常见传感器的应用和原理

传感器（Sensor）是指将收集到的信息转换成设备能处理的信号的元件或装置。

人类会基于视觉、听觉、嗅觉、触觉获得的信息进行行动，设备也一样，根据传感器获得的信息进行控制或处理。

传感器收集转换的信号（物理量）有温度、光、颜色、气压、磁力、速度、加速度等。

这些利用了半导体的物质变化，除此之外，还有利用酶和微生物等生物物质的生物传感器。

能够感受诸如力，温度，光，声，化学成分等物理量，并能把他们按照一定的规律转化为便于传送和处理的里一个物理量（通常是电流，电压等电学量）或转换为电路的通断。

把非电学量转换为电学量，就可以很方便的进行测量，传输，处理和控制了。

传感器原理

传感器感受的通常是非电学量，如压力、温度、位移、浓度、速度、酸碱度等。

而它输出的通常是电学量，如电压值、电流值、电荷量等，这些输出信号是非常微弱的，通常要经过放大后，再送给控制系统产生各种控制动作，传感器原理如图所示。

传感器应用的一般模式

常见传感器的应用

光敏传感器——火灾报警器

1、光敏电阻在被光照射时电阻发生变化，这样光敏电阻可以把光照强弱转换为电阻大小这个电学量。

2、光敏传感器的电阻随光照的增强而减小

光敏电阻一般由半导体材料做成，当半导体材料受到光照或者温度升高时，会有更多的电子获得能量成为自由电子，同时也形成更多的空穴，于是导电性能明显增强。

温度传感器的应用——电熨斗

由半导体材料制成的热敏电阻和金属热电阻均可制成温度传感器，它可以把热信号转换为电信号进行自动控制。

（1）电熨斗的构造：

（2）电熨斗的自动控温原理：其内部装有双金属片温度传感器，如上图所示。

常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小。

则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热。温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。

测定压力的电容式传感器

当待测压力F作用于可动膜片电极上时，可使膜片产生形变，从而引起电容的变化。

如果将电容器与灵敏电流计、电源串联，组成闭合电路，当F向上压膜片电极时，电容器的电容将增大。电流计有示数，则压力F发生了变化（如图所示）

相比而言，金属热电阻化学稳定性好，测温范围大，而热敏电阻的灵敏度较好。

力传感器的应用——电子秤

（1）组成：由金属架和应变片组成

（2）电子秤的工作原理：如图所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定。

在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲，上表面拉伸，下表面压缩，上表面应变片的电阻变大，下表面的电阻变小。

F越大，弯曲形变越大，应变片的阻值变化就越大，如果让应变片中通过的电流保持恒定，那么上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小，传感器把这两个电压的差值输出．外力越大．输出的电压差值也就越大。

声传感器的应用——话筒

（1）动圈式话筒的原理：

话筒是把声音转变为电信号的装置。

下图是动圈式话筒的构造原理图，它是利用电磁感应现象制成的。

当声波使金属膜片振动时，连接在膜片上的线圈（叫做音圈）随着一起振动。

下图话筒的原理图音圈在永磁铁的磁场里振动，其中就产生感应电流（电信号）。

感应电流的大小和方向都变化，振幅和频率的变化由声波决定．这个信号电流经扩音器放大后传给扬声器，从扬声器中就发出放大的声音。

（2）电容式话筒的原理：

如图所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。

当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。其优点是保真度好。

（3）驻极体话筒：

①极化现象：将电介质放入电场中，在前后两个表面上会分别出现正电荷与负电荷的现象。

②驻极体：某些电介质在电场中被极化后．去掉外加电场，仍然会保持被极化的状态，这种材料称为驻极体。

③原理：同电容式话筒．只是其内部感受声波的是驻极体塑料薄膜。

④特点：体积小．重量轻，价格便宜，灵敏度高．工作电压低，只需3～6V

霍耳元件

1、如图所示，厚度为d的导体板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中。

当恒定电流I通过导体板时，导体板的左右侧面出现电势差，这种现象称为霍耳效应。

在这个矩形半导体上制作四个电极EFMN就成为一个霍耳元件，能够把磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量。

