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标题: 物联网的关键 - 传感器 [打印本页]
作者: vgongye    时间: 2020-3-27 14:22
标题: 物联网的关键 - 传感器
“正如眼睛、鼻子、耳朵和皮肤在人体中的作用一样，它在硬件中充当一个从外界接受信息的角色”。这句话描述的正是传感器。自从发明以来，它就一直被应用在工控和其他领域，作为一个重要的设备前端，传感器的功能几近是不可代替的。在现在步入了物联网时代，传感器变得尤其重要。　　据美国市场研究机构透明市场研究（Transparency Market Research）公司最新发布的报告显示，到2020年，全球可穿戴传感器市场将以45.2%的复合年均增长率继续成长。Yole Developpement 也预测，作为传感器重要组成部分的 MEMS 传感器产品需求在近年增势迅猛，从2014年起平均以12%-13%的增长率增长，到2019 年，产业总值预计将达到 240 亿美元。
　　面对这这么一个庞大市场，很多厂商正在加紧研发，攻城略地。
　　什么是传感器
　　在对传感器进行详细分析之前，我们需要了解一下什么是传感器，并且了解一下这些传感器可以被应用到哪些领域。
　　按照国家标准GB7665-87对传感器下的定义是“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。
　　也就是说传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
　　传感器种类繁多，在不同的产品中就有不同的应用，就拿简单的手机来说，就有重力传感器、加速度传感器、距离传感器、光线感应器、三轴陀螺仪、电子罗盘等，未来更可能会有热传感器、温度传感器、湿度传感器、紫外线传感器、压力传感器等等。很难一一列举！
　　按照应用市场，物联网产业可划分为智能工业、智能农业、智能物流、智能环保、智能交通、智能电网、智能医疗、智能安防、特种装备、智慧城市、智能家居等。Yole Developpement 数据显示，传感器中占比最大的是消费类应用，其规模达到 59 亿美元，占传感器产品市场的 45%，到 2019 年预计将超过 100 亿美元，年复合增长率约 11.2%。而成长最快的医疗服务市场，将从 2014 年4的24.5 亿美元增长至2019 年的72亿美元左右，年复合增长率近 30%。
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　　2014年全球MEMS传感器应用市场划分
　　尤其是在可穿戴领域，传感器未来的需求量更是激增。据全球居领先地位的关键信息、产品、解决方案和服务供应商IHS的数据显示，单个可穿戴设备所用传感器的平均数量将从2013年的1.4颗增长为2019年的4.1颗，总出货量将从6700万颗上升至4.66亿颗。一个属于传感器的时代正在到来。



　　典型传感器的原理和作用
　　上面我们已经谈到，传感器种类繁多，全面覆盖介绍是一项繁杂的工作，我们以iPhone 6为例，介绍一下传感器的原理和功用。
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　　iPhone 6手机中主要传感器一览
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　　iPhone 6手机中主要传感器型号功能
　　（一）运动/加速度传感器 Motion sensor/accelerometer
　　加速传感器的原理
　　在iPhone 6中的加速传感器芯片为InvenSense公司的MP67B芯片，这是一个六轴加速度和重力传感器。而在之前的历代iPhone 手机中该传感器采用的是STMicroelectronics 公司生产的芯片。
　　手机加速传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，比如重力。加速传感器原理：运用压电效应实现，一片“重力块”和压电晶体做成一个重力感应模块，手机方向改变时，重力块作用于不同方向的压电晶体上的力也随之改变，输出电压信号不同，从而判断手机的方向。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。他可以根据重力感应产生的加速度来推算出手机相对于水平面的倾斜度。
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　　MP67B芯片
　　加速度传感器的应用
