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传感器发展简史：传感器技术是实现智能制造的基石！

近年来，随着随着物联网、5G、人工智能等技术的不断发展和成熟，我国传感器市场需求不断增长，呈现出多元化的发展态势，未来随着5G+物联网在各个垂直行业的有序落地，传感器市场的发展潜力将得到大幅提升。

自传感器诞生以来，不断在各式各样的产品和技术上进行内嵌与应用，已经成为了终端设备当中不可缺少的组成部分。随着时间的推移，互联网时代的发展，尽管传感器开始与物联网结合，形成智能化协同部分。但大众突然发现，传感器市场仍处于小规模，无大品牌，很大程度上依赖进口等等窘境。在刚刚结束的2019重庆智博会中国智能博览会传感器与物联网高峰论坛上，多位专家群起献策，商讨传感器产业的变局。本文将从技术和产业两个角度，来回顾一下传感器发展的历程和现状，并通过与专家的采访和商讨，分析这个领域未来的行业趋势，希望能帮助更多人了解传感领域，并且对工业传感器有更多的认知。

科技，让人类的能力圈不断扩大。如果说，机械延伸了人类的体力，计算机延伸了人类的智力，那么，无处不在的传感器，大大延伸了人类的感知力。

工业生产中，传感器的作用越来越重要，特别在万物互联的趋势下，智能传感器得到了前所未有的重视。智能传感器作为智能制造的基础，已经悄然应用到各行各业。传感器与通信、计算机被称为现代信息技术的三大支柱和物联网基础，其应用涉及国民经济及国防科研的各个领域，是国民经济基础性、战略性产业之一。当前倍受国际关注的物联网、大数据、云计算技术，乃至智慧城市中的各种技术实现，对于传感器技术的需求也是巨大。

传感器，不是KOC那种的新造词，而是一个非常传统的常用词汇，大家在新华词典中就可以轻松找到。英文称Sensor或是Transducer。“传感器”在新韦式大词典中定义为：“从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器-Transducer”来称谓“传感器-Sensor”。

简单来说，传感器就是一种检测装置，通常由敏感元件和转换元件组成，可以测量信息，也可以让用户感知到信息。通过变换方式，让传感器中的数据或价值信息转换成电信号或其他所需形式的输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

图|传感器(来源：Gierad官方)

其实，传感器一直存在于你的生活中，小到遥控器、台灯、手机按钮，大到电视、锅炉检测、电网传输、医疗器械诊断等，覆盖大大小小不同的场景，也可以这样说，传感技术和传感器是产品当中必不可少的一部分。

从技术和应用类型来看，传感器分为温度、压力、超声波、流量、电阻、图像传感器等;从学科来看，包含声光电等，传感器还分为化学、物理、生物传感器等;从产业布局上来看，分为消费级、汽车电子、工业级、医疗传感器四种。自1883年全球第一台恒温器上市以来，传感器就以各种形式存在了相当长的一段时间。并且随着时间的发展，IoT和AI技术不断进步情况下，智能传感器被推向了市场，在物联网技术项目中得到广泛的应用。

作为科技产业风向标榜单，在去年和今年的《麻省理工科技评论》TR10(全球十大突破性技术)中，相关的传感技术被多次提及，“传感城市”就是其中最为代表性的突破性技术之一。DeepTech曾提到，将大量的智能传感器融入整个城市场景当中，就如同给其装上全新的数字肢体和感官，万物实现互联、可感、可控，城市的运行将由一个无比强大的AI接管。从目前的情况来看，传感技术仍在广泛用于相关产品落地和城市规划用途。

图|“传感城市”新技术(来源：DeepTech)

当然，传感器仍有其他的严峻挑战，由于投资较高，相比欧美的传感器和传感技术应用，中国的部分传感器和传感技术仍处于相对落后状态。

工业和信息化部原副部长、中国传感器与物联网产业联盟名誉理事长杨学山曾在演讲中表示，虽然传感技术在不断进步，但由于中国传感器产业起步较晚，缺乏相关优秀人才，导致中国的传感器与传感技术仍依赖进口，中国自主科技创新以及高端领域的传感器产品都处于空白状态。

本文将从技术和产业两个角度，来回顾一下传感器发展的历程和现状，并分析一些未来趋势。

传感器和传感技术历程

1883年，全球首台恒温器正式上市，一个名为Warren S.Johnson的发明者创造了它。这款恒温器能够将温度保持在一定程度的精确度，就是利用了传感器和传感技术，在当时看来，是非常厉害的一项技术。

图|全球首台恒温器(来源：what-is-a-sensor网站)

到了20世纪40年代末，第一款红外传感器问世。随后，许许多多的传感器不断被催生出来，直到现在，全球大概有35000种以上的传感器，数量和用途上非常繁杂，可以说，现在是传感器和传感技术最为火热的一个时期。

