最全压力传感器分类及工作原理！认真看完就会明白其中的奥秘

自动化技术的进步带动了工业设备的更新换代。除了液柱式压力计、弹性式压力表外，工业设备中采用更多的是可将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信号的呢？今天小编为大家汇总了目前最常见的几种压力传感器的测量原理，一起过足瘾吧！

1、压电压力传感器

基于压电效应（Piezoelectric effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器。压电传感器只可以应用在动态测量当中。主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。

以压电效应为工作原理的传感器是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电材料制作而成的。当压电材料受到外力作用时表面会形成电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受外力成正比关系的电量输出。它用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：加速度和压力。

优点是：重量较轻、工作可靠、结构简单、信噪比高、灵敏度高以及信频宽等。

缺点是：有部分电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施；而输出电流响应又比较差，就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点。

2、压阻压力传感器

压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。由于硅是现今集成电路的主要材料，以硅制作而成的压阻元件的应用就变得非常有意义。电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻，这使得其程度因子大于金属数百倍之多。

压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压成线性对应关系的4～20mA标准输出信号。

为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。

3、电容压力传感器

利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。 薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比，而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。 在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

4、电磁压力传感器

利用电磁原理的传感器统称为电磁压力传感器，主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感等。

①电感压力传感器

电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种：变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。

变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。

在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。

②霍尔压力传感器

霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所造成。

在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场，此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

当磁场为一交变磁场时，霍尔电动势也为同频率的交变电动势，建立霍尔电动势的时间极短，故其响应频率高。常用霍尔元件的材料大都是半导体，包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构材料。

③电涡流压力传感器

基于电涡流效应，由一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，就是电磁感应造成的。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性，因此电涡流压力传感器可用于静态力检测。

5、振弦压力传感器

振弦压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量具有想当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存储，容易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。

振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元件的固有频率与拉紧力大小有关。弦的长度是固定的，弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小，即输入的是力信号，输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成，下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳，包含一个电子模块和一个接线端子，分成两个小室放置，这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传感器在运作式，振弦以其谐振频率不停振动，当测量的压力发生变化时，频率会产生变化，这种频率信号经过转换器转换为4~20mA的电流信号。

国产化率不足5%的核心器件：MEMS压力传感器

什么是MEMS压力传感器

压力传感器(Pressure Transducer)是工业实践中常用的一种器件设备，通常由压力敏感元件（弹性敏感元件、位移敏感元件）和信号处理单元组成，工作原理通常基于压敏材料的变化或压力引起的形变，它能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号，以便实现准确测量、控制和监测，具有高精度、耐腐蚀和紧凑结构等特点，适用于多种恶劣环境。其广泛应用于汽车电子领域及各种工业自控产品中，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，其中，汽车电子领域是压力传感器应用规模最大的单一赛道，占比超过35%。

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MEMS 压力传感器，全称微机电系统（Microelectro Mechanical Systems） 压力传感器，它们融合了尖端微电子技术和精密微机械加工技术，通过微型机械结构与电子电路的结合，利用单晶硅硅片等传统半导体材料制作而成的芯片作为主要部分，通过检测物理形变或电荷累积来测量压力，进而转化为电信号进行处理，实现对压力变化的敏感监测和精确转换。其核心优势在于微型化设计，让 MEMS 压力传感器在精度、尺寸、响应速度和能耗方面均具有卓越表现。

二、 MEMS压力传感器的分类

MEMS压力传感器根据不同的应用需求、不同的品类设计，有多种分类方式。行业内主流的分类方式有按照工作原理划分、按器件结构划分、按封装方式划分等。

资料来源：公开资料整理

资料来源：民生证券

三、 上下游产业链

资料来源：公开资料整理

01 上游原材料及芯片设计

MEMS压力传感器上游主要包括原材料供应和芯片设计等环节。MEMS压力传感器所需的材料可以分为四大类：半导体材料、陶瓷材料、金属材料和有机材料。

半导体材料

半导体材料是MEMS压力传感器最主要的原材料之一。随着半导体国产化政策支持、资本支持力度不断加大及晶圆产能持续扩张等因素带动下，我国半导体材料市场规模加速扩张。

陶瓷材料

目前，我国电子陶瓷已进入到优化升级的发展阶段，得益于下游电子工业、光纤通讯、国防军工等众多行业的巨大市场需求，电子陶瓷行业市场规模不断扩大。未来随着5G通信技术革新、电子元器件、新能源、智能装备、物联网等领域的需求增加，国产替代进口速度加快，中国电子陶瓷行业市场规模将会继续保持高速增长态势。

