传感器摘要高考物理新宠儿——传感器

发布时间：2024-11-24 12:11:43

高考物理新宠儿——传感器

董书生，男, 江苏省物理学会会员，中学高级教师，大学本科，南通市骨干教师,海门市骨干教师，海门市优秀青年教师，海门市优秀教育工作者，有四十余篇论文发表于《中学物理教学参考》《物理教师》《物理通报》《中学物理教学探讨》等国家级、省级刊物，主持1项南通市级课题，参与了6项省级课题，且全部结题。开设过省级公开课，课例被北师大评为优秀课例。感谢董老师授权发布！

摘要

传感器已经广泛应用在工业环保、自动化、化工、医疗、汽车工业、大气和海洋测量等各个领域。所以教育部制定的新课标把传感器作为选修3-2模块的三个二级主题之一，新教材为传感器专门安排一章。近几年来的高考传感器的考题频繁出现，传感器已经成为高考物理的新宠儿。

1. 传感器的工作原理

传感器是将非电学量转换成电学量的器件，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．

2. 常见传感器

2．1光敏电阻

（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）光敏电阻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．

题1： 右图为包含某逻辑电路的一个简单电路图，L为小灯泡。光照射电阻时，其阻值将变得远小于R，则下列说法正确的是（） A．该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

B．该逻辑电路是非门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

C．该逻辑电路是与门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L不发光

D．该逻辑电路是或门电路；当电阻受到光照时，小灯泡L发光

答案：B

2．2. 热敏电阻

热敏电阻用半导体材料制成，其电阻值随温度变化明显．随温度的升高而减小．

题2 ：如图所示是一火警报警器的部分电路示意图.其中R3为用半导体热敏材料制成的传感器.值班室的显示器为电路中的电流表，a、b之间接报警器.当传感器R3所在处出现火情时，显示器的电流I、报警器两端的电压U的变化情况是（）

A.I变大，U变大

B.I变大，U变小

C.I变小，U变小

D.I变小，U变大

答案： C

2．3. 霍耳元件

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．

题3 ：为了测量某化工厂的污水排放量，技术人员在该厂的排污管末端安装了如图所示的流量计，该装置由绝缘材料制成，长、宽、高分别为a、b、c，左右两端开口，在垂直于上下底面方向加磁感应强度为B的匀强磁场，在前后两个内侧固定有金属板作为电极，污水充满管口从左向右流经该装置时，电压表将显示两个电极间的电压U．若用Q表示污水流量（单位时间内排出的污水体积），下列说法中正确的是（）

A．若污水中正离子较多，则前表面比后表面电势高

B．前表面的电势一定低于后表面的电势，与哪种离子多无关

C．污水中离子浓度越高，电压表的示数将越大

D．污水流量Q与U成正比，与a、b无关

答案：BD

2．4、力传感器

（1）电子秤组成：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．

题4： 如图是测量汽车质量的地磅示意图，汽车的质量可通过电流表的示数读出，下列说法正确的是（）

A．电流表的示数越大说明被测汽车质量越大

B．电流表的示数越大说明被测汽车质量越小

C．地磅的最大量程只由弹簧的劲度系数决定，与电路的有关参数无关

D．把图中的电流表换成电压表同样能测量汽车的质量

答案： A

2．5、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）。

题5： 传感器是一种采集信息的重要器件，如图所示，是一种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，引起电容的变化，将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路，那么以下说法正确的是（）

A、当F向上压膜片电极时，电容将减小

B、若电流计有示数，则压力F发生变化

C、若电流计有向右的电流通过，则压力F在增大

D、电流计有向右的电流通过，则压力F在减小

答案：BC

传感器在各个领域的应用将越来越广泛，如在工业中，可做成高度计，工业自动控制温度传感器、湿度传感器、天气预报计、位移传感器等；在日常生活应用：人体感光开关、路灯控制器、门窗报警器、家用燃气报警器等；在医疗中应用：微型高频超声传感器、光纤生物医学传感器等。

