摘要
隨著材料技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、IT 技術(shù)在各領(lǐng)域的普及，傳感器的作用變得越來越重要。隨著傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，不僅智能手機(jī)、IT設(shè)備和汽車等行業(yè)都需要大量使用傳感器，在體育、健康和醫(yī)療領(lǐng)域，利用傳感器獲取生命（生物）信息的需求越來越高。
本文將介紹幾種主要的傳感器—圖像傳感器、生命傳感器、氣味傳感器、壓電和張力傳感器。它們不僅需要具備耐久性，而且針對不同的一個應(yīng)用場景進(jìn)行不同的封裝。此外還介紹了關(guān)于這些傳感器在云、人工智能和大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
一、傳感器的市場規(guī)模和發(fā)展趨勢
讓我們通過日本電子和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會（JEITA）對傳感器全球形勢調(diào)查的結(jié)果來看看傳感器市場的規(guī)模及其變化。2020年全球傳感器出貨量為322億只，出貨金額約為18790億日元，過去5年數(shù)量增長約25%，金額增長超過77%。
縱觀各年，我們可以看到在數(shù)量上溫度傳感器占據(jù)了半數(shù)以上，達(dá)到69%，在金額上光度傳感器占據(jù)了72%（圖1）。按需求部門構(gòu)成比，智能手機(jī)、通信領(lǐng)域的需求為59%，汽車、交通領(lǐng)域的需求為14%。根據(jù)種類統(tǒng)計，光度傳感器所占比率大，根據(jù)需求用途統(tǒng)計，智能手機(jī)、通信領(lǐng)域所占比率大，這是因?yàn)橹悄苁謾C(jī)領(lǐng)域大量搭載的照相機(jī)圖像傳感器的緣故。
圖1世界的傳感器出貨調(diào)查
最近，在一臺智能手機(jī)上搭載廣角、望遠(yuǎn)等多個相機(jī)的機(jī)型變得普遍，預(yù)計這一趨勢將進(jìn)一步加速。除此之外，監(jiān)控攝像頭的廣泛使用也做了不小的貢獻(xiàn)。
在汽車領(lǐng)域，圖像傳感器也是不可缺少的。最近的汽車以安全、安心、環(huán)境技術(shù)為目標(biāo)，各種各樣的傳感器被廣泛使用，所以汽車排在需求用途部門的第2位是可以理解的。此統(tǒng)計中JEITA的傳感器分類如表1所示。
表1傳感器分類
二、圖像傳感器的市場動向
如前一章所示，世界光度傳感器的出貨金額超過了10000億日元。從圖像傳感器領(lǐng)域世界首位—索尼的銷售額和資本投資動向來看（圖2），銷售額從2013年的3200億日元增長到2017年的6494億日元，幾乎翻了一番。此外，2018財年達(dá)到7114億日元，2019財年進(jìn)一步達(dá)到8400億日元。
圖 2索尼公司圖像傳感器的銷售額和設(shè)備投資額（單位：億日元）
從JEITA的統(tǒng)計數(shù)據(jù)（圖1）中可以證實(shí)索尼占據(jù)了圖像傳感器全球市場的大部分份額這一事實(shí)。在設(shè)備投資方面，雖然受到2016年4月14日熊本地震的影響，但一直進(jìn)行積極的設(shè)備投資，2019年度在設(shè)備上投入了 2800億日元。2021年，索尼在長崎縣建設(shè)了圖像傳感器的新工廠并已投入使用。圖像傳感器的用途正在不斷擴(kuò)大，其中除了智能手機(jī)、自動駕駛、數(shù)碼相機(jī)、工業(yè)用機(jī)器人、攝影器材、醫(yī)療用機(jī)器等方面的用途之外，無人機(jī)搭載相機(jī)、安全目的監(jiān)控攝像頭等用途也多種多樣，被稱為電子眼的傳感器的應(yīng)用場景將進(jìn)一步擴(kuò)大。
三、生命體征傳感器
近年來，在手表上搭載生命體征傳感器的可穿戴設(shè)備—智能手表，備受矚目。手表背面和表帶部分搭載了光學(xué)式心率傳感器，與加速度、GPS、氣壓等傳感器一起測量佩戴者的活動量和健康狀態(tài)。通過與智能手機(jī)應(yīng)用程序的連接，不僅可以監(jiān)測運(yùn)動員、體育愛好者、徒步旅行及登山者的生命體征，還可從健康面在日常生活中監(jiān)測健康狀態(tài)。
