人類第一個(gè)溫度、MEMS、壓力、紅外…傳感器是？竟然很多人不知道

世界上第一個(gè)現(xiàn)代傳感器，人類第一個(gè)電信號傳感器，第一個(gè)溫度傳感器

在一些介紹傳感器歷史的內(nèi)容中，有時(shí)候會(huì)將指南車、地動(dòng)儀、日冕儀等等作為最古老的“傳感器”，然而這些中國古代的偉大發(fā)明，雖然具有一定的“感知”能力，但并不具備現(xiàn)今我們所說的傳感器特征。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律(數(shù)學(xué)函數(shù)法則)轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。

傳感器的概念可以追溯到19世紀(jì)初，當(dāng)時(shí)科學(xué)家們開始研究電學(xué)現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)電阻、電容和電感等參數(shù)的變化可以用來測量周圍環(huán)境的物理量。人類最早發(fā)明的將測量信號變?yōu)殡娦盘柕默F(xiàn)代傳感器是溫度傳感器。

17世紀(jì)初，伽利略發(fā)明了氣體溫度計(jì)，人類開始利用溫度進(jìn)行測量。

19世紀(jì)初，物理學(xué)家Thomas Johann Seebeck、Jean-Charles Peltier、William Thomson分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，熱電效應(yīng)就是由溫差產(chǎn)生電壓的直接轉(zhuǎn)換，且反之亦然，也即溫度與電壓之間存在確定的關(guān)系。

1829 年L.Nobili 根據(jù) Seebeck 發(fā)現(xiàn)的熱電效應(yīng)制造了第?個(gè)熱電偶和改進(jìn)的溫度計(jì)。這種傳感器是由兩個(gè)不同金屬連接而成的電路，當(dāng)兩個(gè)金屬連接處的溫度不同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差。根據(jù)熱電偶產(chǎn)生的電壓差的大小，可以測量溫度的變化。

1831年后，M. Melloni 提出了將多個(gè)鉍銅熱電偶串聯(lián)連接的想法，從?產(chǎn)?更?的、可測量的輸出，多個(gè)熱電偶連接稱為熱電堆，這是世界上第一個(gè)熱電堆溫度傳感器。

▲Nobili-Mellon熱電堆原型

雖然熱電偶是第一個(gè)被廣泛應(yīng)用的溫度傳感器，但它的精度和穩(wěn)定性相對較差，而且受到溫度、材料等因素的影響較大。

五十年以后的1871年，另一位德國人西門子（Wilhelm Siemens）發(fā)明了鉑電阻溫度傳感器，但由于溫度讀數(shù)不穩(wěn)定，西門子的 RTD （鉑電阻溫度傳感器）迅速失寵。

此后，1885年，英國物理學(xué)家Hugh Longbourne Callendar 開發(fā)出第一個(gè)商用成功的鉑 RTD，成為第一個(gè)設(shè)計(jì)和制造適合使用的精確鉑電阻溫度計(jì)的人。

因精度高穩(wěn)定性好，鉑電阻溫度傳感器目前被廣泛用于醫(yī)療、電機(jī)、工業(yè)、溫度計(jì)算、衛(wèi)星、氣象、阻值計(jì)算等高精溫度設(shè)備。

在半導(dǎo)體技術(shù)的支持下，本世紀(jì)相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代溫度傳感器已經(jīng)具備了更高的精度、更廣的測量范圍和更好的穩(wěn)定性，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等。

如今溫度傳感器已是市場規(guī)模最大的傳感器種類之一。

▲傳統(tǒng)溫壓流傳感器市場份額，來源：前瞻產(chǎn)業(yè)研究院

第一個(gè)紅外傳感器，因軍事而發(fā)展，最具軍事價(jià)值的傳感器之一

第一個(gè)紅外傳感器的發(fā)明可以追溯到19世紀(jì)末，1800年英國物理學(xué)家William Herschel（赫胥爾）發(fā)現(xiàn)了物體紅外輻射和溫度的關(guān)系。