根据国标GB/T 7665-2005，传感器是“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。  

之后，传感器的发展被划分为三个阶段：

● 第一阶段 始于20世纪50年代，结构型传感器出现，它利用结构参量变化来感受和转化信号。

●第二阶段 始于20 世纪70年代，固体型传感器逐渐发展，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成。利用材料的热电效应、霍尔效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器等。

●第三阶段 由 20 世纪末开始，智能型传感器出现并快速发展。它是计算机技术与检测技术相结合的产物，能够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，是当前传感器的主流。

智能传感器是指具有信息采集、信息处理、信息交换、信息存储等功能的多元件集成电路，是集传感单元、通信芯片、微处理器、驱动程序、软件算法等于一体的系统级产品。

智能传感器基本结构如下图所示，一般包含传感单元、计算单元和接口单元。传感单元负责信号采集，计算单元根据设定对输入信号进行处理，再通过网络接口与其他装置进行通信。智能传感器的实现可以采用模块式 (将传感器、信号调理电路和带总线接口的微处理器组合成一个整体)、集成式(采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术将敏感元件、信号调理电路、接口电路和微处理器等集成在同一块芯片上)或混合式(将传感器各环节以不同的组合方式集成在数块芯片上并封装在一个外壳中)等结构。

图 1智能传感器基本结构

1987年，ADI(亚德诺半导体)开始投入全新的传感器研发，这种传感器与其他不太一样，名叫MEMS传感器，是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。而ADI是业界最早做MEMS研发的公司。

1991年，ADI发布了业界第一颗High-g MEMS器件，主要用于汽车安全气囊碰撞监测。而后众多MEMS传感器被广泛研发，用在手机、电灯、水温检测等精密仪器上，截止到2010年，全世界有大约600余家单位从事MEMS的研制和生产工作。

随着云计算、5G、大数据、AI技术以及物联网技术的爆发，智能传感器和智能传感技术逐渐被提及起来，大量的可穿戴式设备中含有多种生物以及环境智能感应器，用以采集人体及环境参数，实现对穿戴者运动健康的管理，其传感器更高的精度使得设备更加可靠。

传感器技术是实现智能制造的基石。在当前智能时代的推动下，高性能、高可靠性的多功能复杂自动测控系统以及基于射频识别技术的物联网的兴起与发展，愈发凸显了具有感知、认知能力的智能传感器的重要性及其快速发展的迫切性。

智能传感器沿用较为通用的分类方法，依据被测量的不同，一般分为物理量智能传感器、化学量智能传感器和生物量智能传感器三大类。

图2 智能传感器分类

其中，物理量智能传感器根据被测物理量，可简单归纳为力、热、声、光、电、磁六大类。每一大类传感器中又包含多个分支。以力学量传感器为例，其分支部分列表见下：

图3 力学量传感器详细分类

一个真正意义上的智能传感器应该具有如下功能：

1)自校准、自标定和自动补偿功能;2)自动采集数据、逻辑判断和数据处理功能;3)自调整、自适应功能;4)一定程度的存储、识别和信息处理功能;5)双向通信、标准数字化输出或者符号输出功能;6)算法判断、决策处理的功能。

传感材料、MEMS 芯片、驱动程序和应用软件是智能传感器实现这些功能的核心技术，特别是 MEMS 芯片，由于其具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高并能与微处理器集成等特点，已成为智能传感器的重要载体。下面以常用的温度、压力、光学和RFID传感器为例，介绍基于MEMS的智能传感器技术进展。

①智能温度传感器

智能温度传感器适用于冶金、石化、石油、化工、制药、造纸、印染、酿造、环保、电力等行业。当前的智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等方向迅速发展。目前，国外已相继推出多种高精度、高分辨率的智能温度传感器，使用 9~12位A/D转换器，分辨率可以达到 0.5~0.625℃。由美国Dallas半导体公司新研制的DS1624型高分辨力智能温度传感器，能输出13位二进制数据，分辨率高达0.03℃，测温精度为±0.2℃。

② 智能压力传感器

基于 MEMS技术的智能压力传感器具有小型化、低成本、易集成等优点。压力的传感范围也很宽，在1kPa～100MPa 之间。可广泛应用于微型机电系统、汽车、航空动力学、工艺控制和生物医学等方面。当前智能压力传感器技术的研究热点致力于减轻其敏感性和线性之间的矛盾，以提高传感器精度[3]。美国柏恩Bourns研制的BPS140新型压力传感器性能稳定，在温度范围为-40°C至150°C之间使用时，总误差为2.5%FS，产品寿命变化为0.5%FS[4]。

