傳感器發展簡史：傳感器技術是實現智能制造的基石！
近年來，隨著隨著物聯網、5G、人工智能等技術的不斷發展和成熟，我國傳感器市場需求不斷增長，呈現出多元化的發展態勢，未來隨著5G+物聯網在各個垂直行業的有序落地，傳感器市場的發展潛力將得到大幅提升。
自傳感器誕生以來，不斷在各式各樣的產品和技術上進行內嵌與應用，已經成為了終端設備當中不可缺少的組成部分。隨著時間的推移，互聯網時代的發展，盡管傳感器開始與物聯網結合，形成智能化協同部分。但大眾突然發現，傳感器市場仍處于小規模，無大品牌，很大程度上依賴進口等等窘境。在剛剛結束的2019重慶智博會中國智能博覽會傳感器與物聯網高峰論壇上，多位專家群起獻策，商討傳感器產業的變局。本文將從技術和產業兩個角度，來回顧一下傳感器發展的歷程和現狀，并通過與專家的采訪和商討，分析這個領域未來的行業趨勢，希望能幫助更多人了解傳感領域，并且對工業傳感器有更多的認知。
科技，讓人類的能力圈不斷擴大。如果說，機械延伸了人類的體力，計算機延伸了人類的智力，那么，無處不在的傳感器，大大延伸了人類的感知力。
工業生產中，傳感器的作用越來越重要，特別在萬物互聯的趨勢下，智能傳感器得到了前所未有的重視。智能傳感器作為智能制造的基礎，已經悄然應用到各行各業。傳感器與通信、計算機被稱為現代信息技術的三大支柱和物聯網基礎，其應用涉及國民經濟及國防科研的各個領域，是國民經濟基礎性、戰略性產業之一。當前倍受國際關注的物聯網、大數據、云計算技術，乃至智慧城市中的各種技術實現，對于傳感器技術的需求也是巨大。
傳感器，不是KOC那種的新造詞，而是一個非常傳統的常用詞匯，大家在新華詞典中就可以輕松找到。英文稱Sensor或是Transducer。“傳感器”在新韋式大詞典中定義為：“從一個系統接受功率，通常以另一種形式將功率送到第二個系統中的器件”。根據這個定義，傳感器的作用是將一種能量轉換成另一種能量形式，所以不少學者也用“換能器-Transducer”來稱謂“傳感器-Sensor”。
簡單來說，傳感器就是一種檢測裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成，可以測量信息，也可以讓用戶感知到信息。通過變換方式，讓傳感器中的數據或價值信息轉換成電信號或其他所需形式的輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
圖|傳感器(來源：Gierad官方)
其實，傳感器一直存在于你的生活中，小到遙控器、臺燈、手機按鈕，大到電視、鍋爐檢測、電網傳輸、醫療器械診斷等，覆蓋大大小小不同的場景，也可以這樣說，傳感技術和傳感器是產品當中必不可少的一部分。
從技術和應用類型來看，傳感器分為溫度、壓力、超聲波、流量、電阻、圖像傳感器等;從學科來看，包含聲光電等，傳感器還分為化學、物理、生物傳感器等;從產業布局上來看，分為消費級、汽車電子、工業級、醫療傳感器四種。自1883年全球第一臺恒溫器上市以來，傳感器就以各種形式存在了相當長的一段時間。并且隨著時間的發展，IoT和AI技術不斷進步情況下，智能傳感器被推向了市場，在物聯網技術項目中得到廣泛的應用。
作為科技產業風向標榜單，在去年和今年的《麻省理工科技評論》TR10(全球十大突破性技術)中，相關的傳感技術被多次提及，“傳感城市”就是其中最為代表性的突破性技術之一。DeepTech曾提到，將大量的智能傳感器融入整個城市場景當中，就如同給其裝上全新的數字肢體和感官，萬物實現互聯、可感、可控，城市的運行將由一個無比強大的AI接管。從目前的情況來看，傳感技術仍在廣泛用于相關產品落地和城市規劃用途。
圖|“傳感城市”新技術(來源：DeepTech)
當然，傳感器仍有其他的嚴峻挑戰，由于投資較高，相比歐美的傳感器和傳感技術應用，中國的部分傳感器和傳感技術仍處于相對落后狀態。
工業和信息化部原副部長、中國傳感器與物聯網產業聯盟名譽理事長楊學山曾在演講中表示，雖然傳感技術在不斷進步，但由于中國傳感器產業起步較晚，缺乏相關優秀人才，導致中國的傳感器與傳感技術仍依賴進口，中國自主科技創新以及高端領域的傳感器產品都處于空白狀態。
