“正如眼睛、鼻子、耳朵和皮膚在人體中的作用一樣，它在硬件中充當一個從外界接受信息的角色”。這句話描述的正是傳感器。自從發明以來，它就一直被應用在工控和其他領域，作為一個重要的設備前端，傳感器的功能幾近是不可代替的。在現在步入了物聯網時代，傳感器變得尤其重要。

　　據美國市場研究機構透明市場研究（Transparency Market Research）公司最新發布的報告顯示，到2020年，全球可穿戴傳感器市場將以45.2%的復合年均增長率繼續成長。Yole Developpement 也預測，作為傳感器重要組成部分的 MEMS 傳感器產品需求在近年增勢迅猛，從2014年起平均以12%-13%的增長率增長，到2019 年，產業總值預計將達到 240 億美元。

　　面對這這么一個龐大市場，很多廠商正在加緊研發，攻城略地。

　　什么是傳感器

　　在對傳感器進行詳細分析之前，我們需要了解一下什么是傳感器，并且了解一下這些傳感器可以被應用到哪些領域。

　　按照國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。

　　也就是說傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。

　　傳感器種類繁多，在不同的產品中就有不同的應用，就拿簡單的手機來說，就有重力傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線感應器、三軸陀螺儀、電子羅盤等，未來更可能會有熱傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、紫外線傳感器、壓力傳感器等等。很難一一列舉！

　　按照應用市場，物聯網產業可劃分為智能工業、智能農業、智能物流、智能環保、智能交通、智能電網、智能醫療、智能安防、特種裝備、智慧城市、智能家居等。Yole Developpement 數據顯示，傳感器中占比最大的是消費類應用，其規模達到 59 億美元，占傳感器產品市場的 45%，到 2019 年預計將超過 100 億美元，年復合增長率約 11.2%。而成長最快的醫療服務市場，將從 2014 年4的24.5 億美元增長至2019 年的72億美元左右，年復合增長率近 30%。

　　2014年全球MEMS傳感器應用市場劃分

　　尤其是在可穿戴領域，傳感器未來的需求量更是激增。據全球居領先地位的關鍵信息、產品、解決方案和服務供應商IHS的數據顯示，單個可穿戴設備所用傳感器的平均數量將從2013年的1.4顆增長為2019年的4.1顆，總出貨量將從6700萬顆上升至4.66億顆。一個屬于傳感器的時代正在到來。



　　典型傳感器的原理和作用

　　上面我們已經談到，傳感器種類繁多，全面覆蓋介紹是一項繁雜的工作，我們以iPhone 6為例，介紹一下傳感器的原理和功用。

　　iPhone 6手機中主要傳感器一覽

　　iPhone 6手機中主要傳感器型號功能

　　（一）運動/加速度傳感器 Motion sensor/accelerometer

　　加速傳感器的原理

　　在iPhone 6中的加速傳感器芯片為InvenSense公司的MP67B芯片，這是一個六軸加速度和重力傳感器。而在之前的歷代iPhone 手機中該傳感器采用的是STMicroelectronics 公司生產的芯片。

　　手機加速傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備。加速力就是當物體在加速過程中作用在物體上的力，比如重力。加速傳感器原理：運用壓電效應實現，一片“重力塊”和壓電晶體做成一個重力感應模塊，手機方向改變時，重力塊作用于不同方向的壓電晶體上的力也隨之改變，輸出電壓信號不同，從而判斷手機的方向。加速力可以是個常量，比如g，也可以是變量。他可以根據重力感應產生的加速度來推算出手機相對于水平面的傾斜度。

　　MP67B芯片

　　加速度傳感器的應用

　　重力感應常用于自動旋轉屏幕以及一些游戲，但是它本身局限性比較大，因為他是根據重力判斷方向，通過感應重力正交兩個方向的分力大小，來判斷水平方向。常見的應用加速度傳感器的手機app是一些運動型的游戲，如極品飛車。這個時候可以通過重力判斷水平垂直防線。

　　（2）光傳感器 Ambient Light sensor

　　光傳感器的原理

　　在iPhone 6手機上，光傳感器芯片選用的是AMS公司的TSL2581芯片。環境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度，降低產品的功耗。

　　光線感應器由投光器和受光器組成，投光器將光線聚焦，在傳輸至受光器，最后通過感應器接收變成電器信號。光線感應的用途是可以根據周圍環境光線調節手機屏幕本身的亮度。

　　環境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度，降低產品的功耗。市場出售的有光敏電阻、光敏二極管、光電三極管、硅光電池等。

