传感器基础：传感器发展简史

传感器基础：传感器发展简史第2代传感器是70 年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。第1代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。针对国内外产业现状对比和行业特点及存在问题，结合传感器技术工艺特征，业内期待在经济、技术优势和发达地区，聚集国内外数十家以上的传感器专业性公司和科研院所，组成具有产品技术工艺特色和产业化规模优势，以及国际市场影响力的产业集群或基地，形成年销售额1000亿元人民币（150亿美元）以上，并以年增长大于20%速度增长的国际化传感器特色产业园区。形成以敏感元器件为核心，智能化、网络化、模块化等集成应用为创新主体，物联网、智慧城市为应用目标的产业链构架（

与国外相比，我国传感器产业发展缓慢主要是认识上的差距所致！对传感器带有偏见和片面的认识，缺乏国家战略认识高度。

由于传感器分属不同行业和部门，存在多头管理，在发展上难于取得共识，管理乱象，政策支持缺乏力度导致产业分散，产品不能成为系列化。

1200多家企业中95%以上属于小微企业，一方面缺乏足够的人力、物力、工艺技术条件等资源配置，产业化基础薄弱；另一方面市场准入门槛过高，缺乏相应的应用开发和技术创新能力，产品整体技术水平和参数性能指标，特别是可靠性、稳定性指标与国外同类产品相比要低1～2个数量级，无法满足市场对企业资质和配套能力的要求。

第三是缺乏龙头企业引领和行业带动，缺乏国际化品牌、市场影响力、竞争优势和基础研究能力，导致行业内专业化企业数不足3%；核心芯片大都依赖进口，中高档产品几乎100％进口。整体工艺技术水平落后国外先进国家10～15年。

针对国内外产业现状对比和行业特点及存在问题，结合传感器技术工艺特征，业内期待在经济、技术优势和发达地区，聚集国内外数十家以上的传感器专业性公司和科研院所，组成具有产品技术工艺特色和产业化规模优势，以及国际市场影响力的产业集群或基地，形成年销售额1000亿元人民币（150亿美元）以上，并以年增长大于20%速度增长的国际化传感器特色产业园区。

形成以敏感元器件为核心，智能化、网络化、模块化等集成应用为创新主体，物联网、智慧城市为应用目标的产业链构架（产业生态），同时具备政、产、学、研、用、服六维一体生态环境，实现产业化集群式发展，形成我国传感器“双生态”产业链，具有产业特色明显和区位优势突出的国际传感器产业园——即“传感谷”。

传感器技术发展经历的三个历史阶段

第1代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。例如：电阻应变式传感器，它是利用金属材料发生弹性形变时电阻的变化来转化电信号的。

第2代传感器是70 年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光敏效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。

70年代后期，随着集成技术、分子合成技术、微电子技术及计算机技术的发展， 出现集成传感器。集成传感器包括2种类型：传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。例如：电荷耦合器件（CCD），集成温度传感器AD 590，集成霍尔传感器UG 3501等。

这类传感器主要具有成本低、可靠性高、性能好、接口灵活等特点。集成传感器发展非常迅速，现已占传感器市场的2/ 3 左右，它正向着低价格、多功能和系列化方向发展。

第3代传感器是80年代刚刚发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。

80年代智能化测量主要以微处理器为核心，把传感器信号调节电路、微计算机、存贮器及接口集成到一块芯片上，使传感器具有一定的人工智能。

90年代智能化测量技术有了进一步的提高，在传感器一级水平实现智能化，使其具有自诊断功能、记忆功能、多参量测量功能以及联网通信功能等。

传感器的崛起历程及行业发展现状

苹果新一代手机iPhone 6和智能手表的亮相，让全球众多苹果手机的追随者又有了一次彻夜排队的理由。赋予苹果手机越来越强大功能的，不仅是越来越强大的芯片，更重要的是手机上越来越多、越来越精良的传感器。