金属材料

铜材为MEMS上游主要原材料。其中铜材是指以纯铜或铜合金制成各种形状包括棒、线等。

芯片设计

MEMS的设计综合了材料、结构、光学等学科，且需要考虑其制造、封装工艺、低成本、智能化等实际需求，要借助计算机辅助设计，通过复杂的试验验证设计方案可行性，方能满足各项严苛要求。

02 中游生产企业

资料来源：公开资料整理

03 下游主要应用

目前，汽车、消费电子、医疗是MEMS压力传感器较大的应用领域。汽车产业占MEMS压力传感器市场销售额超40%，其次是消费电子，销售额占比约23%，医疗领域占17%，工业领域占约15%，其余市场如军用、航空航天等领域。

图表：MEMS压力传感器行业下游应用占比

资料来源：Yole

汽车行业

汽车领域是MEMS传感器重要下游应用领域之一。在汽车领域，MEMS压力传感器以小型化、高精度和可靠性等特点，广泛应用于安全系统（如制动系统的压力监测、安全气囊的压力控制及碰撞保护）、排放控制（发动机排放气体压力控制与监测）、轮胎监测、发动机管理和悬挂系统等领域。高端的汽车一般都会有上百个传感器，包括30-50个MEMS传感器，其中就有10个左右的MEMS压力传感器。这些传感器可提供关键数据，帮助汽车制造商优化发动机性能、提高燃油效率并增加驾驶安全性。

消费电子

随着3D导航、运动监测和健康监测等应用的发展，MEMS压力传感器在消费电子产品中的应用也越来越普遍。智能手机、平板电脑和智能手表等设备中的压力传感器可用于气压计、高度计和室内导航等功能。智能可穿戴设备中的压力传感器还可以监测心率和体力活动等运动和健康指标，提供更精确的数据。此外，MEMS压力传感器在无人机、航模等领域应用广泛，可提供海拔信息，与导航系统协同实现精准飞行控制。

医疗行业

在医疗行业，MEMS压力传感器被广泛应用于各种医疗设备和检测系统中。它们可以用于血压检测、呼吸机和人工呼吸器的控制、体内压力监测以及药物输送系统等。这些传感器提供了准确的压力测量，帮助医疗工作人员进行诊断和治疗。

工业自动化

在工业自动化领域，MEMS压力传感器用于监测和控制各种工业过程，它们被广泛应用于液体和气体管道系统、液位监测、压力控制和流量测量等领域。这些传感器的高精度和可靠性对于确保工业过程的稳定和安全至关重要。

航空航天

MEMS压力传感器可用于飞机和火箭的空气动力学性能测试、高空气压监测、气象数据收集以及航空器和天基设备的气压控制。其小型化和轻量化特性使其成为航空航天领域中理想的选择，能够满足严苛的环境要求。

图表：MEMS压力传感器在各行业应用趋势

资料来源：Yole

四、 MEMS压力传感器行业情况

01 市场规模

Yole预测，2019-2026年全球MEMS压力传感器市场规模从16.84亿美元增长至22.15亿美元，年均复合增长率约为5% ；出货量 从14.85亿颗 增长至21.83亿颗 ，年均复合增长率为4.9% 。

资料来源：Yole

目前，MEMS 压力传感器已成为MEMS 传感器市场规模最大的细分市场之一，在汽车、工业、医疗和和航天航空领域均有广泛的应用。根据前瞻产业研究院数据，2020年我国MEMS压力传感器市场规模约为135亿元 。在消费电子、可穿戴设备、无人机、医疗等行业高需求的推动下，结合国内MEMS压力传感器国产化进程加快，以及市场历年增长趋势，预测到2025年 约接近300亿元 。