　　TSL2581芯片

　　光傳感器的應用

　　在iPhone 6手機上，顯示屏消耗的電量一般高達電池總電量的30%，采用環境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時間。另一方面，環境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當環境亮度較高時，使用環境光傳感器的液晶顯示器會自動調成高亮度。當外界環境較暗時，顯示器就會調成低亮度。

　　(3)電子羅盤 eCompass

　　電子羅盤的原理

　　從iPhone 3GS開始，iPhone手機中開始內置電子羅盤傳感器。在iPhone 6手機中，電子羅盤芯片類型為由AKM公司生產的 AKM 8963芯片。AKM公司生產的電子羅盤傳感器芯片一直服務于歷代iPhone 手機之中。

　　電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構成。三維磁阻傳感器用來測量地球磁場，傾角傳感器是在磁力儀非水平狀態時進行補償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數據輸出和軟鐵、硬鐵補償。該磁力儀是采用三個互相垂直的磁阻傳感器，每個軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強度。向前的方向稱為x方向的傳感器檢測地磁場在x方向的矢量值；向左或Y方向的傳感器檢測地磁場在Y方向的矢量值；向下或Z方向的傳感器檢測地磁場在Z方向的矢量值。每個方向的傳感器的靈敏度都已根據在該方向上地磁場的分矢量調整到最佳點，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產生的模擬輸出信號進行放大后送入MCU進行處理。磁場測量范圍為±2Gauss。通過采用12位A/D轉換器，磁力儀能夠分辨出小于1mGauss的磁場變化量，我們便可通過該高分辨力來準確測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強度，不論是在赤道上的向上變化還是在南北極的更低值位置。

　　AKM8963芯片

　　電子羅盤的應用

　　電子羅盤的應用很廣泛，一個簡單的使用電子羅盤傳感器的實例是iPhone 手機上的指南針app，通過指南針app可以實現在手機不聯網的情況下進行指示方向，不依靠地圖類app來指路，節省流量，方便快捷。在地圖類的app中，電子羅盤也被用來配合設備的GPS和其他位置功能達到指向的功能。

　　(4)距離傳感器 Proximity sensor

　　距離傳感器的原理

iPhone6上的距離傳感器（左邊Unknown）

　　通過發射特別短的并測量此光脈沖從發射到被物體反射回來的時間，通過測時間間隔來計算與物體之間的距離。此方法叫做飛行時間法（flying time）。iPhone上的距離傳感器的型號一直未能得知。

　　距離傳感器的應用

　　這個傳感器能夠判斷iPhone 6手機距離你有多近，這個傳感器的一個作用是當手機貼近耳朵的時候能夠自動的關閉屏幕。

　　(5)指紋識別傳感器 fingerprint sensor

　　指紋識別傳感器的原理

　　在iPhone 6手機中選用的是TMDR 92芯片。蘋果手機從iPhone 5s開始支持指紋識別，iPhone 6及iPhone6 plus依舊支持，它的指紋識別傳感器的供應商為Authen Tec公司。

　　指紋識別傳感器位于iPhone 6手機的HOME鍵下方，Home鍵周圍的光環也是感應性的，當手指靠近時就能檢測到。用戶也能很快知道自己的指紋是否正在被掃描而無需點按Home鍵。iPhone 6手機內的指紋識別傳感器是 500dpi的陣列陣列，就這一點，就可以確定是電容式指紋采集方式。然后電容式會有一個問題，也可以算是特征，就是如何讓手指帶電，以及，如何檢測到手指在采集區，并讓檢測電容陣列帶電，（電容陣列一直帶電很傷電容的，畢竟是很精密的設備），所以5s的不銹鋼圓環就是起這個作用，讓手指帶電，并且檢測到手指接觸后，觸發電容檢測陣列加電。

　　TMDR 92芯片

　　指紋識別傳感器的應用

　　指紋識別傳感器位于iPhone 6手機的HOME鍵下方，有了他，用戶可以安東home鍵來進行解鎖。有了它，用戶可以免輸入密碼，確保更加安全的操作。最近，支付寶的ios app也已經支持了指紋識別，用戶無需輸入支付寶開啟密碼來開啟支付寶，也不需要輸入支付寶的支付密碼，僅僅需要按動iPhone手機的HOME鍵就能夠實現支付的功能。

　　(6)陀螺儀 gyroscope

　　陀螺儀的原理

　　iPhone 手機使用的陀螺儀芯片是Invensens公司的 MPU-6700。陀螺儀從2010年發布的iPhone 4手機開始在iPhone 手機中內置。

MPU-6700頂部和底部封裝照片

　　陀螺儀能夠同時測定6個方向的位置，移動軌跡，加速。 單軸的只能測量一個方向的量，也就是一個系統需要三個陀螺儀，而3軸的一個就能替代三個單軸的。3軸的體積小、重量輕、結構簡單、可靠性好，是激光陀螺的發展趨勢。