同步训练：

参考答案:1.B、2.A、3.A、4.BD、 5.C 、6.AD 、7.BC、 8.B

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疆亘观察一文详解“人工智能之眼” —— 传感器

全文共计：4831字

预计阅读时间：12分钟

疆亘观察

传感器行业是当今科技领域发展不可或缺的关键部件，无论是智能手机、汽车、工业自动化还是医疗设备，传感器的应用无处不在。近年来，随着机器人行业的迅速发展，智能传感器也将迎来新的投资机遇。

摘要

纵观传感器发展历史，从结构型传感器到固体传感器，再到智能传感器，每一次技术的飞跃，都为传感器的市场带来空前的发展。MEMS传感器作为智能传感器的核心，其市占率接近50%，随着人工智能的发展有望实现更大的突破。传感器的投资方向主要表现如下：传感器国产替代空间广阔，高端传感器国产化率低于20%；传感器是机器人的“眼睛”和“神经”，未来贡献主要增量市场；传感器新技术方面，跟随柔性电子发展的脚步，柔性传感器市场有望迎来爆发。

风险

机器人行业发展不及预期；传感器新技术发展不及预期。

1.传感器介绍

1.1传感器的发展历史

1.2传感器的结构

1.3 传感器的分类

1.4 传感器产业链

1.5传感器市场规模庞大

2. MEMS传感器芯片规模大，前景广阔

2.1 MEMS工作原理

2.2 MEMS传感芯片加工工艺

2.3 MEMS传感器市场空间广阔

2.4 MEMS传感器市场格局

3. 传感器投资机会

3.1 传感器国产替代空间广阔

3.2 传感器：机器人的“眼睛”和“神经”，贡献主要增量市场

3.3 传感器新技术：柔性传感器市场有望迎来爆发

4. 总结

正文

传感器介绍

1.1. 传感器的发展历史

传感器被誉为“万物互联之眼”，可以精确地测量出位置、压力、温度、浓度等数据。传感器自诞生以来，大致经历了结构型、物性型和智能型三个发展阶段：

一，结构型传感器阶段， 利用结构参量变化或由它们引起某种场的变化来反应被测量的大小和变化（如利用结构的位移或力的作用产生电阻、电容或电感值的变化）；

二，固体传感器阶段， 利用某些材料自身的物理特性在被测量的作用下发生变化，从而将被测量转化为电信号或其他信号输出（如用半导体、电介质、磁性材料等固体元件制作的传感器）；

三，智能传感器阶段， 传感器朝着具有感、知、联一体化功能的智能感知系统方向发展，有机结合了传感器、通信芯片、微处理器、驱动程序及软件算法等。

1.2传感器的结构

传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四部分组成。智能传感器一般包含传感单元、计算单元和接口单元。传感器单元负责信号采集、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。

1.3 传感器的分类

（1）按照检测原理

可将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。物理类基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类基于化学反应的原理。生物类基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。

（2）按输出信号

可将传感器分为模拟传感器（将被测量的非电学量转换成模拟电信号）、数字传感器（将被测量的非电学量转换成数字输出信号）、开关传感器（当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号）。

（3）按技术路径

可将传感器分为单一材料传感器（压电）、组合材料传感器（CIS）、微机系统传感器（MEMS）等。

（4）按用途不同

可将传感器分为温度传感器、压力传感器、声学传感器、光学传感器、惯性传感器、位置传感器等。按用途划分传感器可采集不同类型的数据，下游应用领域广泛。

1.4 传感器产业链

传感器行业上游主要为设计、原材料与生产设备供应，其中原材料涉及如硅、锗、镓等制造材料及金属、陶瓷、塑料等封装材料。上游原材料及零部件企业一般来说技术壁垒低于中游制造及封测环节，因此盈利能力低于后者。行业中游为智能传感器器件加工制造与封装测试企业；下游是终端产品制造企业，其中以消费电子、工业控制、汽车电子、医疗电子等应用领域为主。