　　重力感应常用于自动旋转屏幕以及一些游戏，但是它本身局限性比较大，因为他是根据重力判断方向，通过感应重力正交两个方向的分力大小，来判断水平方向。常见的应用加速度传感器的手机app是一些运动型的游戏，如极品飞车。这个时候可以通过重力判断水平垂直防线。
　　（2）光传感器 Ambient Light sensor
　　光传感器的原理
　　在iPhone 6手机上，光传感器芯片选用的是AMS公司的TSL2581芯片。环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。
　　光线感应器由投光器和受光器组成，投光器将光线聚焦，在传输至受光器，最后通过感应器接收变成电器信号。光线感应的用途是可以根据周围环境光线调节手机屏幕本身的亮度。
　　环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等。
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　　TSL2581芯片
　　光传感器的应用
　　在iPhone 6手机上，显示屏消耗的电量一般高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。
　　(3)电子罗盘 eCompass
　　电子罗盘的原理
　　从iPhone 3GS开始，iPhone手机中开始内置电子罗盘传感器。在iPhone 6手机中，电子罗盘芯片类型为由AKM公司生产的 AKM 8963芯片。AKM公司生产的电子罗盘传感器芯片一直服务于历代iPhone 手机之中。
　　电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。
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　　AKM8963芯片
　　电子罗盘的应用
　　电子罗盘的应用很广泛，一个简单的使用电子罗盘传感器的实例是iPhone 手机上的指南针app，通过指南针app可以实现在手机不联网的情况下进行指示方向，不依靠地图类app来指路，节省流量，方便快捷。在地图类的app中，电子罗盘也被用来配合设备的GPS和其他位置功能达到指向的功能。
　　(4)距离传感器 Proximity sensor
　　距离传感器的原理
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iPhone6上的距离传感器（左边Unknown）
　　通过发射特别短的并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。此方法叫做飞行时间法（flying time）。iPhone上的距离传感器的型号一直未能得知。
　　距离传感器的应用
　　这个传感器能够判断iPhone 6手机距离你有多近，这个传感器的一个作用是当手机贴近耳朵的时候能够自动的关闭屏幕。
　　(5)指纹识别传感器 fingerprint sensor
　　指纹识别传感器的原理
　　在iPhone 6手机中选用的是TMDR 92芯片。苹果手机从iPhone 5s开始支持指纹识别，iPhone 6及iPhone6 plus依旧支持，它的指纹识别传感器的供应商为Authen Tec公司。
　　指纹识别传感器位于iPhone 6手机的HOME键下方，Home键周围的光环也是感应性的，当手指靠近时就能检测到。用户也能很快知道自己的指纹是否正在被扫描而无需点按Home键。iPhone 6手机内的指纹识别传感器是 500dpi的阵列阵列，就这一点，就可以确定是电容式指纹采集方式。然后电容式会有一个问题，也可以算是特征，就是如何让手指带电，以及，如何检测到手指在采集区，并让检测电容阵列带电，（电容阵列一直带电很伤电容的，毕竟是很精密的设备），所以5s的不锈钢圆环就是起这个作用，让手指带电，并且检测到手指接触后，触发电容检测阵列加电。
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　　TMDR 92芯片
　　指纹识别传感器的应用
　　指纹识别传感器位于iPhone 6手机的HOME键下方，有了他，用户可以安东home键来进行解锁。有了它，用户可以免输入密码，确保更加安全的操作。最近，支付宝的ios app也已经支持了指纹识别，用户无需输入支付宝开启密码来开启支付宝，也不需要输入支付宝的支付密码，仅仅需要按动iPhone手机的HOME键就能够实现支付的功能。
　　(6)陀螺仪 gyroscope
　　陀螺仪的原理
　　iPhone 手机使用的陀螺仪芯片是Invensens公司的 MPU-6700。陀螺仪从2010年发布的iPhone 4手机开始在iPhone 手机中内置。
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MPU-6700顶部和底部封装照片