這與Seebeck等人發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)原理幾乎同一時(shí)間，不過，直到20世紀(jì)初期，紅外傳感器才開始得到實(shí)際應(yīng)用。

1917年，第?個(gè)紅外（IR）探測器由 Theodore W. Case 開發(fā)，在美國陸軍的支持下，1918年被用作紅外信號裝置中的傳感器，該紅外探測器使用硫化亞鉈（Tl2S）。

自 1940 年代以來，這些探測器得到了廣泛的發(fā)展。硫化鉛 (PbS) 是第一個(gè)實(shí)用的紅外探測器。

在 20 世紀(jì) 50 年代末和 1960 年代，德州儀器、休斯飛機(jī)公司和霍尼韋爾公司開發(fā)了單元件探測器，可以掃描場景并生成線圖像，這些基本探測器推動(dòng)了現(xiàn)代熱成像技術(shù)的發(fā)展。

第?次世界?戰(zhàn)后，紅外探測器技術(shù)的發(fā)展主要由軍事應(yīng)?推動(dòng)，直到今天紅外傳感器仍是最具有軍事價(jià)值的傳感器種類之一。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代紅外傳感器已經(jīng)具備了更高的靈敏度、更寬的波段范圍和更好的抗干擾性能。目前，紅外傳感器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、安防、軍事、工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

▲紅外熱成像（紅外傳感器）發(fā)展歷程

因?yàn)榧t外傳感器的軍事價(jià)值，紅外傳感器技術(shù)高度敏感，是西方國家對我國制裁最嚴(yán)重的傳感器技術(shù)之一，目前我國國防領(lǐng)域紅外傳感器基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主研發(fā)。

而民用，在非制冷紅外探測器等紅外傳感領(lǐng)域，我國已涌現(xiàn)出高德紅外、睿創(chuàng)微納、海康威視、大立科技、大華科技等一批優(yōu)秀企業(yè)，完整掌握相關(guān)核心技術(shù)。

第一個(gè)MEMS傳感器，開啟傳感器的“狂飆”時(shí)代

MEMS技術(shù)對現(xiàn)今傳感器的普及起到關(guān)鍵作用，如果沒有MEMS技術(shù)，傳感器的微型化、集成化、低功耗等將難以做到，而物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、汽車等發(fā)展也將嚴(yán)重滯后。目前，MEMS傳感器已占到所有傳感器市場份額的約一半以上。

1959年美國物理學(xué)家Richard Feynman（理查德費(fèi)曼），在他著名的演講“底部有足夠的空間”中，提出了將機(jī)器小型化到原子和分子尺度的想法。然而，直到 20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代，MEMS 技術(shù)才開始得到開發(fā)和商業(yè)化。

1962年，微小器件的先驅(qū)——第一個(gè)硅微壓力傳感器問世，開創(chuàng)了MEMS技術(shù)的先河，也是MEMS微傳感器的起始點(diǎn)。霍尼?爾研究中?和?爾實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)論文顯示，他們發(fā)明了第?個(gè)硅隔膜壓?傳感器和應(yīng)變計(jì)。

此后，?們對MEMS傳感器技術(shù)的興趣急劇增?，到 1960 年代后期，許多美國先驅(qū)公司已經(jīng)開始生產(chǎn)第一批MEMS壓力傳感器。

第一個(gè)真正大規(guī)模商業(yè)化的 MEMS 傳感器是加速度計(jì)，它由美國ADI公司（亞德諾）于 1991 年發(fā)明。該傳感器基于電容傳感原理，傳感器的輸出信號可用于測量加速度或傾斜度。

這個(gè)MEMS加速度傳感器主要用于汽車安全氣囊中，此前汽車安全氣囊用傳統(tǒng)傳感器一只售價(jià)20美元，而ADI的MEMS加速度傳感器售價(jià)約為每個(gè)5美元，這使安全氣囊電子裝置的成本降低了75%左右。