1.5传感器市场规模庞大

根据Statista，2022年全球市场规模为2513亿美元。受疫情影响，全球传感器市场经历了大幅波动：2020、2021和2022年同比增速分别为-13%、62%、10%。相比之下，中国市场增速相对稳定，3年增速分别为14%、20%、19%，维持在15%上下的增长，在全球市场中的份额也相对稳定。

MEMS传感器芯片规模大，前景广阔

2.1 MEMS工作原理

MEMS （微机电系统, Micro-Electro-Mechanical System）是一种加工工艺系统，它利用半导体加工技术在硅晶圆上制造出微型电路和机械系统，经封装和切割组装形成硅基换能器，具有微型化、功耗低、成本低等优势。传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。它包括速度、压力、湿度、加速度、气体、磁、光、声、生物、化学等各种传感器。

一个MEMS传感器里面最重要的芯片为MEMS芯片和ASIC芯片，其中MEMS芯片负责感知信号，将测量量转化为电阻、电容等信号变化；ASIC芯片负责将电容、电阻等信号转换为电信号，其中涉及到信号的转换和放大等功能。常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

2.2 MEMS传感芯片加工工艺

MEMS（微机电系统）是在微电子技术（半导体制造技术）基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS是一个独立的智能系统，可大批量生产，其系统尺寸在几毫米乃至更小，其内部结构一般在微米甚至纳米量级。例如，常见的MEMS产品尺寸一般都在3mm×3mm×1.5mm，甚至更小。对比其他传感器制造工艺，MEMS 具有可批量生产、但技术复杂度高以及定制化属性强的特征，国际龙头主导市场份额并普遍采用 IDM（垂直整合制造）生产模式。

MEMS工艺的特点：

一、相比传统机械系统，MEMS由于足够小型化，可通过微纳加工工艺批量生产；

二、相比标准CMOS工艺，MEMS由于复杂的微小机械系统的存在，制造过程需要兼顾电路和机械系统，而不同的传感器又拥有不同的机械特性，使得MEMS 在晶圆制造和封装测试环节都有较强的定制化特征，有“一种产品，一种制造工艺”。

制造MEMS器件不仅需要成熟且丰富的工艺技术，还要有足够多的产线保证产能。目前，国内提供专业MEMS代工服务的有中芯国际、无锡华润上华、上海先进等。其他大多数国内MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验，并且在加工工艺的一致性、可重复性难于不能满足设计需要，产品的良率和可靠性更是无法达到规模生产要求。目前情况下，设计公司也只能选择与国外成熟代工厂合作，才能保证产品的质量，而在后端的封装测试环节，情况则较为乐观，南通富士通、晶方半导体、华天科技、长电科技、通富微电等企业能够满足产品质量和数量的要求。

2.3 MEMS传感器市场空间广阔

中国MEMS传感器市场的起步和发展与中国3C产品(包括计算机、通信和消费类电子产品)及汽车电子产品保持快速增长、全球电子整机产业向中国转移密切相关。近年来，随着消费电子、汽车电子产品等下游行业的快速发展，我国MEMS传感器市场需求旺盛，历年持续保持快速增长。

根据Omdia的数据统计，2022年全球MEMS行业市场规模已达到184.77亿美元，约占全球智能传感器50%的市场，2017-2022年复合增长率为5.77%。根据赛迪顾问的数据统计与预测，2022年中国MEMS传感器市场规模已达到982.1亿元，同比增长15.1%，预计到2025年市场规模将达到1571.3亿元，2022-2025年复合增长率为17.0%。

2.4 MEMS传感器市场格局

根据Yole Intelligence，博世是MEMS传感器赛道的领航者，市占率持续领先，2021年博世的市占率达到12.9%，博道和Qorvo位列二三，分别为9.9%和6.5%，国内歌尔股份市占率排名第八，市占率为3.57%。目前MEMS传感器在消费电子、医疗、汽车电子以及工业等应用领域占比最高，分别占据41.8%、28.1%、16.7%和 9.1%。

