人类第一个传感器是什么？第一个MEMS传感器是？竟然很多人不知道！

世界上第一个现代传感器，人类第一个电信号传感器，第一个温度传感器  在一些介绍传感器历史的内容中，有时候会将指南车、地动仪、日冕仪等等作为最古老的“传感器”，然而这些中国古代的伟大发明，虽然具有一定的“感知”能力，但并不具备现今我们所说的传感器特征。   国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。  传感器的概念可以追溯到19世纪初，当时科学家们开始研究电学现象，并发现电阻、电容和电感等参数的变化可以用来测量周围环境的物理量。人类最早发明的将测量信号变为电信号的现代传感器是温度传感器。17世纪初，伽利略发明了气体温度计，人类开始利用温度进行测量。   19世纪初，物理学家Thomas Johann Seebeck、Jean-Charles Peltier、William Thomson分别独立发现了热电效应，热电效应就是由温差产生电压的直接转换，且反之亦然，也即温度与电压之间存在确定的关系。   1829 年L.Nobili 根据 Seebeck 发现的热电效应制造了第⼀个热电偶和改进的温度计。这种传感器是由两个不同金属连接而成的电路，当两个金属连接处的温度不同时，就会产生电压差。根据热电偶产生的电压差的大小，可以测量温度的变化。   1831年后，M. Melloni 提出了将多个铋铜热电偶串联连接的想法，从⽽产⽣更⾼的、可测量的输出，多个热电偶连接称为热电堆，这是世界上第一个热电堆温度传感器。

▲Nobili-Mellon热电堆原型   虽然热电偶是第一个被广泛应用的温度传感器，但它的精度和稳定性相对较差，而且受到温度、材料等因素的影响较大。   五十年以后的1871年，另一位德国人西门子（Wilhelm Siemens）发明了铂电阻温度传感器，但由于温度读数不稳定，西门子的 RTD （铂电阻温度传感器）迅速失宠。   此后，1885年，英国物理学家Hugh Longbourne Callendar 开发出第一个商用成功的铂 RTD，成为第一个设计和制造适合使用的精确铂电阻温度计的人。  

因精度高稳定性好，铂电阻温度传感器目前被广泛用于医疗、电机、工业、温度计算、卫星、气象、阻值计算等高精温度设备。   在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。   随着技术的不断发展，现代温度传感器已经具备了更高的精度、更广的测量范围和更好的稳定性，应用领域也越来越广泛，如工业自动化、医疗、环境监测等。   如今温度传感器已是市场规模最大的传感器种类之一。 

▲传统温压流传感器市场份额，来源：前瞻产业研究院  第一个红外传感器，因军事而发展，最具军事价值的传感器之一  第一个红外传感器的发明可以追溯到19世纪末，1800年英国物理学家William Herschel（赫胥尔）发现了物体红外辐射和温度的关系。  这与Seebeck等人发现热电效应原理几乎同一时间，不过，直到20世纪初期，红外传感器才开始得到实际应用。 

▲William Herschel发现红外线的实验   1917年，第⼀个红外（IR）探测器由 Theodore W. Case 开发，在美国陆军的支持下，1918年被用作红外信号装置中的传感器，该红外探测器使用硫化亚铊（Tl2S）。  自 1940 年代以来，这些探测器得到了广泛的发展。硫化铅 (PbS) 是第一个实用的红外探测器。  在 20 世纪 50 年代末和 1960 年代，德州仪器、休斯飞机公司和霍尼韦尔公司开发了单元件探测器，可以扫描场景并生成线图像，这些基本探测器推动了现代热成像技术的发展。   第⼆次世界⼤战后，红外探测器技术的发展主要由军事应⽤推动，直到今天红外传感器仍是最具有军事价值的传感器种类之一。   随着技术的不断发展，现代红外传感器已经具备了更高的灵敏度、更宽的波段范围和更好的抗干扰性能。目前，红外传感器已广泛应用于医疗、安防、军事、工业、环境监测等领域。  

