分別達44.2%、38.3%，應(yīng)用紅外技術(shù)的氣體傳感器占有15.1%。2018年應(yīng)用電化學(xué)、紅外和催化燃燒技術(shù)的氣體傳感器市場份額提升，而應(yīng)用半導(dǎo)體技術(shù)的氣體傳感器份額顯著下降。

MEMS的增長可以通過新興技術(shù)和機遇來實現(xiàn)，其中一些值得注意的技術(shù)和機遇是可穿戴設(shè)備中的麥克風(fēng)和慣性 MEMS，尤其是 TWS耳機。MEMS微型揚聲器，應(yīng)該首先在TWS入耳式設(shè)計中展示其優(yōu)勢，取代舊的電動或平衡電樞揚聲器。基于MEMS的傳感器位移OIS。這可以取代首次在iPhone 12 Pro的相機模塊中使用的基于PCB的靈活傳感器移位。它也可能進入其他手機或消費設(shè)備中的其他相機模塊。

再者，Apple正在推動3D Audio，有可能會采用到Android設(shè)備，這或許會導(dǎo)致對IMU的需求激增。PMUT設(shè)備用于超聲波指紋識別，還可用作智能手機和汽車中物理按鈕和觸覺的替代品。CMUT 設(shè)備對于接近 PoC 的低成本超聲成像的消費化也非常有希望。

另外，空氣質(zhì)量檢測等也成為用戶關(guān)心的地方，氣體傳感器和環(huán)境組合有助于監(jiān)測用戶周圍的室內(nèi)和室外空氣質(zhì)量。隨著用于AR/VR和LIDAR應(yīng)用的光學(xué)MEMS（微鏡）的興起，壓電MEMS 是具有增長潛力的設(shè)備。Yole指出，ICE（內(nèi)燃機）汽車的數(shù)量正在減少，這對于正在開發(fā)汽車壓力傳感器業(yè)務(wù)的MEMS供應(yīng)商來說應(yīng)該是值得關(guān)注的。

從MEMS器件方面來看，Yole預(yù)計，整體MEMS器件市場在2020年至2026年將以7.2%的年復(fù)合增長率增長，到2026年全球MEMS器件市場空間將達到182億美元。在這其中，射頻（RF）MEMS器件占大頭。

2020年射頻MEMS器件有20.05億美元市場，到2026年約有40.4億美元市場空間；

噴墨頭（Inkjet heads）2020年約有8.42億美元市場，2026年約是9億美元市場空間；

壓力（Pressure）MEMS器件2020年有17.68億美元市場，到2026年大約是23.62億美元市場空間；

麥克風(fēng)（Microphones）MEMS 2020年約有13.8億美元市場，2026年約是18.71億美元市場空間；

加速度計（Accelecometers）2020年約有11.34億美元市場，2026年約是13.94億美元市場空間；

陀螺儀（Gyroscopes）2020年約有5.84億美元市場，2026年約是4.81億美元市場空間；

磁傳感器（Magnetometers）2020年約有1.76億美元市場，2026年約是1.82億美元市場空間；

慣性器件（Inertial combos）2020年約有15.03億美元，2026年約有21.27億美元市場空間；

熱電堆（Thermopiles）2020年約有1.99億美元，2026年約有3.38億美元市場空間；

微型測輻射熱儀（Microbolometers）2020年約有6.01億美元，2026年約有7.53億美元市場空間；

光學(xué)器件（Optical）2020年約有5.3億美元，2026年約有9.16億美元市場空間；

微流體（Microfluidics）2020年約有1.99億美元，2026年約有3.95億美元市場空間；

振蕩器（Oscillators）2020年約有1.42億美元，2026年約有3.85億美元市場空間；

環(huán)境傳感器（Environmental）2020年約有0.72億美元，2026年約有2.04億美元市場空間；

新一代傳感器（Future）2020年約有5.46億美元，2026年約有13.63億美元市場空間；

2020-2026年 MEMS行業(yè)收入與CAGR 圖源：yole

MEMS公司分為IDM、fabless和Foundry三類，與半導(dǎo)體類似。因此，MEMS代工廠的存在也是不可或缺的。瑞典的Silex Microsystems 是頂級的 MEMS 代工廠，Teledyne DALSA 位居第二，索尼位居第三。臺積電位居第4位，X-Fab位居第5位。除索尼外，羅姆在日本企業(yè)中排名第13位。