本文將從技術和產業兩個角度，來回顧一下傳感器發展的歷程和現狀，并分析一些未來趨勢。
傳感器和傳感技術歷程
1883年，全球首臺恒溫器正式上市，一個名為Warren S.Johnson的發明者創造了它。這款恒溫器能夠將溫度保持在一定程度的精確度，就是利用了傳感器和傳感技術，在當時看來，是非常厲害的一項技術。
圖|全球首臺恒溫器(來源：what-is-a-sensor網站)
到了20世紀40年代末，第一款紅外傳感器問世。隨后，許許多多的傳感器不斷被催生出來，直到現在，全球大概有35000種以上的傳感器，數量和用途上非常繁雜，可以說，現在是傳感器和傳感技術最為火熱的一個時期。
根據國標GB/T 7665-2005，傳感器是“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。
之后，傳感器的發展被劃分為三個階段：
● 第一階段 始于20世紀50年代，結構型傳感器出現，它利用結構參量變化來感受和轉化信號。
● 第二階段 始于20 世紀70年代，固體型傳感器逐漸發展，這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成。利用材料的熱電效應、霍爾效應，分別制成熱電偶傳感器、霍爾傳感器等。
● 第三階段 由 20 世紀末開始，智能型傳感器出現并快速發展。它是計算機技術與檢測技術相結合的產物，能夠對外界信息具有一定檢測、自診斷、數據處理以及自適應能力，是當前傳感器的主流。
智能傳感器是指具有信息采集、信息處理、信息交換、信息存儲等功能的多元件集成電路，是集傳感單元、通信芯片、微處理器、驅動程序、軟件算法等于一體的系統級產品。
智能傳感器基本結構如下圖所示，一般包含傳感單元、計算單元和接口單元。傳感單元負責信號采集，計算單元根據設定對輸入信號進行處理，再通過網絡接口與其他裝置進行通信。智能傳感器的實現可以采用模塊式 (將傳感器、信號調理電路和帶總線接口的微處理器組合成一個整體)、集成式(采用微機械加工技術和大規模集成電路工藝技術將敏感元件、信號調理電路、接口電路和微處理器等集成在同一塊芯片上)或混合式(將傳感器各環節以不同的組合方式集成在數塊芯片上并封裝在一個外殼中)等結構。
圖 1智能傳感器基本結構
1987年，ADI(亞德諾半導體)開始投入全新的傳感器研發，這種傳感器與其他不太一樣，名叫MEMS傳感器，是采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。與傳統的傳感器相比，它具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產、易于集成和實現智能化的特點。而ADI是業界最早做MEMS研發的公司。
1991年，ADI發布了業界第一顆High-g MEMS器件，主要用于汽車安全氣囊碰撞監測。而后眾多MEMS傳感器被廣泛研發，用在手機、電燈、水溫檢測等精密儀器上，截止到2010年，全世界有大約600余家單位從事MEMS的研制和生產工作。
隨著云計算、5G、大數據、AI技術以及物聯網技術的爆發，智能傳感器和智能傳感技術逐漸被提及起來，大量的可穿戴式設備中含有多種生物以及環境智能感應器，用以采集人體及環境參數，實現對穿戴者運動健康的管理，其傳感器更高的精度使得設備更加可靠。
傳感器技術是實現智能制造的基石。 在當前智能時代的推動下，高性能、高可靠性的多功能復雜自動測控系統以及基于射頻識別技術的物聯網的興起與發展，愈發凸顯了具有感知、認知能力的智能傳感器的重要性及其快速發展的迫切性。
智能傳感器沿用較為通用的分類方法，依據被測量的不同，一般分為物理量智能傳感器、化學量智能傳感器和生物量智能傳感器三大類。
圖2 智能傳感器分類
其中，物理量智能傳感器根據被測物理量，可簡單歸納為力、熱、聲、光、電、磁六大類。 每一大類傳感器中又包含多個分支。以力學量傳感器為例，其分支部分列表見下：