资料来源：CCID前瞻产业研究院

02 行业竞争格局

MEMS压力传感器因其高技术壁垒和工艺要求，长期以来国内市场主要由海外企业主导。外资企业几乎垄断了全球MEMS压力传感器市场 ，高筑的技术壁垒下本土玩家屈指可数，国产化率不足5%，且国内企业主要以组装为主，核心芯片依赖进口 。这种局面形成了MEMS行业的寡头竞争格局，市场集中度相当高。据Yole统计，市场前三名的集中度（CR3）达到了77%左右，全球头部厂商包括博世、泰科电子、英飞凌、 森萨塔和恩智浦、安费诺、霍尼韦尔、意法半导体、迈来芯等。

在压力传感器领域，中高压压力传感器的总成及核心芯片、器件的市场份额几乎全部被森萨塔占据；差压压力传感器总成的市场份额主要被BOSCH（博世）、DENSO（电装）、Delphi（德尔福）、Sensata（森萨塔）等公司占据，核心芯片、器件的市场份额主要被NXP、Infineon、Melexis等公司占据，国内企业的市场占有率极低。

资料来源：Yole

国内企业已经在积极布局高精度等高端MEMS压力传感器的研发和生产。率先布局的厂商主要包括具备核心研发能力和标定检测能力的厂商，如康斯特、敏芯股份、华培动力和安培龙等。

从主要上市企业有关MEMS 压力传感器的研发项目来看，各企业积极布局高精度等高端MEMS 压力传感器，我国MEMS 压力传感器芯片设计国产化以及行业产业化可期。

03 行业特点

（1）行业整体情况

技术人才匮乏 ，传感器进口依赖度高。相比同为技术密集型行业的传统半导体集成电路行业，MEMS 压力传感器行业属于多学科交叉行业，MEMS 传感器设计、制造和封装测试涉及电子、机械、材料、工艺制造、物理、化学、生物等众多学科，对不同专业背景复合型人才需求量大，而中国 MEMS 传感器行业起步较晚，传感器技术研发落后德国、美国等国家近十年，技术和人才储备匮乏，基础研究不充分，严重制约行业的发展。

当前，中国芯片行业从业者不到 30 万人，其中高端人才供给不足。作为与芯片行业高度重合且多学科交叉特性更强的特殊行业，MEMS 压力传感器行业在人才资源积累上更加缺乏。受此影响，中国 MEMS 压力传感器企业规模小、产品研发周期长、盈利能力低，多采用外购芯片封装测试的商业模式，导致本土企业及其下游客户对海外领先企业产品的进口依赖度高，中高端产品进口比例超过 80%，传感器芯片进口比例约 90%。中国对海外 MEMS压力传感器的高度依存度将影响本土企业吸引人才、提高盈利和扩大产能，对 MEMS压力传感器行业国产化进程造成负面影响。

国内目前产、学、研资源比较分散，同时产学研脱节，做材料的不会做芯片，做芯片的不懂传感器具体芯体和传感器具体研发设计及实际现场需求，目前国内压力领域没有一家销售额超过10亿元的传感器公司，大多以购买国外芯片和芯体进行组装的小实体，并且没有力量投入持续研发和工艺改进 。而国外的私营企业发展模式，国际企业先因需要解决采集压力信号的需求，转化为需要做传感器来采集信号，在此过程中企业自己研发芯片和集成电路及各种材料相关的部件集成为传感器，国外企业都是经过上百年或者几十年的积累、并购、整合发展出的行业巨无霸。

（2）行业特点

产品高度定制化

MEMS压力传感器产品为非标准化产品。由于MEMS压力传感器中复杂的极微小型机械系统的存在，MEMS压力传感器的芯片设计和工艺研发必须紧密配合，而且MEMS传感器的应用场景多样，所处环境对于其中的极微小型机械系统而言较为恶劣，因此需要定制化开发晶圆和传感器模组的专业封测设备系统和测试流程。MEMS压力传感器公司则在芯片的研发和传感器销售的同时，需要深度参与晶圆代工和封测环节的工艺开发和持续优化调整的过程。

