发明传感器 传感器发展简史
传感器发展简史
编者按：
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。
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。
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。
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。
科技革命就靠它？你不知道的六大传感器
指纹识别，光线感应，测量步数、脉搏、体温.......越来越多的功能在手机、平板、笔记本等移动终端上体验。我们使用这些功能，体会着被科技怀抱的感觉。你可曾想过，在这些功能的背后，隐藏着多少科技以及故事。移动平台六大传感器，你造吗？
开篇简单说两句：
科技革命，传感器的地位举足轻重，但想充分体现传感器价值，不容易。
一个传感器加上使用它的创意能够获得什么？答案是一个革命性的产品。2007年，苹果发布iPhone。它重新定义了传统手机的使用方式。通过两手指的开合，便可以将屏幕上的图片放大缩小，这在当时就像魔法一样吸引着全世界的人去体验。而实现这一功能的，便是iPhone上的多点触摸传感器。
如今大热的智能穿戴设备，能够全天候的监测我们的步数、睡眠等信息。这些功能靠什么实现？各种传感器。
如今很多厂商意识到，搭载创新的传感器，能为产品带来或新颖或便捷或安全的功能，但想要发明一个创新的传感器却并不是一件容易的事情，需要耗费巨大的研发成本。所以很多研发实力相对较弱的厂商都是等到某款传感器上市并达到一定产量之后，才将其配备到自家产品上。这也是为什么指纹识别技术刚刚在手机上普及开来的原因。
如今困扰科技厂商的问题并不仅仅在于自己弄不到创新的传感器，而是就算产品搭载了这些传感器，但却无法实现他们想要的功能。
我们知道传感器本身，只是一个检测装置，它能够感受到被测量的信息，并将这些信息传递给设备进行处理，从而得出相应的结论或者给出应对措施。而这个处理的过程是需要设备制造商通过反复测量试验，最终写入程序中的。如果写入机身内的程序不准确，轻则影响产品体验，重则导致这项功能成为鸡肋，增加了产品成本，却遭到用户诟病。
指纹识别传感器：不止安全
代表设备： iPhone 6/6 Plus，iPad Air 2，Galaxy S5，魅族MX4 Pro等。
随着iPhone以及iPad搭载Touch ID指纹识别传感器，拉动了越来越多厂商将指纹识别技术应用于自家产品上。这一功能已经不仅仅局限于解锁屏幕了，我们还可以用它进行掌上支付，令移动终端成为你的钱包。
对于指纹识别传感器，我们必须明白：
1.滑动式传感器因为每一次都会扫描较大面积指纹，所以安全性和识别率更高，但也牺牲了识别速度。
2.滑动式传感器相比按压式更节省空间。
3.按压式传感器拥有比滑动式相对较快的识别速度。
4.按压式传感器不管手指从哪个方向按压都能够识别，随意性更高。滑动式则只能上下滑动识别。
人的指纹有50亿分之一的重复概率，奠定了指纹识别技术极高的安全性。以前，这一技术仅仅应用于刑事侦查案件中，而如今普通大众也可使用搭载指纹识别技术的终端。 目前，应用于移动终端的指纹识别技术共有两大类，分别是滑动式与按压式，代表机型有三星S5和iPhone 6。滑动式需要用手指在传感器上滑动才能识别，而按压试只要手指放在传感器上便可以识别。
皮电传感器：知你性情
代表设备： 测谎仪，微软手环等。
相信不少朋友都有这样的经历，当你要从事一项非常重要的任务之前，你会觉得紧张、焦虑以至于手脚冒汗。这种心理反应转化成生理反应的过程，我们是可以通过皮电传感器探测出来。
对于皮电传感器，我们必须明白：
1.人体皮电反应受温度，人体活动以及心理反应三个因素影响，皮电传感器因此会收到影响，准确性有待检验。
2.人们一天会拥有众多情绪，每一天所产生情绪的时间、情绪类别皆不同，就算我们准确测量出皮电反应情况，归类整理这些数据并给出科学的建议依然是厂商最头痛的问题。
3.目前微软手环已经搭载该传感器，该项技术很快便会走入我们的生活中。