圖3 力學量傳感器詳細分類
一個真正意義上的智能傳感器應該具有如下功能：
1)自校準、自標定和自動補償功能;2)自動采集數據、邏輯判斷和數據處理功能;3)自調整、自適應功能;4)一定程度的存儲、識別和信息處理功能;5)雙向通信、標準數字化輸出或者符號輸出功能;6)算法判斷、決策處理的功能。
傳感材料、MEMS 芯片、驅動程序和應用軟件是智能傳感器實現這些功能的核心技術，特別是 MEMS 芯片，由于其具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高并能與微處理器集成等特點，已成為智能傳感器的重要載體。 下面以常用的溫度、壓力、光學和RFID傳感器為例，介紹基于MEMS的智能傳感器技術進展。
① 智能溫度傳感器
智能溫度傳感器適用于冶金、石化、石油、化工、制藥、造紙、印染、釀造、環保、電力等行業。 當前的智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發虛擬傳感器和網絡傳感器、研制單片測溫系統等方向迅速發展。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨率的智能溫度傳感器，使用 9~12位A/D轉換器，分辨率可以達到 0.5~0.625℃。由美國Dallas半導體公司新研制的DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進制數據，分辨率高達0.03℃，測溫精度為±0.2℃。
② 智能壓力傳感器
基于 MEMS技術的智能壓力傳感器具有小型化、低成本、易集成等優點。 壓力的傳感范圍也很寬，在1kPa～100MPa 之間。可廣泛應用于微型機電系統、汽車、航空動力學、工藝控制和生物醫學等方面。當前智能壓力傳感器技術的研究熱點致力于減輕其敏感性和線性之間的矛盾，以提高傳感器精度[3]。美國柏恩Bourns研制的BPS140新型壓力傳感器性能穩定，在溫度范圍為-40°C至150°C之間使用時，總誤差為2.5%FS，產品壽命變化為0.5%FS[4]。
③ 光學傳感器
非接觸和非破壞性測量是光學傳感器的一大優勢，在電子產品檢測領域應用較多。當前CCD和CMOS圖像傳感器是兩大主流成像技術。隨著圖像傳感器技術的不斷改進，像素精度不斷提高(已經達到5μm級別)，同時對環境照度要求不斷降低。安森美推出的KAI-50140是當前市場上分辨率最高的ITCCD圖像傳感器，達到5000萬像素，具有關鍵細節成像能力和高圖像均勻性，可用于智能手機顯示屏檢測、電路板檢測和機械裝配檢測等領域。
④ RFID
RFID即射頻識別技術，俗稱電子標簽，是利用無線電信號進行自動識別特定目標并讀寫相關數據的通信技術，無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。
RFID是智能識別和數據采集（AIDC）的一種方法，也是物聯網（IoT）的重要組成部分，可應用于生產線的物流管理，如物料分揀。 近年來，RFID的研究熱點主要集中在數據的完整性與安全性，如提升數據識別的準確率，在獲取信息的同時保證用戶的隱私不被泄漏，以及利用RFID技術實現其他領域的應用，像基于RFID技術的室內定位等。
三、智能傳感器技術典型應用場景
對于制造業來說，智能傳感器是實現智能制造的基礎。大量傳統制造業在實現智能制造的轉型過程中，廣泛地在生產、檢測及物流領域采用傳感器。本文選取機械制造、汽車、高端裝備、電子、及石化、冶金等典型行業，對其中涉及到的智能傳感器應用進行介紹。
圖4 自動化生產線上的機器視覺系統
智能傳感在制造過程中的典型應用之一，體現在機械制造行業廣泛采用的數控機床中。 現代數控機床在檢測位移、位置、速度、壓力等方面均部署了高性能傳感器，能夠對加工狀態、刀具狀態、磨損情況以及能耗等過程進行實時監控，以實現靈活的誤差補償與自校正，實現數控機床智能化的發展趨勢。此外，基于視覺傳感器的可視化監控技術的采用，使得數控機床的智能監控變得更加便捷。