　　陀螺仪能够同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。 单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。
　　陀螺仪应用
　　它的主要作用是运用在游戏的控制上。通过三轴陀螺仪，我们只需要通过移动手机相应的位置，就可以达到改变方向的目的。比如平衡球游戏或者极品飞车，就是应用了陀螺仪的原理，完全摒弃以前通过方向按键来控制游戏的操控方式，使游戏更加真实，操作更加灵活。
　　（7）气压计 Barometer
　　气压计的原理
　　iPhone 6手机采用的气压计芯片是来自Bosch公司的MBP280芯片。
　　普通的气压计原理是根据气压计里面水银的高度是由大气压支撑，也就是说，大气压有多大，水银柱的液面就会有多高，所以气压计中，水银越高，气压越大。通过水银柱的高度，分割气压计的精确度，就可以来测量当前的气压了。
　　iPhone手机中的气压计类似于现实生活中的这些气压计，不过没有了液体水银，代替的是两个传感器之间的转换来将压力转换成另外一个传感器可以测量的量。
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　　MBP280芯片
　　气压计的应用
　　其实气压计的基本作用只是测量大气的压强，更重要的应用是为了尽用三维空间的功用来辅助GPS，通过气压的高低来判断设备的高度，再配合GPS所取得的经度和纬度来更快地计算出设备所在的位置。所以气压计在地图类，使用GPS或天气类的app中也有广泛的应用。
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　　在weathersignal app中的应用
　　（8）MEMS麦克风
　　iPhone 5背部使用了第三个麦克风来降噪，可实现高清晰度录像，很快成为业界标准。iPhone 6 Plus也是如此。
　　5上的三个麦克风有一个来自楼氏电子（Knowles Electronics），5S上有两个，6 Plus上却没有发现楼氏的身影，看起来是换供应商了，也可能会影响今明两年的麦克风市场格局。

　　第三个麦克风可辨认出来自意法半导体，MEMS内核来自欧姆龙，封装尺寸3.36×2.54×1.0毫米。
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麦克风一
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麦克风二
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麦克风三
　　另外， 像湿度传感器，相机传感器，声波传感器，触摸屏传感器，温度传感器，压力传感器等，由于它们的资料较少，且实际上如声波传感器，触摸屏传感器已经十分普遍地运用在智能手机上，而温度，湿度传感器与气压传感器功能类似，都属于环境传感器，且属于第一次出现在iPhone 手机上，相关资料相对较少，故不再具体讨论。

　　知名传感器厂商盘点
　　和其他半导体领域一样，传感器一直以来基本上也是欧美和日本的天下，尤其是在高端领域，这些厂商更是优势明显。目前市面上的主要物联网传感器厂商有博世、意法半导体、德州仪器、飞思卡尔、楼氏电子、ADI、霍尼韦尔、Invensense
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　　全球MEMS传感器厂商排名前30位
　　为了进一步对传感器领域进入深入的分析，我们其中一些传感器厂商进行深入了解：
　　博世（Bosch）
　　博世是德国最大的工业企业之一，从事汽车技术、工业技术和消费品及建筑技术的产业。在传感器领域更是处于全球领先的位置。从MEMS技术问世开始，博世始终处于MEMS（微机电系统）技术的最前沿位置。如今，博世已成为全球的MEMS传感器龙头生产商。
　　自1995年至今，博世已生产出超过五十亿颗MEMS传感器，产品囊括了整个消费性电子应用。另外，汽车也是一大重点应用领域。
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　　产品系列：包括压力传感器、加速度传感器、横摆传感器，以及集成惯性传感器，环境传感器，和麦克风。
　　意法半导体（STMicroelectronics）
　　意法半导体总部位于瑞士日贝瓦，于1987年由意大利的Società Generale Semiconduttori （SGS） Microelettronica与法国汤姆逊（Thomson）公司的半导体分部Thomson Semiconducteurs两家半导体公司合并而成，该公司自1998年5月汤姆逊撤股后由SGS-THOMSON更名为意法半导体（STMicroelectronics）。
