傳感器（Sensor）是指將收集到的信息轉換成設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，設備也一樣，根據傳感器獲得的信息進行控制或處理。

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

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

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

把非電學量轉換為電學量，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，通常要經過放大后，再送給控制系統產生各種控制動作，傳感器原理如圖所示。

傳感器應用的一般模式

常見傳感器的應用

光敏傳感器——火災報警器

1、光敏電阻在被光照射時電阻發生變化，這樣光敏電阻可以把光照強弱轉換為電阻大小這個電學量。

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體材料做成，當半導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，于是導電性能明顯增強。

溫度傳感器的應用——電熨斗

由半導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，它可以把熱信號轉換為電信號進行自動控制。

（1）電熨斗的構造：

（2）電熨斗的自動控溫原理：其內部裝有雙金屬片溫度傳感器，如上圖所示。

常溫下，上、下觸點應是接觸的，但溫度過高時，由于雙金屬片受熱膨脹系數不同，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，雙金屬片恢復原狀，重新接通電路加熱，這樣循環進行，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，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，則壓力F發生了變化（如圖所示）

相比而言，金屬熱電阻化學穩定性好，測溫范圍大，而熱敏電阻的靈敏度較好。

力傳感器的應用——電子秤

（1）組成：由金屬架和應變片組成

（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變片，在梁的自由端施力F，則梁發生彎曲，上表面拉伸，下表面壓縮，上表面應變片的電阻變大，下表面的電阻變小。

F越大，彎曲形變越大，應變片的阻值變化就越大，如果讓應變片中通過的電流保持恒定，那么上面應變片兩端的電壓變大，下面應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。

聲傳感器的應用——話筒

（1）動圈式話筒的原理：

話筒是把聲音轉變為電信號的裝置。

下圖是動圈式話筒的構造原理圖，它是利用電磁感應現象制成的。

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，其中就產生感應電流（電信號）。

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

（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律相同的電壓。其優點是保真度好。

（3）駐極體話筒：

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

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

③原理：同電容式話筒．只是其內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的導體板放在垂直于它的磁感應強度為B的勻強磁場中。

當恒定電流I通過導體板時，導體板的左右側面出現電勢差，這種現象稱為霍耳效應。

在這個矩形半導體上制作四個電極EFMN就成為一個霍耳元件，能夠把磁感應強度這個磁學量轉換為電壓這個電學量。

2、霍耳電壓??

①其中k為比例系數，稱為霍耳系數，其大小與薄片的材料有關。

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來設計的。一個矩形半導體薄片，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間會出現電勢差U，設薄片厚度為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生偏轉，使N側電勢高于M側，造成半導體內部出現電場，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，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量轉換成電學量的原因。

目前中國傳感器行業技術水平在全球范圍內處于中上水平。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域，中國傳感器行業均有自主研發能力。在高端傳感器領域，中國傳感器行業目前在全球范圍內處于領先地位。在生物傳感器、化學傳感器、納米傳感器等領域，中國傳感器行業目前處于起步階段。總的來說，中國傳感器行業技術現狀較好，有較大的發展潛力。

傳感器歷經了多年的發展，其技術的發展大體可分三代：

第一代是結構型傳感器，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。

第二代是上70年代發展起來的固體型傳感器，這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，是利用材料某些特性制成。如：利用熱電效應、霍爾效應、光敏效應，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展的智能型傳感器，它是微型計算機技術與檢測技術相結合的產物，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小組（BGT），幫助政府組織和領導各大公司與國家企事業部門的傳感器技術開發工作。美國國家長期安全和經濟繁榮至關重要的22項技術中有6項與傳感器信息處理技術直接相關。關于保護美國武器系統質量優勢至關重要的對項關鍵技術之中，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世紀空軍能力關鍵技術，傳感器技術名列第二。

美國發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）對傳感器技術開發十分重視：?例如美國霍尼威爾公司的固態傳感器發展中心每年用于設備投資就有5000萬美元,目前擁有包括計算機輔助設計、單晶生長、加工、圖形發生器,對步重復照像、自動涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、擴散、外延、蒸鍍、離子注入化學氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動態測試等最先進的成套設備和生產線,而且是大約每三年左右就要更新其中大部分儀器設備,聲稱只有這樣,才能保證其技術領先水平。

（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”不是一般的工業產品,而是一種完美的工藝品之佳作。研發方面，美國約有1,300家生產和開發傳感器的廠家，100多個研究院所和院校。

從應用領域來看，工業、汽車電子、通信電子、消費電子四部分是傳感器最大的市場。國內工業和汽車電子產品領域的傳感器占比約42%左右，而發展最快的是汽車電子和通信電子應用市場。