圖5 汽車車門檢測(圖片來源：e-works培訓資料)
汽車制造行業應用智能傳感也較多。以基于光學傳感的機器視覺為例，在工業領域的三大主要應用有視覺測量、視覺引導和視覺檢測。 在汽車制造行業，視覺測量技術通過測量產品關鍵尺寸、表面質量、裝配效果等，可以確保出廠產品合格;視覺引導技術通過引導機器完成自動化搬運、最佳匹配裝配、精確制孔等，可以顯著提升制造效率和車身裝配質量;視覺檢測技術可以監控車身制造工藝的穩定性，同時也可以用于保證產品的完整性和可追溯性，有利于降低制造成本。
高端裝備行業的傳感器多應用在設備運維與健康管理環節。 如航空發動機裝備的智能傳感器，使控制系統具備故障自診斷、故障處理能力，提高了系統應對復雜環境和精確控制的能力。基于智能傳感技術，綜合多領域建模技術和新型信息技術，構建出可精確模擬物理實體的數字孿生體，該模型能反應系統的物理特性和應對環境的多變特性，實現發動機的性能評估、故障診斷、壽命預測等，同時基于全生命周期多維反饋數據源，在行為狀態空間迅速學習和自主模擬，預測對安全事件的響應，并通過物理實體與數字實體的交互數據對比，及時發現問題，激活自修復機制，減輕損傷和退化，有效避免具有致命損傷的系統行為。
工業電子領域，在生產、搬運、檢測、維護等方面均涉及智能傳感器，如機械臂、AGV導航車、AOI檢測等裝備。 在消費電子和醫療電子產品領域，智能傳感器的應用更具多樣化。如智能手機中比較常見的智能傳感器有距離傳感器、光線傳感器、重力傳感器、圖像傳感器、三軸陀螺儀和電子羅盤等。可穿戴設備最基本的功能就是通過傳感器實現運動傳感，通常內置MEMS加速度計、心率傳感器、脈搏傳感器、陀螺儀、MEMS麥克風等多種傳感器。智能家居(如掃地機器人、洗衣機等)涉及位置傳感器、接近傳感器、液位傳感器、流量和速度控制、環境監測、安防感應等傳感器等技術。
圖6 氣體傳感器在石化行業的應用(圖片來源：威格官網)
相比離散行業，流程行業應用傳感器的環節和數量更多，特別是石化、冶金等行業，整個生產、加工、運輸、使用環節會排放較多危險性、污染性氣體，需要對一氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氨氣、環氧乙烷、丙烯、氯乙烯、乙炔等毒性氣體和苯、醛、酮等有機蒸氣進行檢測，需要大量氣體傳感器應用于安全防護，防止中毒與爆炸事故。此外，在原料配比管理、工藝參數控制、設備運維與健康管理方面均需部署大量傳感器。
傳感器的現狀與未來趨勢
目前，消費級的感應器產品已大量流入市場，消費者現在都可以看得到，摸得著。甚至可以這么說，C端的傳感器已經家喻戶曉，所有人、所有地方都可以感受到傳感器的存在。在即將發布的Google Pixel 4手機中，會搭載全新的雷達檢測，手勢操控，這些都需要消費級傳感器，配合專業的傳感技術才可以達到，還有iPhone X上的Face ID功能，也是通過多個傳感器感應并將信息傳輸到芯片或系統中而實現的。
8月24日，在重慶舉辦的2019年中國智能博覽會傳感器與物聯網高峰論壇上，中國信息通信研究院副總工程師史德年在主旨演講中提到，全球MEMS傳感器市場結構當中，消費電子占據了45%以上的份額，而未來，傳感器也會通過手機設備，在3D地圖、虛擬現實等新型場景中用于更重要的位置。
在汽車電子領域，全球平均每輛汽車包含10只傳感器，高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器。中國傳感器與物聯網產業聯盟副秘書長谷榮祥在接受DeepTech采訪時表示，汽車的傳感器在工業應用里面算是比較大的，這一塊中國和國外相比，確實差距比較大。比如說規模、汽車歷史發展、價格、品牌等，但是中國的創新動力很強，在技術上差距并不大，未來隨著汽車智能化的進一步發展，傳感器的應用將會更加廣泛。