此后，MEMS技術(shù)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器、麥克風(fēng)等傳感器領(lǐng)域。MEMS傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比具有許多優(yōu)勢，例如體積更小、功耗更低、精度更高、成本更低。它們促進(jìn)了消費(fèi)電子、汽車、醫(yī)療保健和航空航天等領(lǐng)域的許多新應(yīng)用的開發(fā)。

目前，據(jù)Yole的MEMS市場調(diào)研報(bào)告顯示，MEMS射頻器件、MEM壓力傳感器、MEMS慣性傳感器（含加速度計(jì)和陀螺儀）等為主要的MEMS傳感器種類。

第一個(gè)CMOS圖像傳感器：中國人參與貢獻(xiàn)

圖像傳感器主要分為CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器，由于CMOS圖像傳感器具有集成度高、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、功耗低、成本低、體積小、圖像信息可隨機(jī)讀取等一系列優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)90年代開始被重視并獲得大量研發(fā)資源，其市場份額占比逐年提升。

目前CMOS圖像傳感器在圖像傳感器市場中占據(jù)主導(dǎo)地位，2020年，全球圖像傳感器市場中，CMOS圖像傳感器占比為83.2%；CCD圖像傳感器占比為16.8%，并且CCD圖像傳感器市場在不斷萎縮。

1963年Morrison發(fā)表了可計(jì)算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。

據(jù)科技老兵戴輝《CMOS圖像傳感器35年史和中國人的關(guān)鍵貢獻(xiàn)》文中介紹，1989 年，英國愛丁堡大學(xué)的Peter Denyer教授、David Renshaw博士，和當(dāng)時(shí)在愛丁堡大學(xué)做科研的王國裕和陸明瑩聯(lián)袂發(fā)表了一篇論文，報(bào)道了CMOS 圖像傳感器（CIS）的工作。

1990年底，芯片流片成功，英國愛丁堡大學(xué)成功地制造出了世界上第一塊單片 CMOS 圖像傳感器件（備注：ASIC IMAGE SENSOR），并成功進(jìn)行了演示，從此開創(chuàng)了一個(gè)新世界。

此外，王國裕開發(fā)了國內(nèi)第一個(gè)單片CMOS攝像芯片、國際上第一個(gè)高分辨率CMOS攝像芯片（40萬像素）、國內(nèi)第一個(gè)同時(shí)帶有全電視信號輸出和數(shù)字信號輸出的單片CMOS攝像芯片、國內(nèi)第一個(gè)單片CMOS彩色攝像芯片。并以單片CMOS攝像芯片為核心，開發(fā)出國內(nèi)第一個(gè)微型攝像頭（曾在公交車上大量使用）和國內(nèi)第一個(gè)電腦眼。

目前CMOS圖像傳感器是市場規(guī)模最大的傳感器領(lǐng)域之一，全球CMOS圖像傳感器市場中，中國企業(yè)具有一定影響力。

其中，豪威科技（Omnivision）排名全球第3中國第一，占據(jù)全球13%市場份額，豪威科技也是全球最早成功量產(chǎn)商業(yè)CMOS圖像傳感器的企業(yè)之一。格科微（Galaxycore）排名全球第5中國第二，占據(jù)全球4%市場份額，思特威（Smartsens）排名全球第7中國第三，占據(jù)全球2%市場份額。

▲來源：Yole

第一個(gè)壓力傳感器

“壓力”一詞最早在1648年由法國科學(xué)家帕斯卡提出，壓強(qiáng)單位帕斯卡（符號Pa或Pascal）即以其名字命名。

第一個(gè)壓力傳感器的發(fā)明可以追溯到17世紀(jì)，當(dāng)時(shí)英國物理學(xué)家Robert Boyle發(fā)現(xiàn)了氣體壓力與體積的反比關(guān)系，并用一個(gè)裝置測量了氣體壓力。不過，這個(gè)裝置并不是真正意義上的壓力傳感器。

1930年，Graeff（格拉夫）發(fā)明第一支壓力傳感器轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，在此機(jī)構(gòu)中，膜片、彈簧或Bourdon管的移動(dòng)量變?yōu)殡娏坎糠?，壓力膜片成為電容部分，指示器可?dòng)機(jī)構(gòu)成為電位計(jì)分支。