　　陀螺儀應用

　　它的主要作用是運用在游戲的控制上。通過三軸陀螺儀，我們只需要通過移動手機相應的位置，就可以達到改變方向的目的。比如平衡球游戲或者極品飛車，就是應用了陀螺儀的原理，完全摒棄以前通過方向按鍵來控制游戲的操控方式，使游戲更加真實，操作更加靈活。

　　（7）氣壓計 Barometer

　　氣壓計的原理

　　iPhone 6手機采用的氣壓計芯片是來自Bosch公司的MBP280芯片。

　　普通的氣壓計原理是根據氣壓計里面水銀的高度是由大氣壓支撐，也就是說，大氣壓有多大，水銀柱的液面就會有多高，所以氣壓計中，水銀越高，氣壓越大。通過水銀柱的高度，分割氣壓計的精確度，就可以來測量當前的氣壓了。

　　iPhone手機中的氣壓計類似于現實生活中的這些氣壓計，不過沒有了液體水銀，代替的是兩個傳感器之間的轉換來將壓力轉換成另外一個傳感器可以測量的量。

　　MBP280芯片

　　氣壓計的應用

　　其實氣壓計的基本作用只是測量大氣的壓強，更重要的應用是為了盡用三維空間的功用來輔助GPS，通過氣壓的高低來判斷設備的高度，再配合GPS所取得的經度和緯度來更快地計算出設備所在的位置。所以氣壓計在地圖類，使用GPS或天氣類的app中也有廣泛的應用。

　　在weathersignal app中的應用

　　（8）MEMS麥克風

　　iPhone 5背部使用了第三個麥克風來降噪，可實現高清晰度錄像，很快成為業界標準。iPhone 6 Plus也是如此。

　　5上的三個麥克風有一個來自樓氏電子（Knowles Electronics），5S上有兩個，6 Plus上卻沒有發現樓氏的身影，看起來是換供應商了，也可能會影響今明兩年的麥克風市場格局。

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　　第三個麥克風可辨認出來自意法半導體，MEMS內核來自歐姆龍，封裝尺寸3.36×2.54×1.0毫米。

麥克風一

麥克風二

麥克風三

　　另外， 像濕度傳感器，相機傳感器，聲波傳感器，觸摸屏傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器等，由于它們的資料較少，且實際上如聲波傳感器，觸摸屏傳感器已經十分普遍地運用在智能手機上，而溫度，濕度傳感器與氣壓傳感器功能類似，都屬于環境傳感器，且屬于第一次出現在iPhone 手機上，相關資料相對較少，故不再具體討論。

　　知名傳感器廠商盤點

　　和其他半導體領域一樣，傳感器一直以來基本上也是歐美和日本的天下，尤其是在高端領域，這些廠商更是優勢明顯。目前市面上的主要物聯網傳感器廠商有博世、意法半導體、德州儀器、飛思卡爾、樓氏電子、ADI、霍尼韋爾、Invensense

　　全球MEMS傳感器廠商排名前30位

　　為了進一步對傳感器領域進入深入的分析，我們其中一些傳感器廠商進行深入了解：

　　博世（Bosch）

　　博世是德國最大的工業企業之一，從事汽車技術、工業技術和消費品及建筑技術的產業。在傳感器領域更是處于全球領先的位置。從MEMS技術問世開始，博世始終處于MEMS（微機電系統）技術的最前沿位置。如今，博世已成為全球的MEMS傳感器龍頭生產商。

　　自1995年至今，博世已生產出超過五十億顆MEMS傳感器，產品囊括了整個消費性電子應用。另外，汽車也是一大重點應用領域。

　　產品系列：包括壓力傳感器、加速度傳感器、橫擺傳感器，以及集成慣性傳感器，環境傳感器，和麥克風。

　　意法半導體（STMicroelectronics）

　　意法半導體總部位于瑞士日貝瓦，于1987年由意大利的Società Generale Semiconduttori （SGS） Microelettronica與法國湯姆遜（Thomson）公司的半導體分部Thomson Semiconducteurs兩家半導體公司合并而成，該公司自1998年5月湯姆遜撤股后由SGS-THOMSON更名為意法半導體（STMicroelectronics）。

　　自2001年起意法半導體涉足于開發微機電系統（MEMS），而截止到2015年第三季度，ST傳感器出貨量已達100億片。其產品主要應用在汽車電子、工業控制、醫療電子、消費電子、通訊、計算機等行業。