智能汽車和無人駕駛是驅動MEMS傳感器發展的重要動力。在智能汽車時代，將會使用大量的MEMS運動傳感器實現主動安全技術：語音將成為人與智能汽車的重要交互方式，MEMS麥克風將迎來發展新機遇。自動駕駛技術的興起，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，它是工業機器人變得“神通廣大”的利器。它讓產品生產流程持續運行，并讓工作人員遠離生產線和設備，保證人身安全和健康。據預測，未來六年，MEMS在工業市場預計將以7.3%的復合年增長率快速增長。

MEMS的全稱是微型電子機械系統(Micro Electromechanical System)，利用半導體制造工藝和材料，將傳感器、執行器、機械機構、信號處理和控制電路等集成于一體的微型器件或系統，其內部結構一般在微米甚至納米量級。MEMS主要包含兩個部分：傳感器和執行器。

與傳統的機械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、集成化、智能化、低成本等優點，可以滿足物聯網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，實現不同的功能。

MEMS將無所不能?圖源：yole

隨著制程技術不斷突破，微機電系統(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，因而應用領域已開始由汽車和消費性電子，迅速蔓延至各種穿戴式應用，實現視覺、聽覺、觸覺、嗅覺，甚至味覺等各種人體的感知功能，成為人們的數位新感官。

圖源：yole

目前，嗅覺類氣體傳感器技術和產品不斷迭代，市場規模持續增長。2020年，全球氣體傳感器總體規模約為11-12億美元，預計到2026年將達到22億美元規模，年復合增長率約為10.9%。

根據市場咨詢公司Yole Development和Mordor Intelligence統計，全球氣體傳感器市場中，電化學、紅外、半導體技術共同占據了95%以上的市場份額，其中，應用電化學、半導體技術的氣體傳感器占比分別達44.2%、38.3%，應用紅外技術的氣體傳感器占有15.1%。2018年應用電化學、紅外和催化燃燒技術的氣體傳感器市場份額提升，而應用半導體技術的氣體傳感器份額顯著下降。

MEMS的增長可以通過新興技術和機遇來實現，其中一些值得注意的技術和機遇是可穿戴設備中的麥克風和慣性 MEMS，尤其是 TWS耳機。MEMS微型揚聲器，應該首先在TWS入耳式設計中展示其優勢，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設備，這或許會導致對IMU的需求激增。PMUT設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，空氣質量檢測等也成為用戶關心的地方，氣體傳感器和環境組合有助于監測用戶周圍的室內和室外空氣質量。隨著用于AR/VR和LIDAR應用的光學MEMS（微鏡）的興起，壓電MEMS 是具有增長潛力的設備。Yole指出，ICE（內燃機）汽車的數量正在減少，這對于正在開發汽車壓力傳感器業務的MEMS供應商來說應該是值得關注的。

從MEMS器件方面來看，Yole預計，整體MEMS器件市場在2020年至2026年將以7.2%的年復合增長率增長，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（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行業收入與CAGR 圖源：yole

MEMS公司分為IDM、fabless和Foundry三類，與半導體類似。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，羅姆在日本企業中排名第13位。

國內廠商已具備主流 MEMS 器件生產能力。從國內 MEMS 產品晶圓需求結構來看，麥克風、壓 力、打印頭、加速度、射頻器件已經有了相當的占比，6 寸片和 8 寸片需求合計分別占比 31%、 19%、11%、6%、7%。

國內傳感器一方面表現為傳感器在感知信息方面的落后，另一方面，則表現為傳感器自身在智能化和網絡化方面的技術落后。由于沒有形成足夠的規模化應用，導致國內的傳感器不僅技術低，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的研究。經過多年的努力，在傳感器研究方面的發展水平還算是比較好的。但是，在產品化方面的技術進步還不是很理想，很多傳感器技術，其實國內的實驗室研究水平并不是很差，可惜未能充分利用，沒有轉化為進入市場的成熟產品。

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

目前從材料、器件、系統到網絡我國已形成較為完整的傳感器產業鏈。在網絡接口、傳感器與網絡通信融合、物聯網體系架構等方面取得較大進展。但產業檔次偏低、企業規模小、技術創新能力差，很多企業只是引進國外元件進行加工，同質化嚴重。而生產裝備落后、工藝不穩定等造成產品指標分散、穩定性差。

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

其中數字化、智能化、微型化等高新技術產品嚴重短缺。國家重大裝備所需高端產品主要依賴進口。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。外資企業產品占據國內高端市場絕大多數的市場份額，并將會在今后很長一段時間內持續把持高端市場，這種勢頭在短期內不會得到根本轉變。

經過多年開發，雖然研制出一批工藝和產品，但由于批產工藝的穩定性、可靠性問題沒有得到根本解決，限制了其應用領域和產業的發展有些高性能產品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔。從技術角度看，由于國內傳感器生產工藝與工藝設備相對落后，微機械加工技術和封裝技術不夠先進，手工操作比較多，檢測手段不規范等等，造成主要性能指標和國外差1-2個數量級，使用壽命差2-3級。因此，在化工、電站、冶金、石油、環保、機械等領城重大工程中，許多高性能傳感器仍依賴于進口。

編輯：黃飛

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