真正意義上的壓力傳感器追溯到1938年，當(dāng)時(shí)美國物理學(xué)家Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge分別獨(dú)立發(fā)明了一種名為“電阻應(yīng)變片”的裝置，可以將受力變形轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。這種裝置后來被用于制造壓力傳感器，也被稱為“應(yīng)變式壓力傳感器”。

值得一提的是，直到1974年，我國才研制成功第一個(gè)實(shí)用壓阻式壓力傳感器。

應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理是基于材料的彈性變形特性，當(dāng)材料受到力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的變形，從而改變電阻值。通過測量電阻值的變化，可以計(jì)算出受力的大小。

▲應(yīng)變式壓力傳感器

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代壓力傳感器已經(jīng)具備了更高的精度、更廣的測量范圍和更好的穩(wěn)定性，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如工業(yè)自動(dòng)化、汽車、航空航天等。

第一個(gè)車規(guī)級量產(chǎn)激光雷達(dá)，中國廠商后來居上

激光雷達(dá)LiDAR 使用脈沖激光以與雷達(dá)類似的方式測量距離，在測量測繪領(lǐng)域已使用多年。

1968年，美國 Syracuse 大學(xué)的 Hickman 和 Hogg?建造了世界上第一個(gè)激光海水深度測量系統(tǒng)。

20世紀(jì)70年代末，美國國家航空航天局（NASA）成功研制出一種具有掃描和高速數(shù)據(jù)記錄能力的機(jī)載海洋激光雷達(dá)。

1990年德國 Stuttgart 大學(xué) Ackermann 教授領(lǐng)銜研制的世界上第一個(gè)激光斷面測量系統(tǒng)，這一系統(tǒng)成功將激光掃描技術(shù)與即時(shí)定位定姿系統(tǒng)結(jié)合，形成機(jī)載激光掃描儀。

1993年，德國出現(xiàn)首個(gè)商用機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)TopScan ALTM 1020。1995年，機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

2014年，第一屆DARPA挑戰(zhàn)賽開始，激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛行業(yè)首次嶄露頭角。

2017年，奧迪發(fā)布全球首款量產(chǎn)的L3級自動(dòng)駕駛汽車（A8）并搭載法雷奧的第一代混合固態(tài)激光雷達(dá)SCALA。SCALA成為全球第一個(gè)完成車規(guī)量產(chǎn)認(rèn)證的激光雷達(dá)，采用單軸轉(zhuǎn)鏡的混合固態(tài)激光雷達(dá)。

中國傳感器廠商雖然進(jìn)入激光雷達(dá)領(lǐng)域相對較晚，但目前全球激光雷達(dá)市場中，以禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、華為、大疆覽沃等為代表的中國激光雷達(dá)企業(yè)，已占據(jù)一定市場份額。

▲來源：Yole

結(jié)語

我國傳感器產(chǎn)業(yè)起步較晚，20世紀(jì)60年代開始涉足傳感器制造業(yè)。

我國在1972年組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位；1974年，研制成功中國第一個(gè)實(shí)用壓阻式壓力傳感器；1978年，誕生中國第一個(gè)固態(tài)壓阻加速度傳感器；1982年，國內(nèi)最早開始硅微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)和SOI(絕緣體上硅)技術(shù)的研究。

我國有古老的四大發(fā)明，但在近現(xiàn)代重要的科學(xué)技術(shù)發(fā)明中，我國的貢獻(xiàn)寥寥無幾，如傳感器等信息科技基礎(chǔ)技術(shù)，中國的貢獻(xiàn)極少，產(chǎn)業(yè)仍處于落后的追趕狀態(tài)。

然而，隨著我國科學(xué)水平的發(fā)展，如今在一些新興傳感器領(lǐng)域，譬如量子傳感等，并不落后于世界先進(jìn)水平，相信未來會(huì)有更多傳感器技術(shù)進(jìn)步第一，誕生在中國。