在工業(yè)方面，夏天的酷暑引起了諸多問題。為了確保在炎炎烈日下土木建筑人員的安全，一些建筑公司開始導(dǎo)入一種利用腕式心率傳感器的健康監(jiān)測系統(tǒng)。光學(xué)式心率傳感器的原理如圖3所示，圖4是管理系統(tǒng)其原理如為一般的光學(xué)式心跳傳感器的原理，圖4為管理系統(tǒng)的流程圖。
光學(xué)心率傳感器有透射式和反射式兩種，安裝在手表背面的傳感器是反射式傳感器。常使用對血液中的血紅蛋白吸收率高的綠色LED作為光源，根據(jù)受光元件檢測出的血流量的變動波形，測量其周期從而得到心率的數(shù)據(jù)。管理系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡(luò)通信將來自可穿戴設(shè)備的心率數(shù)據(jù)和體表溫度數(shù)據(jù)等上傳到云端，管理者監(jiān)控作業(yè)人員的生命信息和位置信息。同時，如果通過監(jiān)控作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)（氣溫、濕度等），還能提供更細(xì)致的服務(wù)。
圖3光學(xué)心率傳感器原理圖
圖4遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)管理系統(tǒng)
（※1 日本著名的建筑企業(yè)大林組株式會社，2019年7月22日采用NTT Communications的通信方式，開通了面向作業(yè)人員的安全管理系統(tǒng) Envital?，現(xiàn)場熱源只需佩戴腕帶，便可隨時對作業(yè)人員進(jìn)行健康監(jiān)測。）
蘋果手表Sereis4/5，除了光學(xué)式心率傳感器之外，還搭載了電極式心率傳感器，利用人體電勢測量的電極式心率傳感器，即ECG(Electrocardiogram：心電圖)功能。通過測量人體不同點(diǎn)的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準(zhǔn)，生成的心電圖報告是可以直接用于醫(yī)療的，并且通過了美國FDA認(rèn)證。
2021年，谷歌完成了對智能穿戴行業(yè)的先驅(qū)者Fitbit以21億美元巨資收購，可以看出谷歌對數(shù)字健康市場的非同尋常的期待和戰(zhàn)略。谷歌同時獲得了可穿戴設(shè)備的硬件技術(shù)和Fitbit的顧客，通過對健康大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，把云和AI結(jié)合在一起，將來會提供怎樣的新服務(wù)備受關(guān)注。IT公司蘋果和谷歌的這一舉措預(yù)計將以超出我們想象的規(guī)模和速度推進(jìn)，為數(shù)字醫(yī)療保健創(chuàng)造巨大的市場。
下面介紹一下在2019年9月舉辦的傳感器展會上展出了一種可以用創(chuàng)可貼膠布貼在胸部的電極式心率傳感器（圖5）。這款名為Vitalgram?的傳感器是Aford Sense株式會社開發(fā)的產(chǎn)品。只需將其貼在身體上，即可將心電圖和體表溫度等生物特征信息、運(yùn)動量、姿勢、上下樓梯的高度變化、溫度及濕度等環(huán)境信息實(shí)時發(fā)送至智能手機(jī)等外部設(shè)備。
搭載電極式心率傳感器的生命體征傳感器（左：傳感器正面 右：傳感器背面 顯示器顯示的是由傳感器采集的數(shù)據(jù)）
產(chǎn)品規(guī)格如表2所示。其特點(diǎn)是在小設(shè)備上搭載了6項(xiàng)傳感功能，是一款針對老人和嬰兒看護(hù)、醫(yī)院護(hù)士呼叫、個人健康管理、運(yùn)動訓(xùn)練管理等廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品。雖然沒有手表型那么使用方便，但是在功能和性能方面頗具魅力，今后的發(fā)展值得關(guān)注。
表2生命體征傳感器規(guī)格
（※2 作為獨(dú)立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)略性創(chuàng)造研究推進(jìn)事業(yè)（ERATO）的一環(huán)，該研究成果創(chuàng)可貼型生物傳感器的研究開發(fā)是在兵庫縣立大學(xué)研究生院工學(xué)研究科前中一介教授的指導(dǎo)下進(jìn)行的。）
四、氣味傳感器