　　自2001年起意法半导体涉足于开发微机电系统（MEMS），而截止到2015年第三季度，ST传感器出货量已达100亿片。其产品主要应用在汽车电子、工业控制、医疗电子、消费电子、通讯、计算机等行业。
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　　产品系列：加速度计、陀螺仪、二合一的6轴惯性模块、压力传感器、MEMS麦克风、紫外传感器、湿度传感器，以及压电执行器和微反射镜，全球唯一能够提供全部传感器和微执行器的半导体供应商。
　　德州仪器（Texus Instrument）
　　德州仪器是一家位于美国德克萨斯州达拉斯的跨国公司，以开发、制造、销售半导体和计算机技术闻名于世，主要从事数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售。它在25个国家有制造、设计或者销售机构。德州仪器是世界第三大半导体制造商。
　　TI是全球首款温度传感器IC的创新者，提供了全面的易于使用的模拟温度传感器系列，适合用于诸如保护、控制、校准之类的系统温度监测任务。主要应用在汽车电子、消费电子等行业。
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　　产品系列：主要有温度、湿度、光学、压力、气体/化学、超声波、霍尔等传感器。
　　飞思卡尔（Freescale）
　　飞思卡尔是美国的半导体生产厂商。飞思卡尔于2004年由原摩托罗拉的半导体部门组建。专注于嵌入式处理解决方案。飞思卡尔面向汽车、网络、工业和消费电子市场，提供的技术包括微处理器、微控制器、传感器、模拟集成电路和连接。飞思卡尔的一些主要应用和终端市场包括汽车安全、混合动力和全电动汽车、下一代无线基础设施、智能能源管理、便携式医疗器件、消费电器以及智能移动器件等。在去年，飞思卡尔被NXP收购。
　　其传感器主要应用在汽车电子和消费电子。在物联网、设备电气化、汽车能效、汽车安全系统，以及工业控制与汽车功能安全这五大领域都有布局。
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　　产品系列：Freescale传感器产品主要产品细分为压力传感器、加速度传感器、磁力传感器、电容触摸传感器以及陀螺仪。
　　楼氏电子（knowles）
　　楼氏声学公司（Knowles Acoustics）全球领先的微型声学技术供应商。自1946年成立以来，Knowles不断推出多种微声、机电以及其他相关领域的技术平台，以帮助客户开拓业务潜能。这些技术平台让公司能够尽早在构思设计阶段就开展协作，帮助客户开发体积更小、密度更高、功能更强的产品。产品只要用在各种智能设备里。
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　　其主要产品就是高端声学传感器。如iPhone中采用的MEMS麦克风。
　　亚德诺半导体（ADI）
　　亚德诺半导体技术有限公司（英语：Analog Devices Inc）是一家美国的跨国半导体装置生产商。亚德诺半导体技术有限公司专为消费与工业产品制造ADC、DAC、MEMS与DSP芯片。
　　ADI传感器产品组合专注于运动、温度和声音领域。每款MEMS加速度计、陀螺仪、惯性测量单元（IMU）、麦克风，以及所有模拟或数字温度传感器均集成行业领先的传感器和传感器信号调理技术。ADI的高性能MEMS和传感器产品组合提供一系列分立式元器件和即插即用解决方案，高效、可靠地满足当今复杂的应用要求。应用领域聚焦在消费电子、军事、工业、医疗、家居和汽车等领域。
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　　产品系列：iSensor MEMS加速度计子系、iSensor MEMS陀螺仪子系统、iSensor MEMS惯性测量单元、磁场传感器、MEMS加速度计、MEMS陀螺仪、光学传感器、温度传感器和控制器件。
　　霍尼韦尔（Honeywell）
　　霍尼韦尔国际公司（以下简称“霍尼韦尔”）成立于1999年，由原世界两大著名公司—美国联信公司及霍尼韦尔公司合并而成。原美国联信公司的核心业务为航空航天、汽车和工程材料。原霍尼韦尔公司的核心业务为住宅及楼宇控制技术和工业控制以及自动化产品。
　　该公司超过 50，000 种产品，从速动开关、限位开关、钮子开关和压力开关到位置传感器、速度传感器与气体质量流量传感器，种类繁多。霍尼韦尔传感与控制总有一款产品符合用户的行业要求。产品主要应用在工业、航空航天与国防、交通运输、医疗和测试与测量领域。