除了消費級別的傳感器，最值得關注的就是工業智能傳感器產業發展狀況。與消費電子相比，工業傳感器在穩定性、精度、運行安全等多方面要求都要更高。
隨著新材料，新技術的廣泛應用，基于各種功能材料的新型傳感器件得到快速發展，其對制造的影響愈加顯著。未來，智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高靈敏度、高可靠性將是新型傳感器件的發展趨勢，新型傳感材料與器件將是未來智能傳感技術發展的重要方向。
圖|MEMS傳感器(來源：Electronicproducts)
根據前瞻經濟學人的統計數字表明，截止2017年，我國MEMS傳感器制造行業企業大約有135家。從產業能力來看，大多屬于初創類中小型企業，供給能力不強，除此以外，企業存在著管理問題、資金不足、科研能力弱和吸引高科技人才的能力較弱、技術能力不強等問題。
目前，在全球感應器制造供應鏈中，包括研發、設計、制造、封裝、測試、軟件、系統應用等流程，但是由于多種原因，在工業傳感器中，高度依賴進口，從研發到設計仍需要大量的投入與人才供給，而很多傳感器制造企業都是從制造開始，做著類似代工的工作。
不管從資本來說，還是整個產業人才來看，這個領域依然是小的，傳感器的技術壁高，開發周期長，社會資本把傳感器芯片項目評為高風險，導致核心技術缺乏長期投入，產業發展慢，最終導致依賴進口來源制造或加工傳感器產品，再流入中國市場。
但隨著中美關系加劇，以及貫徹落實《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，傳感器產業逐漸開始被重視起來。
2013年，工業和信息化部、科技部等四部委制定了《加快推進傳感器及智能化儀器儀表產業發展行動計劃》，提到目前是中國傳感器及智能化儀器儀表產業快速發展的關鍵時期，對于未來企業發展，國家將鼓勵、支持并培育產值超10億元的行業龍頭企業和產值5000萬元以上的“小(中)而精、精而專、專而強”的創新型企業。
中電科技集團重慶聲光電有限公司傳感器中心副主任楊靖在專訪中也提到，目前中國的傳感器產業仍跟隨政策影響，他認為國家應該去定向地去扶持一些高端的新材料、新工藝、新技術等這類傳感器，包括國內傳感器產業的空白區域，仍是有很大的市場。
傳感器產業是有希望的
從技術進展和產業發展來看，傳感器領域雖然處在高度依賴進口，高科技人才短缺等問題中，但是中國已經在不斷鼓勵傳感器企業做大做強，希望從消費品到工業領域，有更多創新的可能。
隨著互聯網行業的發展，在首屆重慶智博會上，阿里巴巴集團董事會主席馬云曾提到，未來90%的制造業將在互聯網上進行，如今中國的互聯網產業已經遙遙領先其他國家，在物聯網+5G+AI全面加持下，傳感器制造業仍有很大的市場。
圖|傳感器(來源：Gierad官方)
眾所周知，技術和產業之間是需要形成比較好的正向迭代效應，落地場景越多，產品的制造就會越來越多，產業就會變得越來越大，傳感器產業發展亦是如此。
隨著物聯網技術的不斷發展，傳感器產業未來如何發展，政府如何吸引傳感器產業園區的落地等議題，仍是需要不斷探討的。中國四聯儀器儀表集團有限公司吳朋在接受采訪時提到，希望國家有一些比較好的規劃跟一些支持的政策，把整個產業鏈拉動起來，針對未來發展，大家加把勁，發揮主要優勢，助力物聯網，傳感器產業就會變好了。
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參考：
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關于傳感器的知識技巧了，學習以上的傳感器發展簡史：傳感器技術是實現智能制造的基石！知識，對于傳感器的幫助都是非常大的，這也是新手學習機電專業所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點擊右側人工服務，我們會有專業的人士來為您解答。
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