数年前，当乔布斯拿着苹果手机“晃一晃”就可以让它有所反应的时候，手机的智能化时代真正开始了。几年后，手机从一种通讯工具变成了一个人们离不开的伙伴。

让手机具备这样“魔力”的，是触摸屏、陀螺仪、加速度计等各式各样的传感器。

——触摸屏是一种电容触摸传感器。用于感受手机位置和运动的，是陀螺仪和加速感应器。当你接电话把耳朵贴到屏幕上时，让屏幕变暗并关闭触摸屏的是红外线接近传感器。根据环境光线强弱自动调节屏幕亮度的，是环境光传感器。当然，还有用于导航的“指南针”——磁阻传感器，以及用光电传感器制作的摄像头。

在9月9日的发布会上，最大的亮点还是苹果在传感器运用上的突破。iPhone 6手机增加了集合多种传感器的动作协感应器，可以用来测量海拔高度的气压传感器，可以实现指纹支付的近场通讯模块和指纹传感器。

iWatch背后的四个环状传感器，原理是通过LED光照射到皮肤上形成反射，以此判断血管的运动、检测佩戴者的脉搏。

不仅仅是手机，在汽车、家用电器、可穿戴设备上，以及工业自动化领域，越来越多的传感器成为机器的“耳目”。

普通公众了解甚少的是，即将给人们生活方式带来更大变化的物联网，其最核心的基础技术也是传感器。有科学家预言，传感器将像“人体的五官”一样，在未来充满各个领域和空间。

当下，随着物联网时代的开启，各式各样的传感器正成为无处不在的神经元，全球对于传感器的需求也开始呈现爆发性的增长。但是，在这一次盛宴开启的前夜，业界又遗憾地发现，中国似乎又落伍了。

在德国的博世，美国的霍尼韦尔、飞思卡尔这些传感器巨头享受它们“厚积薄发”带来的收益时，中国企业如何从中分一杯羹?

传感器模仿人体五官

“传感器就好像是人的五官。”中科院微系统所传感技术联合国家重点实验室主任李昕欣对财新记者说，人类在计算机的时代，解决了大脑的模拟问题，相当于用0和1实现了信息的数字化，利用布尔逻辑解决问题;现在是后计算机时代，开始模拟五官。

传感器(transducer、sensor)往往又被称为换能器，功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。可以说，是传感器让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。

传感器的发展，最早是来自工业自动化的推动。

出于提高效率的目的，工业生产开始由中央控制室控制各个生产节点上的参量，包括流量、物位、温度和压力四大参数，催生了传感器的发展。这个趋势从上世纪70年代开始，到现在也是传感器应用最多的一种形式。

清华大学精密仪器系教授董永贵告诉财新记者，在传感器这一概念“出现”之前，早期的测量仪器中其实就有传感器，只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。所以，中国在1980年以前，介绍传感器的教科书叫做“非电量的电测量”。

传感器概念的出现其实是测量仪器逐步走向模块化的结果。此后，传感器从整套仪器系统中独立出来，单独作为一个功能器件进行研究、生产、销售。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类。物理传感器应用的是物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来，出现了利用各种生物特性做成的生物型传感器，用以检测与识别生物体内化学成分。

在董永贵看来，严格来说传感器不算是一个单纯的学科方向，因为各个学科都有研究传感器的。依据新发现的物理现象、化学效应制造的新的传感器，实际上是对别的专业基础研究成果的二次开发。

他说，伴随电子电路技术的飞速发展，越来越多的测量问题集中到了传感器这一环节上。最终，传感器的性能决定了整套测量仪器的性能。“这是传感器发展最重要的推动力。”

“模拟人的五官”，只是传感器的一个比较形象的说法。传感器技术发展相对成熟的，还是工业测量中经常用到的如力、加速度、压力、温度等物理量。对于真实人的感觉，包括视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉，从传感器的角度来看，大部分不是很成熟。

“视觉、听觉可认为是物理量，相对好一些，触觉就比较差一些，至于嗅觉及味觉，由于涉及到生物化学量的测量，工作机理比较复杂，远未达到技术成熟的阶段。”他说。

传感器的市场，其实是由应用推动的。比如，化学工业中，压力、流量传感器市场相当大;汽车工业中，转速、加速度等传感器市场非常大。基于微电子机械系统(MEMS)的加速度传感器现在技术较为成熟，对汽车工业的需求拉动功不可没。