　　產品系列：加速度計、陀螺儀、二合一的6軸慣性模塊、壓力傳感器、MEMS麥克風、紫外傳感器、濕度傳感器，以及壓電執行器和微反射鏡，全球唯一能夠提供全部傳感器和微執行器的半導體供應商。

　　德州儀器（Texus Instrument）

　　德州儀器是一家位于美國德克薩斯州達拉斯的跨國公司，以開發、制造、銷售半導體和計算機技術聞名于世，主要從事數字信號處理與模擬電路方面的研究、制造和銷售。它在25個國家有制造、設計或者銷售機構。德州儀器是世界第三大半導體制造商。

　　TI是全球首款溫度傳感器IC的創新者，提供了全面的易于使用的模擬溫度傳感器系列，適合用于諸如保護、控制、校準之類的系統溫度監測任務。主要應用在汽車電子、消費電子等行業。

　　產品系列：主要有溫度、濕度、光學、壓力、氣體/化學、超聲波、霍爾等傳感器。

　　飛思卡爾（Freescale）

　　飛思卡爾是美國的半導體生產廠商。飛思卡爾于2004年由原摩托羅拉的半導體部門組建。專注于嵌入式處理解決方案。飛思卡爾面向汽車、網絡、工業和消費電子市場，提供的技術包括微處理器、微控制器、傳感器、模擬集成電路和連接。飛思卡爾的一些主要應用和終端市場包括汽車安全、混合動力和全電動汽車、下一代無線基礎設施、智能能源管理、便攜式醫療器件、消費電器以及智能移動器件等。在去年，飛思卡爾被NXP收購。

　　其傳感器主要應用在汽車電子和消費電子。在物聯網、設備電氣化、汽車能效、汽車安全系統，以及工業控制與汽車功能安全這五大領域都有布局。

　　產品系列：Freescale傳感器產品主要產品細分為壓力傳感器、加速度傳感器、磁力傳感器、電容觸摸傳感器以及陀螺儀。

　　樓氏電子（knowles）

　　樓氏聲學公司（Knowles Acoustics）全球領先的微型聲學技術供應商。自1946年成立以來，Knowles不斷推出多種微聲、機電以及其他相關領域的技術平臺，以幫助客戶開拓業務潛能。這些技術平臺讓公司能夠盡早在構思設計階段就開展協作，幫助客戶開發體積更小、密度更高、功能更強的產品。產品只要用在各種智能設備里。

　　其主要產品就是高端聲學傳感器。如iPhone中采用的MEMS麥克風。

　　亞德諾半導體（ADI）

　　亞德諾半導體技術有限公司（英語：Analog Devices Inc）是一家美國的跨國半導體裝置生產商。亞德諾半導體技術有限公司專為消費與工業產品制造ADC、DAC、MEMS與DSP芯片。

　　ADI傳感器產品組合專注于運動、溫度和聲音領域。每款MEMS加速度計、陀螺儀、慣性測量單元（IMU）、麥克風，以及所有模擬或數字溫度傳感器均集成行業領先的傳感器和傳感器信號調理技術。ADI的高性能MEMS和傳感器產品組合提供一系列分立式元器件和即插即用解決方案，高效、可靠地滿足當今復雜的應用要求。應用領域聚焦在消費電子、軍事、工業、醫療、家居和汽車等領域。

　　產品系列：iSensor MEMS加速度計子系、iSensor MEMS陀螺儀子系統、iSensor MEMS慣性測量單元、磁場傳感器、MEMS加速度計、MEMS陀螺儀、光學傳感器、溫度傳感器和控制器件。

　　霍尼韋爾（Honeywell）

　　霍尼韋爾國際公司（以下簡稱“霍尼韋爾”）成立于1999年，由原世界兩大著名公司—美國聯信公司及霍尼韋爾公司合并而成。原美國聯信公司的核心業務為航空航天、汽車和工程材料。原霍尼韋爾公司的核心業務為住宅及樓宇控制技術和工業控制以及自動化產品。

　　該公司超過 50，000 種產品，從速動開關、限位開關、鈕子開關和壓力開關到位置傳感器、速度傳感器與氣體質量流量傳感器，種類繁多。霍尼韋爾傳感與控制總有一款產品符合用戶的行業要求。產品主要應用在工業、航空航天與國防、交通運輸、醫療和測試與測量領域。