产品种类多、细分领域市场规模小、企业体量较小

从MEMS压力传感器应用场景来看，分为汽车、消费电子（可穿戴设备、家电、无人机等）、医疗、工业等，不同应用场景的需求和传感器所处的环境不同，需要进行不同品类的设计，各应用领域的细分市场规模亦不大。

公开数据显示，我国现有约100家MEMS压力传感器企业，一线梯队企业产值过亿元的不多，多数在5000万元-1亿元的区间，且均未突破核心技术壁垒。由于MEMS压力传感器单颗价值量较小，客制化程度较高，多数企业会专注在细分市场领域，单个企业的营收规模亦偏小。

下游产品验证要求高，准入门槛较高

在车规级芯片产品需要满足更严苛的技术标准和门槛，需要通过更为严苛的测试，以满足汽车行业对于产品安全性、稳定性和使用寿命的苛刻要求。供应商如果想要进入汽车供应链，必须要经过一系列的验证测试，一般认证周期一般需要1-2年。

医用MEMS传感器作为医疗行业中的关键设备，其核心价值在于数据采集。具体的认证标准如ISO 13485，侧重要求医疗器械领域的芯片生产企业建立和维护相应的质量管理体系。IEC 60601医疗电气设备安全标准，要求芯片在设计、制造和使用上符合相关的电气安全性能要求，并能在一定的电气环境下运作稳定可靠。FDA 510(k)针对医疗器械的市场准入认证，要求芯片生产企业根据相关法规和标准规定的安全性数据和证明文件提交到FDA进行评估和审批。

五、 行业关注点及投资逻辑

产品竞争力：量程、温域、精度、稳定性等方面

锂离子电池未来的发展方向主要表现在：①小型化、薄型化，从而满足消费类电子产品的需求；②大容量、大功率充放电，从而满足应用于动力、储能领域。前者要求铝塑膜在保证水、氧等阻隔性的同时向轻薄、 柔韧性方向发展，后者要求铝塑膜具有更高机械强度、更高阻隔性及更长使用寿命。技术要求的不断提高使得行业壁垒仍在持续提升。

材料和封装工艺创新是发展的重要方向

材料方面，国内科研所已经在探索SiC高温压力传感器，采用碳化硅单晶材料的全MEMS工艺加工技术来制备敏感元件，具有体积小、耐高温、可满足微压力测量需求的特点。又如高精度石英谐振式压力传感器，采用全石英谐振式敏感芯片结构，利用石英MEMS工艺技术加工而成，具备精度高稳定性好、抗辐照、功耗低数字输出等优点，便于系统集成和应用开发。

封测方面，由于MEMS压力传感器需要与外界复杂环境进行接触，感知外部信号的变化，所以需要对成品的封装结构和封装工艺进行研发与设计，以降低产品失效的可能性。如低压MEMS芯片的高可靠性方案，需在芯片封测层面上进行了耐强酸，耐水汽，耐化学腐蚀的设计和流片保护工艺。中压类领域，可利用基于MEMS的硅-玻璃-陶瓷烧结技术，实现替代传统陶瓷电容中压传感器的方案。

研发团队需具备较强的科研背景和熟练的工程技术

高端压力传感器制造设计到材料、微纳工艺制造、技术壁垒高，传感器行业是材料、机械、电子、计算机和自动化多学科交叉的综合性学科，对实践要求很高，从掌握理论到能批量生产以及保证良率生产需要全面复合型经验丰富的团队 。压力MEMS传感器行业具有较高的技术门槛，国内科研院所在完善国内MEMS行业的研发体系方面提供了技术基础和人才基础。在分析企业的核心研发团队时，可重点关注核心技术人员是否来自国内MEMS领域相关的重点科研院所或实验室。同时，头部厂商研发技术实力较强，亦可关注核心技术人员是否出自如博世、英飞凌、森萨塔、泰科电子等头部厂商特别是其在国内设立的研发中心。

结语

MEMS压力传感器作为工业实践中常用的核心零部件，行业规模大，长坡厚雪，技术壁垒较高，我们期待国内企业能够早日打破国外垄断 ，突破关键核心技术 ，提高产品良率、质量和性能 ，完成材料配方、芯片设计、工艺定型各个节点的突破，最终实现产品量产，积极开拓和增加下游应用领域的国际市场份额 。

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