传感器投资机会

3.1 传感器国产替代空间广阔

我国传感器市场仍旧由外资主导，国内供给能力略有不足，全球龙头企业如爱默生、西门子、博世、意法半导体、霍尼韦尔等跨国公司占据约60％的国内市场份额，尤其在高端市场，约80％的传感器芯片依赖海外企业。从国内格局看，当前市场较集中，我国传感器行业TOP5企业占据了国内传感器市场约40％以上的份额，其余约60％为中小企业，国内厂商产品主要集中在中低端。整体来讲，传感器领域尤其是高端传感器芯片国产化率依然很低，国产替代空间广阔。

3.2 传感器：机器人的“眼睛”和“神经”，贡献主要增量市场

机器人需要多传感器来保证灵敏度。各种传感器相当于工业机器人的手、眼、耳和鼻，有助于识别自身的运动状态和环境状况。在这些信息的帮助下，控制器可以发出相应的指令，使机器人完成所需的动作。根据检测对象的不同，可以分为内部传感器和外部传感器。内部传感器一般用来检测机器人本身状态，包括位置、速度、力觉传感器等；外部传感器一般用来检测机器人搜出环境状况，包括距离、触觉、听觉、视觉传感器等。人形机器人对于传感器的需求多，量产后有望推动传感器行业空间扩容。根据特斯拉在AI Day 2022披露的信息，其每一个旋转关节需要1个力矩传感器，2个位置传感器（输入和输出各一个）。每一个直线关节需要1个拉压力传感器和1个位置传感器。特斯拉的人形机器人产品身体共计28个自由度，包括直线、旋转执行器共计28个，而此处并未计算手部和头部需要的传感器。此外，现阶段协作机人关节一般都配备成双编码器模式，使用双编码器可以补偿关节刚度，因此我们推测特斯拉的关节上可能也具备双编码器，若考虑每个关节上多出两个编码器，则传感器数量将进一步提升。在可预见的未来，随着人型机器人的技术进步和成本的降低，势必推动智能传感器的发展。

值得注意的是，与机器人相关的传感器包括主要包括惯导常感器、力矩传感器、温度传感器、位置传感器、力传感器、接近传感器、编码器等。其中惯导常感器、力矩传感器、温度传感器2022年市场空间分别为160、80、65亿美金，随着机器人领域的快速发展，此类传感器的需求有望迎来新一波快速增长。

3.3 传感器新技术：柔性传感器市场有望迎来爆发

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，可以自由弯曲甚至折叠。柔性传感器采用了柔性基板，其本质上是一种薄膜，通常采用聚酰亚胺（PI）、聚酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料制成。从刚性到柔性的突破，极大拓展了传感器的应用场景，不仅是游戏领域中的智能穿戴设备，还有医疗大健康领域的电子皮肤、疾病诊断设备、健康监测设备、智能颈枕、智能按摩设备，消费领域的智能手环、元宇宙手套，智能家居领域的智能床垫，甚至是马斯克提出的脑机接口。从性能指标的衡量上看，除稳定性、选择性和灵敏度这些用于评估传感器性能的主要指标外，衡量柔性传感器独有的方面，还包括对机械变形的耐受性和整体集成到大型区域传感阵列，但整体看，稳定性是传感器实

用性的核心，也是加速柔性传感器商业化的关键。

根据 Allied Market Research 的预测，2020-2026年，全球智能传感器市场规模年均增速有望超过14%，预计到 2026年，全球智能传感器市场规模接近800亿美元。另据弗若斯特沙利文预测，2019年至2025年，全球柔性电子市场的年复合增长率达到惊人的 144.71%，到2025年市场规模可达3049.4亿美元。柔性电子的发展必然对柔性传感器的需求带来爆发式的增长。

总结

传感器行业是当今科技领域不可或缺的关键驱动力，被誉为现代智能化的神经触角，是万物互联时代的重要组成部分。作为一种能够感知、测量和监测环境中变量的装置，其通过将实际世界的信息转换为电信号或数字数据，为我们提供宝贵的数据输入。无论是智能手机、汽车、工业自动化还是医疗设备，传感器的应用无处不在，极大地便利了我们的生活和工作。近年来，随着机器人行业的迅速发展，传感器也迎来了新的投资机遇。

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