　　產品系列：氣流傳感器、電流傳感器、光纖光學和液位傳感器、柔性加熱器、力傳感器、霍爾效應/磁阻傳感器集成電路、濕度傳感器、紅外傳感器、無鑰匙進入式傳感器、氧傳感器、位置傳感器、電位計、電路板安裝壓力傳感器、重載壓力傳感器、壓力傳感器‘接近傳感器、速度傳感器‘溫度傳感器、溫控器。

　　InvenSense

　　InvenSense為智能型運動處理方案的先驅、全球業界的領導廠商，驅動了運動感測人機接口在消費性電子產品上的應用。公司提供的集成電路（IC）整合了運動傳感器-陀螺儀以及相對應的軟件，有別于其他廠商，有著小尺寸、高整合、高性能、高可靠度與低價格的優勢。公司產品可應用于眾多市場上

　　公司擁有四種專有技術優勢：專利的Nasiri-Fabrication制程，先進的MEMS陀螺儀設計，可提供傳感器訊號處理方案（signal processing）及運作本司運動處理平臺（Motion Processing）關鍵之融合算法技術（Sensor Fusion）的混合訊號電路系統（mixed-signal circuitry），以及本公司的運動處理數據庫與運動感測應用（Motion Application）軟件方案。

　　該公司可組裝、可擴展的平臺架構，從一軸的模擬陀螺儀，到完整整合之三軸與六軸的數字運動處理方案為止，本公司能提供市場多種整合性運動感測產品。

　　產品主要應用于智能手機、可穿戴設備、智能家居、工業和汽車。

　　產品系列：以MEMS陀螺儀、加速度計為主。主要是從一軸到九軸的MEMS（微型電子機械系統，Mirco-ElectroMechanicalSystem）傳感器和MEMS麥克風。

　　物聯網傳感器給中國帶來的機會

　　中國傳感器產業已形成從技術研發、設計、生產到應用的完整產業體系，部分細分領域已躋身世界領先水平。但就總體水平而言，國內的傳感器產品仍以中低端為主，技術相對落后。中國市場上的中高端傳感器進口占比達80%，數字化、智能化、微型化產品嚴重欠缺。但部分分細分領域已躋身世界領先水平。如基于微機電系統（MEMS）的傳感器，它是傳感器市場的主打產品。

　　據科技市場研究機構IC-Insights的數據顯示，2014年全球所售傳感器的80%均是基于MEMS技術。中國的歌爾聲學、瑞聲科技和美新半導體無錫有限公司已進入全球MEMS傳感器供應商前50強，前兩者分別是全球第二和第四大MEMS麥克風供應商，出貨量占2014年全球市場的25%;匯頂科技的隱藏式指紋識別傳感器技術已引起全球關注。另外還有漢威電子、威爾泰、士蘭微等國內知名傳感器廠商。

　　但就總體水平而言，國內的傳感器產品仍以中低端為主，技術相對落后。國內企業的產品主要集中在低端的壓力、溫度、應變片等低附加值產品，近年內有幾家企業開始MEMS產品的生產，其中麥克風產品勢頭發展較好，但其他如壓力、加速度、陀螺等也是比較低端得產品。國內高端傳感器進口占比達80%，數字化、智能化、微型化產品嚴重欠缺。

　　全球目前約有40個國家從事傳感器的研制、生產和應用開發，研發機構超過6000余家。其中，美國、日本和德國實力較強，產品門類繁多、覆蓋面廣、市場占有率總和超過60%，掌握市場主導權。

　　在中國方面，據行業統計估算，我國2014年敏感元件與傳感器銷售額突破1200億元;2015年需求量約為652.9億個，增長率高于18%，銷售額將突破1300億元。目前，我國已有1700余家從事傳感器研制、生產和應用的企事業單位，傳感器產品達到10大類、42小類、6000多個品種。

　　與歐美日相比，國內在整個產業的各個環節都是落后的，制造技術和封裝技術更加明顯。基礎環節的問題解決不夠徹底，原始性創新的產品少，導致產品的附加值和市場份額都比較低。從半導體芯片行業分析看來，傳感器是我國與國外差距比較小的領域，這與傳感器產業整體起步較晚不無關系。而現在正是由傳統向新型傳感器轉型的關鍵階段，布局得當有可能實現“彎道超車”，這個彎道就是物聯網。

　　因為物聯網所需的大量傳感器芯片只需完成簡單的數據采集、存儲和傳輸，這就要求芯片必須低功耗、低價格。借助現有的材料、封裝技術，這些性能在45nm芯片上即可完美呈現。而我國在45nm左右制程和8寸晶圓上有成熟的產業布局，隨著物聯網的發展，這些產能將得到最大程度的釋放。

　　希望借著這個機會，中國半導體迎來一個全新突破。