2、霍耳电压  

①其中k为比例系数，称为霍耳系数，其大小与薄片的材料有关。

②一个霍耳元件的d、k为定值，再保持I恒定，则的变化就与B成正比，因此霍耳元件，又称磁敏元件。

3、工作原理

霍耳元件就是利用霍耳效应来设计的。一个矩形半导体薄片，在其前、后、左、右分别引出一个电极。

如图所示，沿EF方向通入电流I，垂直于薄片加匀强磁场B，则在MN间会出现电势差U，设薄片厚度为d，EF方向长度为l1，MN方向为l2。

薄片中的带电粒子受到磁场力发生偏转，使N侧电势高于M侧，造成半导体内部出现电场，带电粒子同时受到电场力作用。

当磁场力与电场力平衡时，MN间电势差达到恒定。

再根据电流的微观解释

整体得：

令    其中n为材料单位体积的带电粒子个数，q为单个带电粒子的电荷量。

则有

可见，U与B成正比这就是为什么霍耳元件能把磁学量转换成电学量的原因。

目前中国传感器行业技术水平在全球范围内处于中上水平。在加速传感器、陀螺仪、指南针、气压传感器、温度传感器、湿度传感器等传感器领域，中国传感器行业均有自主研发能力。在高端传感器领域，中国传感器行业目前在全球范围内处于领先地位。在生物传感器、化学传感器、纳米传感器等领域，中国传感器行业目前处于起步阶段。总的来说，中国传感器行业技术现状较好，有较大的发展潜力。

传感器历经了多年的发展，其技术的发展大体可分三代：

第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。

第二代是上70年代发展起来的固体型传感器，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。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。

第三代传感器是正在发展的智能型传感器，它是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有一定的人工智能。

美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，美国早在80年代初就成立了国家技术小组（BGT），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有6项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的对项关键技术之中，8项就为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。

美国发展模式走的先军工后民用、先提高后普及的路子。有显著特点：

（一）非常重视传感器功能材料研究；

（二）对传感器技术开发十分重视： 例如美国霍尼威尔公司的固态传感器发展中心每年用于设备投资就有5000万美元,目前拥有包括计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器,对步重复照像、自动涂胶和光刻、等离子刻蚀、溅射、扩散、外延、蒸镀、离子注入化学气相沉积、扫描电镜、封装和屏蔽动态测试等最先进的成套设备和生产线,而且是大约每三年左右就要更新其中大部分仪器设备,声称只有这样,才能保证其技术领先水平。

（三）重视工艺研究：传感器原理不难,也不保密,而最保密的是工艺。有不少评价“传感器”不是一般的工业产品,而是一种完美的工艺品之佳作。研发方面，美国约有1,300家生产和开发传感器的厂家，100多个研究院所和院校。

从应用领域来看，工业、汽车电子、通信电子、消费电子四部分是传感器最大的市场。国内工业和汽车电子产品领域的传感器占比约42%左右，而发展最快的是汽车电子和通信电子应用市场。

智能汽车和无人驾驶是驱动MEMS传感器发展的重要动力。在智能汽车时代，将会使用大量的MEMS运动传感器实现主动安全技术：语音将成为人与智能汽车的重要交互方式，MEMS麦克风将迎来发展新机遇。自动驾驶技术的兴起，进一步推动了MEMS传感器进入汽车。

此外，MEMS传感器也是智能工厂的“心脏”，从这个层面上讲，它是工业机器人变得“神通广大”的利器。它让产品生产流程持续运行，并让工作人员远离生产线和设备，保证人身安全和健康。据预测，未来六年，MEMS在工业市场预计将以7.3%的复合年增长率快速增长。