說到氣味，惡臭和異味等不好的印象首先浮現(xiàn)出來，而香味在傳感的世界里從來沒有見過。這里介紹的氣味傳感器是為了將臭味和香味可視化而開發(fā)的。氣味含有非常多的氣體成分，為了檢測氣味，需要專用的分析儀器。Aromabit株式會社開發(fā)了一種氣味傳感器，在傳感器元件上形成選擇性地吸附氣體成分的獨(dú)自的氣味功能膜，通過水晶振子的振蕩頻率檢測吸附在膜上的質(zhì)量，從而檢測出氣味（圖6）。從圖中可以看到線路板上排列著5個氣味功能膜，用戶可以選擇5種目標(biāo)氣味，Aromabit公司選擇多達(dá)5種類型的敏感膜組合，可準(zhǔn)確輕松響應(yīng)目標(biāo)氣味。
圖6氣味傳感器（2018年12月1日發(fā)表的氣味成像傳感器系統(tǒng)開發(fā)套件[SDK-1Q]）
（※3 這項(xiàng)技術(shù)被稱為QCM（Quartz Crystal Microbalance：水晶振子微平衡）。傳統(tǒng)的氣體傳感器僅區(qū)分氣味中包含的特定分子，而Aromabit公司的傳感器中則是以陣列狀配置著吸附特性不同的傳感器元件，測量氣味分子的附著方式分離，無論是什么氣味都可以識別出模式。利用這一技術(shù)，可以通過氣味檢測出酒的品牌、通過口臭或體臭發(fā)現(xiàn)身體的疾病，應(yīng)用范圍十分廣泛。傳感器元件的結(jié)構(gòu)如圖7所示。）
圖7吸附特性不同的傳感器元件陣列和氣味分子吸附在傳感器元件上的示意圖
獨(dú)特的選擇性吸附氣體成分的氣味功能膜技術(shù)，在CMOS型離子成像傳感器的開發(fā)中取得了豐碩的成果。2019年7月23日，Aromabit公司在國立豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)澤田和明教授等人開發(fā)的超高靈敏度硅CMOS型離子成像傳感器的傳感器基礎(chǔ)技術(shù)中，成功應(yīng)用了他們開發(fā)的氣味受體膜，同時，為了產(chǎn)業(yè)化成立了Aromabit Silicon Sensor Technology 公司。如圖8所示，該傳感器可以在 1mm2的面積上形成與狗的鼻子同等的受體數(shù)（約1200種）相當(dāng)?shù)膫鞲衅髟ㄟ^小型化和低成本化，成功搭載在智能手機(jī)上。
圖8水晶振子（QCM）與CMOS型氣味傳感器的比較
在2019年10月舉辦的CEATEC展會上，與Aromabit公司簽訂了氣味傳感器共同開發(fā)協(xié)議的太陽誘電公司展出了搭載氣味傳感器的產(chǎn)品（圖9）
圖9產(chǎn)業(yè)化的氣味傳感器
（※4 左邊是傳感器線路板，中間是吸氣·排氣用的氣味傳感器單元照片，右邊是傳感器的模型。）
五、壓電線路/張力傳感器
三井化學(xué)開發(fā)了一種高感度、柔軟、適用于線、面、立體的壓電線/張力傳感器，其線徑為φ0.4mm，可以檢測超聲波區(qū)域中的微小應(yīng)變變化和振動。這個被命名為PIEZOLA的傳感器，是一種壓電元件呈線狀結(jié)構(gòu)的傳感器，當(dāng)施加應(yīng)變和振動，壓電材料本身就會產(chǎn)生電壓。傳感器的結(jié)構(gòu)和規(guī)格如圖10所示。
圖10壓電傳感器結(jié)構(gòu)及規(guī)格參數(shù)(卷在卷軸上的線狀物是PIEZOLA壓力傳感器)
由于該傳感器可以檢測出微小變形變化的特點(diǎn)，可應(yīng)用于線、面、立體及超聲波的振動的檢測，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：
接觸·沖擊傳感器·高頻振動傳感器防盜·監(jiān)控傳感器·心率/呼吸/體動傳感器可穿戴設(shè)備傳感器
圖11實(shí)際應(yīng)用示例（當(dāng)施加壓力時產(chǎn)生電壓，監(jiān)控畫面上顯示張力波形變化）
下圖是Cosmo Research公司開發(fā)的使用壓電傳感器的心率/呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。
圖12嬰幼兒看護(hù)系統(tǒng)（壓電及張力傳感器）
墊子上貼著線狀高靈敏度壓電傳感器，當(dāng)嬰兒心跳或呼吸發(fā)生異常時會發(fā)出警報。目前作為看護(hù)傳感器被應(yīng)用于防止嬰兒或老人的猝死綜合癥的發(fā)生。無論哪種應(yīng)用場景，都是由高靈敏度的壓力傳感器捕捉到由心跳和呼吸引起的微小身體活動，通過高速信號處理算法，從噪音中辨別出異常信號。
六、關(guān)于面向基礎(chǔ)設(shè)施用監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器器件高耐久性封裝技術(shù)