▲红外热成像（红外传感器）发展历程   因为红外传感器的军事价值，红外传感器技术高度敏感，是西方国家对我国制裁最严重的传感器技术之一，目前我国国防领域红外传感器基本实现国产自主研发。   而民用，在非制冷红外探测器等红外传感领域，我国已涌现出高德红外、睿创微纳、海康威视、大立科技、大华科技等一批优秀企业，完整掌握相关核心技术。  第一个MEMS传感器，开启传感器的“狂飙”时代  MEMS技术对现今传感器的普及起到关键作用，如果没有MEMS技术，传感器的微型化、集成化、低功耗等将难以做到，而物联网、智能手机、汽车等发展也将严重滞后。目前，MEMS传感器已占到所有传感器市场份额的约一半以上。   1959年美国物理学家Richard Feynman（理查德费曼），在他著名的演讲“底部有足够的空间”中，提出了将机器小型化到原子和分子尺度的想法。然而，直到 20 世纪 80 年代和 90 年代，MEMS 技术才开始得到开发和商业化。  1962年，微小器件的先驱——第一个硅微压力传感器问世，开创了MEMS技术的先河，也是MEMS微传感器的起始点。霍尼⻙尔研究中⼼和⻉尔实验室的相关论文显示，他们发明了第⼀个硅隔膜压⼒传感器和应变计。  此后，⼈们对MEMS传感器技术的兴趣急剧增⻓，到 1960 年代后期，许多美国先驱公司已经开始生产第一批MEMS压力传感器。  

▲理查德•费曼  第一个真正大规模商业化的 MEMS 传感器是加速度计，它由美国ADI公司（亚德诺）于 1991 年发明。该传感器基于电容传感原理，传感器的输出信号可用于测量加速度或倾斜度。   这个MEMS加速度传感器主要用于汽车安全气囊中，此前汽车安全气囊用传统传感器一只售价20美元，而ADI的MEMS加速度传感器售价约为每个5美元，这使安全气囊电子装置的成本降低了75%左右。   此后，MEMS技术发展迅速，广泛应用于陀螺仪、压力传感器、磁传感器、麦克风等传感器领域。MEMS传感器与传统传感器相比具有许多优势，例如体积更小、功耗更低、精度更高、成本更低。它们促进了消费电子、汽车、医疗保健和航空航天等领域的许多新应用的开发。   目前，据Yole的MEMS市场调研报告显示，MEMS射频器件、MEM压力传感器、MEMS惯性传感器（含加速度计和陀螺仪）等为主要的MEMS传感器种类。  

第一个CMOS图像传感器：中国人参与贡献  图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器，由于CMOS图像传感器具有集成度高、标准化程度高、功耗低、成本低、体积小、图像信息可随机读取等一系列优点，从20世纪90年代开始被重视并获得大量研发资源，其市场份额占比逐年提升。  目前CMOS图像传感器在图像传感器市场中占据主导地位，2020年，全球图像传感器市场中，CMOS图像传感器占比为83.2%；CCD图像传感器占比为16.8%，并且CCD图像传感器市场在不断萎缩。  

1963年Morrison发表了可计算传感器，这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构，成为CMOS图像传感器发展的开端。   据科技老兵戴辉《CMOS图像传感器35年史和中国人的关键贡献》文中介绍，1989 年，英国爱丁堡大学的Peter Denyer教授、David Renshaw博士，和当时在爱丁堡大学做科研的王国裕和陆明莹联袂发表了一篇论文，报道了CMOS 图像传感器（CIS）的工作。   1990年底，芯片流片成功，英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片 CMOS 图像传感器件（备注：ASIC IMAGE SENSOR），并成功进行了演示，从此开创了一个新世界。 此外，王国裕开发了国内第一个单片CMOS摄像芯片、国际上第一个高分辨率CMOS摄像芯片（40万像素）、国内第一个同时带有全电视信号输出和数字信号输出的单片CMOS摄像芯片、国内第一个单片CMOS彩色摄像芯片。并以单片CMOS摄像芯片为核心，开发出国内第一个微型摄像头（曾在公交车上大量使用）和国内第一个电脑眼。  目前CMOS图像传感器是市场规模最大的传感器领域之一，全球CMOS图像传感器市场中，中国企业具有一定影响力。   其中，豪威科技（Omnivision）排名全球第3中国第一，占据全球13%市场份额，豪威科技也是全球最早成功量产商业CMOS图像传感器的企业之一。格科微（Galaxycore）排名全球第5中国第二，占据全球4%市场份额，思特威（Smartsens）排名全球第7中国第三，占据全球2%市场份额。