③ 光学传感器

非接触和非破坏性测量是光学传感器的一大优势，在电子产品检测领域应用较多。当前CCD和CMOS图像传感器是两大主流成像技术。随着图像传感器技术的不断改进，像素精度不断提高(已经达到5μm级别)，同时对环境照度要求不断降低。安森美推出的KAI-50140是当前市场上分辨率最高的ITCCD图像传感器，达到5000万像素，具有关键细节成像能力和高图像均匀性，可用于智能手机显示屏检测、电路板检测和机械装配检测等领域。

④ RFID

RFID即射频识别技术，俗称电子标签，是利用无线电信号进行自动识别特定目标并读写相关数据的通信技术，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

RFID是智能识别和数据采集（AIDC）的一种方法，也是物联网（IoT）的重要组成部分，可应用于生产线的物流管理，如物料分拣。近年来，RFID的研究热点主要集中在数据的完整性与安全性，如提升数据识别的准确率，在获取信息的同时保证用户的隐私不被泄漏，以及利用RFID技术实现其他领域的应用，像基于RFID技术的室内定位等。

三、智能传感器技术典型应用场景

对于制造业来说，智能传感器是实现智能制造的基础。大量传统制造业在实现智能制造的转型过程中，广泛地在生产、检测及物流领域采用传感器。本文选取机械制造、汽车、高端装备、电子、及石化、冶金等典型行业，对其中涉及到的智能传感器应用进行介绍。

图4 自动化生产线上的机器视觉系统

智能传感在制造过程中的典型应用之一，体现在机械制造行业广泛采用的数控机床中。现代数控机床在检测位移、位置、速度、压力等方面均部署了高性能传感器，能够对加工状态、刀具状态、磨损情况以及能耗等过程进行实时监控，以实现灵活的误差补偿与自校正，实现数控机床智能化的发展趋势。此外，基于视觉传感器的可视化监控技术的采用，使得数控机床的智能监控变得更加便捷。

图5 汽车车门检测(图片来源：e-works培训资料)

汽车制造行业应用智能传感也较多。以基于光学传感的机器视觉为例，在工业领域的三大主要应用有视觉测量、视觉引导和视觉检测。在汽车制造行业，视觉测量技术通过测量产品关键尺寸、表面质量、装配效果等，可以确保出厂产品合格;视觉引导技术通过引导机器完成自动化搬运、最佳匹配装配、精确制孔等，可以显著提升制造效率和车身装配质量;视觉检测技术可以监控车身制造工艺的稳定性，同时也可以用于保证产品的完整性和可追溯性，有利于降低制造成本。

高端装备行业的传感器多应用在设备运维与健康管理环节。如航空发动机装备的智能传感器，使控制系统具备故障自诊断、故障处理能力，提高了系统应对复杂环境和精确控制的能力。基于智能传感技术，综合多领域建模技术和新型信息技术，构建出可精确模拟物理实体的数字孪生体，该模型能反应系统的物理特性和应对环境的多变特性，实现发动机的性能评估、故障诊断、寿命预测等，同时基于全生命周期多维反馈数据源，在行为状态空间迅速学习和自主模拟，预测对安全事件的响应，并通过物理实体与数字实体的交互数据对比，及时发现问题，激活自修复机制，减轻损伤和退化，有效避免具有致命损伤的系统行为。

工业电子领域，在生产、搬运、检测、维护等方面均涉及智能传感器，如机械臂、AGV导航车、AOI检测等装备。在消费电子和医疗电子产品领域，智能传感器的应用更具多样化。如智能手机中比较常见的智能传感器有距离传感器、光线传感器、重力传感器、图像传感器、三轴陀螺仪和电子罗盘等。可穿戴设备最基本的功能就是通过传感器实现运动传感，通常内置MEMS加速度计、心率传感器、脉搏传感器、陀螺仪、MEMS麦克风等多种传感器。智能家居(如扫地机器人、洗衣机等)涉及位置传感器、接近传感器、液位传感器、流量和速度控制、环境监测、安防感应等传感器等技术。

图6 气体传感器在石化行业的应用(图片来源：威格官网)

相比离散行业，流程行业应用传感器的环节和数量更多，特别是石化、冶金等行业，整个生产、加工、运输、使用环节会排放较多危险性、污染性气体，需要对一氧化碳、二氧化硫、硫化氢、氨气、环氧乙烷、丙烯、氯乙烯、乙炔等毒性气体和苯、醛、酮等有机蒸气进行检测，需要大量气体传感器应用于安全防护，防止中毒与爆炸事故。此外，在原料配比管理、工艺参数控制、设备运维与健康管理方面均需部署大量传感器。