MEMS的全称是微型电子机械系统(Micro Electromechanical System)，利用半导体制造工艺和材料，将传感器、执行器、机械机构、信号处理和控制电路等集成于一体的微型器件或系统，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS主要包含两个部分：传感器和执行器。

与传统的机械传感器相比，MEMS传感器具有体积小、集成化、智能化、低成本等优点，可以满足物联网时代对于传感器的要求。MEMS 传感器种类很多，也有多种分类方法。按其工作原理，大致可分为MEMS物理、化学和生物传感器，其中每一种MEMS传感器又可分为很多种小类，不同的MEMS 传感器可以测量不同的量，实现不同的功能。

MEMS将无所不能 图源：yole

随着制程技术不断突破，微机电系统(MEMS)传感器已可在极小尺寸下，同时兼顾功耗、精度及可靠性要求，因而应用领域已开始由汽车和消费性电子，迅速蔓延至各种穿戴式应用，实现视觉、听觉、触觉、嗅觉，甚至味觉等各种人体的感知功能，成为人们的数位新感官。

图源：yole

目前，嗅觉类气体传感器技术和产品不断迭代，市场规模持续增长。2020年，全球气体传感器总体规模约为11-12亿美元，预计到2026年将达到22亿美元规模，年复合增长率约为10.9%。

根据市场咨询公司Yole Development和Mordor Intelligence统计，全球气体传感器市场中，电化学、红外、半导体技术共同占据了95%以上的市场份额，其中，应用电化学、半导体技术的气体传感器占比分别达44.2%、38.3%，应用红外技术的气体传感器占有15.1%。2018年应用电化学、红外和催化燃烧技术的气体传感器市场份额提升，而应用半导体技术的气体传感器份额显著下降。

MEMS的增长可以通过新兴技术和机遇来实现，其中一些值得注意的技术和机遇是可穿戴设备中的麦克风和惯性 MEMS，尤其是 TWS耳机。MEMS微型扬声器，应该首先在TWS入耳式设计中展示其优势，取代旧的电动或平衡电枢扬声器。基于MEMS的传感器位移OIS。这可以取代首次在iPhone 12 Pro的相机模块中使用的基于PCB的灵活传感器移位。它也可能进入其他手机或消费设备中的其他相机模块。

再者，Apple正在推动3D Audio，有可能会采用到Android设备，这或许会导致对IMU的需求激增。PMUT设备用于超声波指纹识别，还可用作智能手机和汽车中物理按钮和触觉的替代品。CMUT 设备对于接近 PoC 的低成本超声成像的消费化也非常有希望。

另外，空气质量检测等也成为用户关心的地方，气体传感器和环境组合有助于监测用户周围的室内和室外空气质量。随着用于AR/VR和LIDAR应用的光学MEMS（微镜）的兴起，压电MEMS 是具有增长潜力的设备。Yole指出，ICE（内燃机）汽车的数量正在减少，这对于正在开发汽车压力传感器业务的MEMS供应商来说应该是值得关注的。

从MEMS器件方面来看，Yole预计，整体MEMS器件市场在2020年至2026年将以7.2%的年复合增长率增长，到2026年全球MEMS器件市场空间将达到182亿美元。在这其中，射频（RF）MEMS器件占大头。