▲来源：Yole  第一个压力传感器  “压力”一词最早在1648年由法国科学家帕斯卡提出，压强单位帕斯卡（符号Pa或Pascal）即以其名字命名。   第一个压力传感器的发明可以追溯到17世纪，当时英国物理学家Robert Boyle发现了气体压力与体积的反比关系，并用一个装置测量了气体压力。不过，这个装置并不是真正意义上的压力传感器。  1930年，Graeff（格拉夫）发明第一支压力传感器转换机构，在此机构中，膜片、弹簧或Bourdon管的移动量变为电量部分，压力膜片成为电容部分，指示器可动机构成为电位计分支。 真正意义上的压力传感器追溯到1938年，当时美国物理学家Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge分别独立发明了一种名为“电阻应变片”的装置，可以将受力变形转化为电阻值的变化。这种装置后来被用于制造压力传感器，也被称为“应变式压力传感器”。   值得一提的是，直到1974年，我国才研制成功第一个实用压阻式压力传感器。  应变式压力传感器的工作原理是基于材料的弹性变形特性，当材料受到力的作用时，会产生微小的变形，从而改变电阻值。通过测量电阻值的变化，可以计算出受力的大小。

▲应变式压力传感器   随着技术的不断发展，现代压力传感器已经具备了更高的精度、更广的测量范围和更好的稳定性，应用领域也越来越广泛，如工业自动化、汽车、航空航天等。  第一个车规级量产激光雷达，中国厂商后来居上  激光雷达LiDAR 使用脉冲激光以与雷达类似的方式测量距离，在测量测绘领域已使用多年。   1968年，美国 Syracuse 大学的 Hickman 和 Hogg建造了世界上第一个激光海水深度测量系统。  20世纪70年代末，美国国家航空航天局（NASA）成功研制出一种具有扫描和高速数据记录能力的机载海洋激光雷达。   1990年德国 Stuttgart 大学 Ackermann 教授领衔研制的世界上第一个激光断面测量系统，这一系统成功将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成机载激光扫描仪。   1993年，德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan ALTM 1020。1995年，机载激光雷达设备实现商业化生产。  2014年，第一届DARPA挑战赛开始，激光雷达在自动驾驶行业首次崭露头角。  2017年，奥迪发布全球首款量产的L3级自动驾驶汽车（A8）并搭载法雷奥的第一代混合固态激光雷达SCALA。SCALA成为全球第一个完成车规量产认证的激光雷达，采用单轴转镜的混合固态激光雷达。  中国传感器厂商虽然进入激光雷达领域相对较晚，但目前全球激光雷达市场中，以禾赛科技、速腾聚创、华为、大疆览沃等为代表的中国激光雷达企业，已占据一定市场份额。  

▲来源：Yole  结语  我国传感器产业起步较晚，20世纪60年代开始涉足传感器制造业。   我国在1972年组建成立中国第一批压阻传感器研制生产单位；1974年，研制成功中国第一个实用压阻式压力传感器；1978年，诞生中国第一个固态压阻加速度传感器；1982年，国内最早开始硅微机械系统(MEMS)加工技术和SOI(绝缘体上硅)技术的研究。   我国有古老的四大发明，但在近现代重要的科学技术发明中，我国的贡献寥寥无几，如传感器等信息科技基础技术，中国的贡献极少，产业仍处于落后的追赶状态。   然而，随着我国科学水平的发展，如今在一些新兴传感器领域，譬如量子传感等，并不落后于世界先进水平，相信未来会有更多传感器技术进步第一，诞生在中国。    您对本文有什么看法？欢迎在传感器专家网公众号本内容底下留言讨论，或在中国最大的传感社区：传感交流圈中进行交流。

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审核编辑 黄宇