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　　产品系列：气流传感器、电流传感器、光纤光学和液位传感器、柔性加热器、力传感器、霍尔效应/磁阻传感器集成电路、湿度传感器、红外传感器、无钥匙进入式传感器、氧传感器、位置传感器、电位计、电路板安装压力传感器、重载压力传感器、压力传感器‘接近传感器、速度传感器‘温度传感器、温控器。
　　InvenSense
　　InvenSense为智能型运动处理方案的先驱、全球业界的领导厂商，驱动了运动感测人机接口在消费性电子产品上的应用。公司提供的集成电路（IC）整合了运动传感器-陀螺仪以及相对应的软件，有别于其他厂商，有着小尺寸、高整合、高性能、高可靠度与低价格的优势。公司产品可应用于众多市场上
　　公司拥有四种专有技术优势：专利的Nasiri-Fabrication制程，先进的MEMS陀螺仪设计，可提供传感器讯号处理方案（signal processing）及运作本司运动处理平台（Motion Processing）关键之融合算法技术（Sensor Fusion）的混合讯号电路系统（mixed-signal circuitry），以及本公司的运动处理数据库与运动感测应用（Motion Application）软件方案。
　　该公司可组装、可扩展的平台架构，从一轴的模拟陀螺仪，到完整整合之三轴与六轴的数字运动处理方案为止，本公司能提供市场多种整合性运动感测产品。
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　　产品主要应用于智能手机、可穿戴设备、智能家居、工业和汽车。
　　产品系列：以MEMS陀螺仪、加速度计为主。主要是从一轴到九轴的MEMS（微型电子机械系统，Mirco-ElectroMechanicalSystem）传感器和MEMS麦克风。


　　物联网传感器给中国带来的机会
　　中国传感器产业已形成从技术研发、设计、生产到应用的完整产业体系，部分细分领域已跻身世界领先水平。但就总体水平而言，国内的传感器产品仍以中低端为主，技术相对落后。中国市场上的中高端传感器进口占比达80%，数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。但部分分细分领域已跻身世界领先水平。如基于微机电系统（MEMS）的传感器，它是传感器市场的主打产品。
　　据科技市场研究机构IC-Insights的数据显示，2014年全球所售传感器的80%均是基于MEMS技术。中国的歌尔声学、瑞声科技和美新半导体无锡有限公司已进入全球MEMS传感器供应商前50强，前两者分别是全球第二和第四大MEMS麦克风供应商，出货量占2014年全球市场的25%;汇顶科技的隐藏式指纹识别传感器技术已引起全球关注。另外还有汉威电子、威尔泰、士兰微等国内知名传感器厂商。
　　但就总体水平而言，国内的传感器产品仍以中低端为主，技术相对落后。国内企业的产品主要集中在低端的压力、温度、应变片等低附加值产品，近年内有几家企业开始MEMS产品的生产，其中麦克风产品势头发展较好，但其他如压力、加速度、陀螺等也是比较低端得产品。国内高端传感器进口占比达80%，数字化、智能化、微型化产品严重欠缺。
　　全球目前约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发，研发机构超过6000余家。其中，美国、日本和德国实力较强，产品门类繁多、覆盖面广、市场占有率总和超过60%，掌握市场主导权。
　　在中国方面，据行业统计估算，我国2014年敏感元件与传感器销售额突破1200亿元;2015年需求量约为652.9亿个，增长率高于18%，销售额将突破1300亿元。目前，我国已有1700余家从事传感器研制、生产和应用的企事业单位，传感器产品达到10大类、42小类、6000多个品种。
　　与欧美日相比，国内在整个产业的各个环节都是落后的，制造技术和封装技术更加明显。基础环节的问题解决不够彻底，原始性创新的产品少，导致产品的附加值和市场份额都比较低。从半导体芯片行业分析看来，传感器是我国与国外差距比较小的领域，这与传感器产业整体起步较晚不无关系。而现在正是由传统向新型传感器转型的关键阶段，布局得当有可能实现“弯道超车”，这个弯道就是物联网。
　　因为物联网所需的大量传感器芯片只需完成简单的数据采集、存储和传输，这就要求芯片必须低功耗、低价格。借助现有的材料、封装技术，这些性能在45nm芯片上即可完美呈现。而我国在45nm左右制程和8寸晶圆上有成熟的产业布局，随着物联网的发展，这些产能将得到最大程度的释放。
　　希望借着这个机会，中国半导体迎来一个全新突破。





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