2020年射频MEMS器件有20.05亿美元市场，到2026年约有40.4亿美元市场空间；

喷墨头（Inkjet heads）2020年约有8.42亿美元市场，2026年约是9亿美元市场空间；

压力（Pressure）MEMS器件2020年有17.68亿美元市场，到2026年大约是23.62亿美元市场空间；

麦克风（Microphones）MEMS 2020年约有13.8亿美元市场，2026年约是18.71亿美元市场空间；

加速度计（Accelecometers）2020年约有11.34亿美元市场，2026年约是13.94亿美元市场空间；

陀螺仪（Gyroscopes）2020年约有5.84亿美元市场，2026年约是4.81亿美元市场空间；

磁传感器（Magnetometers）2020年约有1.76亿美元市场，2026年约是1.82亿美元市场空间；

惯性器件（Inertial combos）2020年约有15.03亿美元，2026年约有21.27亿美元市场空间；

热电堆（Thermopiles）2020年约有1.99亿美元，2026年约有3.38亿美元市场空间；

微型测辐射热仪（Microbolometers）2020年约有6.01亿美元，2026年约有7.53亿美元市场空间；

光学器件（Optical）2020年约有5.3亿美元，2026年约有9.16亿美元市场空间；

微流体（Microfluidics）2020年约有1.99亿美元，2026年约有3.95亿美元市场空间；

振荡器（Oscillators）2020年约有1.42亿美元，2026年约有3.85亿美元市场空间；

环境传感器（Environmental）2020年约有0.72亿美元，2026年约有2.04亿美元市场空间；

新一代传感器（Future）2020年约有5.46亿美元，2026年约有13.63亿美元市场空间；

2020-2026年 MEMS行业收入与CAGR 图源：yole

MEMS公司分为IDM、fabless和Foundry三类，与半导体类似。因此，MEMS代工厂的存在也是不可或缺的。瑞典的Silex Microsystems 是顶级的 MEMS 代工厂，Teledyne DALSA 位居第二，索尼位居第三。台积电位居第4位，X-Fab位居第5位。除索尼外，罗姆在日本企业中排名第13位。

国内厂商已具备主流 MEMS 器件生产能力。从国内 MEMS 产品晶圆需求结构来看，麦克风、压 力、打印头、加速度、射频器件已经有了相当的占比，6 寸片和 8 寸片需求合计分别占比 31%、 19%、11%、6%、7%。

国内传感器一方面表现为传感器在感知信息方面的落后，另一方面，则表现为传感器自身在智能化和网络化方面的技术落后。由于没有形成足够的规模化应用，导致国内的传感器不仅技术低，而且价格高，在市场上很难有竞争力。

中国大致从1980年以后开始重视传感器技术的研究。经过多年的努力，在传感器研究方面的发展水平还算是比较好的。但是，在产品化方面的技术进步还不是很理想，很多传感器技术，其实国内的实验室研究水平并不是很差，可惜未能充分利用，没有转化为进入市场的成熟产品。

传感器技术的研究需要比较长时间的投入，一款传感器的研发，要6年-8年才能成熟，一般中国企业都承受不了这么长的周期。中国企业更难以承受失败，而传感器的研究失败的风险很高。

目前从材料、器件、系统到网络我国已形成较为完整的传感器产业链。在网络接口、传感器与网络通信融合、物联网体系架构等方面取得较大进展。但产业档次偏低、企业规模小、技术创新能力差，很多企业只是引进国外元件进行加工，同质化严重。而生产装备落后、工艺不稳定等造成产品指标分散、稳定性差。

目前我国传感器产品约6000种左右，而国外已达20000多个，远远满足不了国内市场需求。中高端传感器进口占比达80%，传感器芯片进口更是达90%，国产化缺口巨大。

其中数字化、智能化、微型化等高新技术产品严重短缺。国家重大装备所需高端产品主要依赖进口。而涉及国家安全和重大工程所需的传感器及智能化仪器仪表，国外对我国往往采取限制。外资企业产品占据国内高端市场绝大多数的市场份额，并将会在今后很长一段时间内持续把持高端市场，这种势头在短期内不会得到根本转变。

经过多年开发，虽然研制出一批工艺和产品，但由于批产工艺的稳定性、可靠性问题没有得到根本解决，限制了其应用领域和产业的发展有些高性能产品，不是靠工艺保证，而是靠筛选分档。从技术角度看，由于国内传感器生产工艺与工艺设备相对落后，微机械加工技术和封装技术不够先进，手工操作比较多，检测手段不规范等等，造成主要性能指标和国外差1-2个数量级，使用寿命差2-3级。因此，在化工、电站、冶金、石油、环保、机械等领城重大工程中，许多高性能传感器仍依赖于进口。

编辑：黄飞