传感器的现状与未来趋势

目前，消费级的感应器产品已大量流入市场，消费者现在都可以看得到，摸得着。甚至可以这么说，C端的传感器已经家喻户晓，所有人、所有地方都可以感受到传感器的存在。在即将发布的Google Pixel 4手机中，会搭载全新的雷达检测，手势操控，这些都需要消费级传感器，配合专业的传感技术才可以达到，还有iPhone X上的Face ID功能，也是通过多个传感器感应并将信息传输到芯片或系统中而实现的。

8月24日，在重庆举办的2019年中国智能博览会传感器与物联网高峰论坛上，中国信息通信研究院副总工程师史德年在主旨演讲中提到，全球MEMS传感器市场结构当中，消费电子占据了45%以上的份额，而未来，传感器也会通过手机设备，在3D地图、虚拟现实等新型场景中用于更重要的位置。

在汽车电子领域，全球平均每辆汽车包含10只传感器，高档汽车中，大约采用25至40只MEMS传感器。中国传感器与物联网产业联盟副秘书长谷荣祥在接受DeepTech采访时表示，汽车的传感器在工业应用里面算是比较大的，这一块中国和国外相比，确实差距比较大。比如说规模、汽车历史发展、价格、品牌等，但是中国的创新动力很强，在技术上差距并不大，未来随着汽车智能化的进一步发展，传感器的应用将会更加广泛。

除了消费级别的传感器，最值得关注的就是工业智能传感器产业发展状况。与消费电子相比，工业传感器在稳定性、精度、运行安全等多方面要求都要更高。

随着新材料，新技术的广泛应用，基于各种功能材料的新型传感器件得到快速发展，其对制造的影响愈加显著。未来，智能化、微型化、多功能化、低功耗、低成本、高灵敏度、高可靠性将是新型传感器件的发展趋势，新型传感材料与器件将是未来智能传感技术发展的重要方向。

图|MEMS传感器(来源：Electronicproducts)

根据前瞻经济学人的统计数字表明，截止2017年，我国MEMS传感器制造行业企业大约有135家。从产业能力来看，大多属于初创类中小型企业，供给能力不强，除此以外，企业存在着管理问题、资金不足、科研能力弱和吸引高科技人才的能力较弱、技术能力不强等问题。

目前，在全球感应器制造供应链中，包括研发、设计、制造、封装、测试、软件、系统应用等流程，但是由于多种原因，在工业传感器中，高度依赖进口，从研发到设计仍需要大量的投入与人才供给，而很多传感器制造企业都是从制造开始，做着类似代工的工作。

不管从资本来说，还是整个产业人才来看，这个领域依然是小的，传感器的技术壁高，开发周期长，社会资本把传感器芯片项目评为高风险，导致核心技术缺乏长期投入，产业发展慢，最终导致依赖进口来源制造或加工传感器产品，再流入中国市场。

但随着中美关系加剧，以及贯彻落实《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》，传感器产业逐渐开始被重视起来。

2013年，工业和信息化部、科技部等四部委制定了《加快推进传感器及智能化仪器仪表产业发展行动计划》，提到目前是中国传感器及智能化仪器仪表产业快速发展的关键时期，对于未来企业发展，国家将鼓励、支持并培育产值超10亿元的行业龙头企业和产值5000万元以上的“小(中)而精、精而专、专而强”的创新型企业。

中电科技集团重庆声光电有限公司传感器中心副主任杨靖在专访中也提到，目前中国的传感器产业仍跟随政策影响，他认为国家应该去定向地去扶持一些高端的新材料、新工艺、新技术等这类传感器，包括国内传感器产业的空白区域，仍是有很大的市场。

传感器产业是有希望的

从技术进展和产业发展来看，传感器领域虽然处在高度依赖进口，高科技人才短缺等问题中，但是中国已经在不断鼓励传感器企业做大做强，希望从消费品到工业领域，有更多创新的可能。

随着互联网行业的发展，在首届重庆智博会上，阿里巴巴集团董事会主席马云曾提到，未来90%的制造业将在互联网上进行，如今中国的互联网产业已经遥遥领先其他国家，在物联网+5G+AI全面加持下，传感器制造业仍有很大的市场。

图|传感器(来源：Gierad官方)

众所周知，技术和产业之间是需要形成比较好的正向迭代效应，落地场景越多，产品的制造就会越来越多，产业就会变得越来越大，传感器产业发展亦是如此。

随着物联网技术的不断发展，传感器产业未来如何发展，政府如何吸引传感器产业园区的落地等议题，仍是需要不断探讨的。中国四联仪器仪表集团有限公司吴朋在接受采访时提到，希望国家有一些比较好的规划跟一些支持的政策，把整个产业链拉动起来，针对未来发展，大家加把劲，发挥主要优势，助力物联网，传感器产业就会变好了。

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参考：