下面介紹一下關(guān)于在橋梁、隧道、大壩等環(huán)境苛刻的基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測用的高耐久性封裝技術(shù)。
日本新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）成功研制了一種高耐候性的陶瓷（LTCC）傳感器終端包裝（圖13）。為了將由傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、微型計算機(jī)等電子電路、有線、無線通信電路、天線及電池等構(gòu)成設(shè)備以一體化的方式安裝在封裝中，使其在長時間內(nèi)穩(wěn)定地工作，要求不僅能適用于較寬范圍的環(huán)境溫度和濕度（高溫、高濕、高鹽等），還必須具備很高的耐候性/耐水性·防塵性/耐振性。NEDO的這項(xiàng)研究，對于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控的傳感系統(tǒng)來說必不可少。測試條件如表3所示。
圖13陶瓷包裝外觀
圖14陶瓷包裝結(jié)構(gòu)示意圖
表3耐久性加速測試條件
七、用于傳感器開發(fā)的測量儀器
傳感器的工作原理時通過敏感元件及轉(zhuǎn)換元件把特定的被測信號（物理量和機(jī)械量），按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號,比如說電壓信號并輸出，以滿足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。因此，用于傳感器開發(fā)、制造的測定器也以基本測定器為主。但是，如果把這個作為傳感系統(tǒng)的開發(fā)用測量器的話，就需要更多種類的測量儀器。圖15概述了用于傳感系統(tǒng)開發(fā)的測量儀。搭載輸入放大器、AD轉(zhuǎn)換器、搭載微機(jī)的電路板設(shè)計所需電源、萬用表、示波器。在省電設(shè)計中，微電流測量是不可缺少的。最近的示波器不僅可以觀測模擬波形、解析數(shù)字（邏輯）信號，還有混合域光譜分析功能。通信功能通常采用藍(lán)牙、920MHz的LPWA和無線LAN，因此設(shè)計是否符合標(biāo)準(zhǔn)，使用頻譜分析儀和協(xié)議分析儀的測試會增加。
圖 15用于傳感系統(tǒng)開發(fā)的測量儀器
八、結(jié)束語
傳感器作為現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，被認(rèn)為是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國內(nèi)外公認(rèn)的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。傳感器技術(shù)直接關(guān)系到我國自動化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢，傳感器技術(shù)強(qiáng)，則自動化產(chǎn)業(yè)強(qiáng)。由此可見傳感器技術(shù)對自動化產(chǎn)業(yè)乃至整個國家工業(yè)建設(shè)的重要性。
日本則把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首。日本工商界人士聲稱支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時代。日本對開發(fā)和利用傳感器技術(shù)相當(dāng)重視并列為國家重點(diǎn)發(fā)展6大核心技術(shù)之一。
2020年全球傳感器的市場規(guī)模約為1606.3億美元，智能傳感器的市場規(guī)模為358.1億美元，隨著全球智能化應(yīng)用和傳感器行業(yè)的持續(xù)發(fā)展，2022年至2028年創(chuàng)下8.9%的CAGR紀(jì)錄，預(yù)計2028年將達(dá)到3457.7億美元。預(yù)計2030年中國ADAS/自動駕駛傳感器的市場規(guī)模將增長到141億美元。按傳感器種類分類，雷達(dá)38億美元，相機(jī)47億美元，超聲波傳感器6億美元，LiDAR為50億美元，行業(yè)的發(fā)展?jié)摿薮蟆?/span>