皮电传感器并不能测试出用户的喜怒哀乐，只能感受到用户心理状态是否变化，而通过这种变化，我们可以得到一些结论。例如通过测谎仪的皮电传感器感应被测者说话时的心理变化，从而断定是否说谎。
此外，如果通过皮电传感器检测我们几天的人体皮电反应水平，通过皮电波形高低，我们就可以得知自己每天哪一个时段的工作效率最高了。以此依据来安排我们的工作在状态最佳的时段。
光线传感器：贴心调节
代表设备： iPhone，iPad，MacBook Air，三星S系列等配备大屏的移动终端。
光线传感器是一种光敏元件，通过感受机身环境光的强度以及变化，从而调整机器屏幕的亮度，键盘背景灯亮度以及其它拓展功能。
对于光线传感器，我们必须明白 ：
1.它可以控制屏幕的亮度，令你在户外可以看清屏幕，室内也不会因为觉得刺眼。
2.如果你的移动终端有键盘，那么它还可以控制键盘背景灯的开关以及亮度
3.差的光线传感器降低移动终端的使用体验，例如会出现在黑暗的环境下，屏幕依然很亮；在光线条件变化较大的户外，屏幕亮度变化较为迟钝等现象。
4.光线传感器一般设计在机身顶部手不宜覆盖的部位，以防影响测量的准确性。
光线传感器早在十年前便已经应用于移动产品身上。它尽管功能相对单一，仅仅用于根据不同环境光线，调整屏幕亮度以及键盘背景灯开关，但由于功能实用，所以成为目前大屏手机以及平板电脑的必备元件。
心率传感器：告诉你心跳背后的秘密
代表设备： 微软手环，松拓 VECTOR HR运动腕表，三星Galaxy S5手机等。
心率监测是目前十分热门的功能。三星Galaxy S5，微软手环以及明年春季将会推出的苹果手表都具备这一功能。
对于心率传感器，我们必须明白：
1.单纯给出心率数值对你并没有太大意义，如果能够持续测量，并通过一段时间的心率数据给出睡眠质量／休息时间等健康建议则会对用户有很大帮助。
2.目前绝大部分移动终端用的都是光电心率传感器，相比电极式心率传感器误差几率较大。
3.电极式心率传感器目前还无法应用于较小的穿戴设备上，但目前已经有厂商在为此而努力了。相信未来会成为高端设备的标志配件。
作为个人健康设备的超级武器，该功能可以通过监测心率来追踪运动强度，不同的运动训练模式等，并可以针对这一数据推算睡眠周期等与之关联的健康行动数据。
目前心率传感器有两种，一种是通过光反射测量的光电心率传感器以及利用人体不同部位电势测量的电极式心率传感器。前者尽管测量准确度欠佳，但优势在于体积小，所以目前所有的移动终端都用该种方式测量。后者在医院中测量心电图的时候我们经常会看到，通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，但必须同时监测人体的两个部位，而我们平时用手机和手表的时候都是单手接触产品，所以无法做到持续监测。
气压计：感知你的高度
代表设备： LG G Watch R，iPhone 6／plus，三星Galaxy S3，Galaxy note 2等。
气压计是一个被埋没但非常实用的小东西。很久以前便已经有手机搭载，例如三星Galaxy S3，Galaxy note 2，而目前iPhone 6/plus也将其纳入怀中，为机器提供气压数据。气压计虽然仅能够测量气压数据，但通过该数据我们可以精确得知机器的海拔高度。如果监测一段时间内的气压变化，还能获得机器高度变化数据，从而为进一步的数据处理做准备。
对于气压计，我们必须明白：
1.既然是测量气压的元件，那么气压变化异常也势必会影响用户得到信息的有效性。例如在飞机飞行的时候，为了乘客舒适都会为机舱加压，此时飞机内部的气压值与外部不同，我们也就无法得到正确的高度信息了。
2.目前气压计已经广泛应用于移动终端中，但由于缺乏应用软件支持，它们经常被用户冷落。
3.气压计是非常实用的元件，我们登山时可以利用搭载它的设备读取海拔高度信息。
气压计到底通过测量出来的高度数据，能给用户带来什么好处呢？户外运动员可以直观的了解自己所在的高度；未来导航地图不仅可以知道我们所在的平面位置，甚至还能知道我们所在的楼层，而这绝对是未来导航发展的必然趋势。
图像传感器：像素太高未必好
代表设备： 目前市面上几乎所有手机，平板，笔电皆有配备，三星智能腕表