國內(nèi)廠商已具備主流 MEMS 器件生產(chǎn)能力。從國內(nèi) MEMS 產(chǎn)品晶圓需求結(jié)構(gòu)來看，麥克風(fēng)、壓 力、打印頭、加速度、射頻器件已經(jīng)有了相當?shù)恼急龋? 寸片和 8 寸片需求合計分別占比 31%、 19%、11%、6%、7%。

國內(nèi)傳感器一方面表現(xiàn)為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面，則表現(xiàn)為傳感器自身在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面的技術(shù)落后。由于沒有形成足夠的規(guī)模化應(yīng)用，導(dǎo)致國內(nèi)的傳感器不僅技術(shù)低，而且價格高，在市場上很難有競爭力。

中國大致從1980年以后開始重視傳感器技術(shù)的研究。經(jīng)過多年的努力，在傳感器研究方面的發(fā)展水平還算是比較好的。但是，在產(chǎn)品化方面的技術(shù)進步還不是很理想，很多傳感器技術(shù)，其實國內(nèi)的實驗室研究水平并不是很差，可惜未能充分利用，沒有轉(zhuǎn)化為進入市場的成熟產(chǎn)品。

傳感器技術(shù)的研究需要比較長時間的投入，一款傳感器的研發(fā)，要6年-8年才能成熟，一般中國企業(yè)都承受不了這么長的周期。中國企業(yè)更難以承受失敗，而傳感器的研究失敗的風(fēng)險很高。

目前從材料、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)我國已形成較為完整的傳感器產(chǎn)業(yè)鏈。在網(wǎng)絡(luò)接口、傳感器與網(wǎng)絡(luò)通信融合、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)等方面取得較大進展。但產(chǎn)業(yè)檔次偏低、企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)創(chuàng)新能力差，很多企業(yè)只是引進國外元件進行加工，同質(zhì)化嚴重。而生產(chǎn)裝備落后、工藝不穩(wěn)定等造成產(chǎn)品指標分散、穩(wěn)定性差。

目前我國傳感器產(chǎn)品約6000種左右，而國外已達20000多個，遠遠滿足不了國內(nèi)市場需求。中高端傳感器進口占比達80%，傳感器芯片進口更是達90%，國產(chǎn)化缺口巨大。

其中數(shù)字化、智能化、微型化等高新技術(shù)產(chǎn)品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產(chǎn)品主要依賴進口。而涉及國家安全和重大工程所需的傳感器及智能化儀器儀表，國外對我國往往采取限制。外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)高端市場絕大多數(shù)的市場份額，并將會在今后很長一段時間內(nèi)持續(xù)把持高端市場，這種勢頭在短期內(nèi)不會得到根本轉(zhuǎn)變。

經(jīng)過多年開發(fā)，雖然研制出一批工藝和產(chǎn)品，但由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、可靠性問題沒有得到根本解決，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有些高性能產(chǎn)品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔。從技術(shù)角度看，由于國內(nèi)傳感器生產(chǎn)工藝與工藝設(shè)備相對落后，微機械加工技術(shù)和封裝技術(shù)不夠先進，手工操作比較多，檢測手段不規(guī)范等等，造成主要性能指標和國外差1-2個數(shù)量級，使用壽命差2-3級。因此，在化工、電站、冶金、石油、環(huán)保、機械等領(lǐng)城重大工程中，許多高性能傳感器仍依賴于進口。

編輯：黃飛

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