图像传感器是摄像头内部用于接收光学信号的元件。配合镜片组以及图像处理器（ISP）可以实现拍摄照片的功能。这三者共同决定成像质量的好坏。
对于图像传感器，我们必须明白：
1.并非像素越高越好。因为手机体积决定图像传感器不能设计过大，所以如果像素过高，单个像素面积便会减小。
2.除了像素，镜头同样可以影响画质，有些镜头带有镀膜，可以阻挡红外线干扰，降低炫光以及紫边等现象。
3.光学防抖可以通过延长曝光时间的方式提升暗光环境的拍摄能力，以及防止拍摄视频时抖动。
图像传感器上面拥有众多接收光线信号的像素点，它们将自己接收到的光线信号转换成电信号，并通过ISP转化成我们在屏幕中看到的照片。所以这些“小家伙”才是决定图像效果最重要的因素。如果图像传感器中集成了很多像素点，那么它拍出的照片将会存留更多信息，细节会更好。如果像素越大，那么每个像素接收光线的能力就越强，最大的好处就是降低了曝光时间，增加暗光环境拍摄成功率，色彩也会更丰富锐利。
不难发现，移动终端对传感器的应用已经达到难舍难分的地步，在如今配置流，价格战，拼外观已经无法再赚足眼球的年代，传感器成为厂商增加产品卖点的大救兵，而消费者则享受在它们悉心敏感的“关照”中。
但我们也必须意识到，决定传感器发展的壁垒并不在于传感器本身，而是如何用程序去分析传感器积累的数据，并为人所用。很多厂商都是花费数年研究才有所建树。
放眼未来，伴随着越来越多创新的传感器植入移动终端设备中，我们可以轻松掌握身体的状态，情绪以及能量消耗，这些数据将会助力我们的身体健康，调整情绪以及工作效率提升，如此设备难道不能称为科技革命吗？
相关问答
传感器 的创意 发明 ?微型牙齿传感器想减肥,但迈不开腿,又管不住嘴?没关系,微型牙齿传感器可以帮你控制饮食。现在,减肥人士的福音来了!一种微型牙齿传感器,它又小又薄,贴在...微...
氧 传感器 谁 发明 ?氧传感器是博世发明的,巧的是时间也是1976年,顾名思义是监测发动机尾气排放中的氧气含量,监测结果就会传给ECU,ECU就会判断喷油嘴之前的喷油量是多是少,并对...
传感器 的发展历史有多久?传感器的发展历史可以追溯到19世纪末。早在1893年,英国物理学家威廉·汤普森(WilliamThomson)爵士发明了一种称为热电偶的温度传感器,这种设备能够通过测量...
科学家从蝙蝠身上得到启示,你还知道哪些仿生学的 发明 创造?试...[最佳回答]1、苍蝇-----小型气体分析仪.2.萤火虫-----人工冷光;3.电鱼------伏特电池;4.水母------水母耳风暴预测仪,5.蛙眼------电子蛙眼6.蝙蝠超声定位...
(CCD)图象 传感器 .他们的 发明 利用了爱因斯坦的光电效应原理...[最佳回答]A、电流计的读数恰好为零,此时电压表的示数为6.0V,根据动能定理得,eU=EKm=6eV.再根据光电效应方程知:W0=hγ-EKm=10.5-6=4.5eV.故A正确.B、光电效应...
有没有可能研究出气味 传感器 和味道 传感器 ?你好,这个问题很有意思。随着物联网技术的飞速发展,传感器技术逐渐应用到我们的生活中。实际上,气味传感器和味道传感器已经被科学家发明出来,并在食品、医药...
双金属 传感器 采用了哪种 发明 原理?双金属温度传感器是将绕成螺纹旋形的热双金属片作为感温器件,并把它装在保护套管内,其中一端固定,称为固定端,另一端连接在一根细轴上,成为自由端。在自由端...
磁阻元件的发展阶段?磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料,物质的磁性早在3000年以前就被人们所认识和应用,例如中国古代用天然磁铁作为指南针。自然界中广泛存在的磁铁矿,就是...
陈昂的 发明 ?们在这种材料的物理研究方面也发表了多篇文章,许多文章是在国际的权威物理学、材料学杂志《物理评论》,《应用物理快讯》《先进材料》上发表。这些文章在国...
博世 传感器 好不好?质量很好。汽车传感器是汽车计算机系统的输入装置,它把汽车运行中各种工况信息转化成电信号输给计算机,以便发动机处于最佳工作状态,汽车传感器在查找故障时,...