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                                        人類第一個傳感器是什么?第一個MEMS傳感器是?竟然很多人不知道!
                                        專欄:行業資訊
                                        發布日期:2023-04-19
                                        閱讀量:1429
                                        作者:其他
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                                        據相關資料顯示,目前全球成型產品及在研傳感器種類共計近5萬種,其中,產品化的傳感器種類約2.6萬余種,涵蓋聲、光、電、力、熱…人類最早發明的將測量信號變為電信號的現代傳感器是溫度傳感器。
                                        據相關資料顯示,目前全球成型產品及在研傳感器種類共計近5萬種,其中,產品化的傳感器種類約2.6萬余種,涵蓋聲、光、電、力、熱……等等各種測量量傳感器。

                                        那么,你知道世界上第一個現代傳感器是什么?第一個MEMS傳感器是什么?第一個壓力傳感器怎么被發明?第一個CMOS圖像傳感器是什么?

                                        世界上第一個現代傳感器,人類第一個電信號傳感器,第一個溫度傳感器


                                        在一些介紹傳感器歷史的內容中,有時候會將指南車、地動儀、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明,雖然具有一定的“感知”能力,但并不具備現今我們所說的傳感器特征。

                                        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(數學函數法則)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”。

                                        傳感器的概念可以追溯到19世紀初,當時科學家們開始研究電學現象,并發現電阻、電容和電感等參數的變化可以用來測量周圍環境的物理量。人類最早發明的將測量信號變為電信號的現代傳感器是溫度傳感器。
                                        17世紀初,伽利略發明了氣體溫度計,人類開始利用溫度進行測量。

                                        19世紀初,物理學家Thomas Johann Seebeck、Jean-Charles Peltier、William Thomson分別獨立發現了熱電效應,熱電效應就是由溫差產生電壓的直接轉換,且反之亦然,也即溫度與電壓之間存在確定的關系。

                                        1829 年L.Nobili 根據 Seebeck 發現的熱電效應制造了第?個熱電偶和改進的溫度計。這種傳感器是由兩個不同金屬連接而成的電路,當兩個金屬連接處的溫度不同時,就會產生電壓差。根據熱電偶產生的電壓差的大小,可以測量溫度的變化。

                                        1831年后,M. Melloni 提出了將多個鉍銅熱電偶串聯連接的想法,從?產?更?的、可測量的輸出,多個熱電偶連接稱為熱電堆,這是世界上第一個熱電堆溫度傳感器。
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                                        ▲Nobili-Mellon熱電堆原型

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

                                        此后,1885年,英國物理學家Hugh Longbourne Callendar 開發出第一個商用成功的鉑 RTD,成為第一個設計和制造適合使用的精確鉑電阻溫度計的人。

                                        因精度高穩定性好,鉑電阻溫度傳感器目前被廣泛用于醫療、電機、工業、溫度計算、衛星、氣象、阻值計算等高精溫度設備。


                                        在半導體技術的支持下,本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應,根據波與物質的相互作用規律,相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

                                        隨著技術的不斷發展,現代溫度傳感器已經具備了更高的精度、更廣的測量范圍和更好的穩定性,應用領域也越來越廣泛,如工業自動化、醫療、環境監測等。

                                        如今溫度傳感器已是市場規模最大的傳感器種類之一。

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                                        ▲傳統溫壓流傳感器市場份額,來源:前瞻產業研究院

                                        第一個紅外傳感器,因軍事而發展,最具軍事價值的傳感器之一

                                        第一個紅外傳感器的發明可以追溯到19世紀末,1800年英國物理學家William Herschel(赫胥爾)發現了物體紅外輻射和溫度的關系。

                                        這與Seebeck等人發現熱電效應原理幾乎同一時間,不過,直到20世紀初期,紅外傳感器才開始得到實際應用。

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                                        ▲William Herschel發現紅外線的實驗

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                                        自 1940 年代以來,這些探測器得到了廣泛的發展。硫化鉛 (PbS) 是第一個實用的紅外探測器。

                                        在 20 世紀 50 年代末和 1960 年代,德州儀器、休斯飛機公司和霍尼韋爾公司開發了單元件探測器,可以掃描場景并生成線圖像,這些基本探測器推動了現代熱成像技術的發展。

                                        第?次世界?戰后,紅外探測器技術的發展主要由軍事應?推動,直到今天紅外傳感器仍是最具有軍事價值的傳感器種類之一。

                                        隨著技術的不斷發展,現代紅外傳感器已經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用于醫療、安防、軍事、工業、環境監測等領域。

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                                        ▲紅外熱成像(紅外傳感器)發展歷程

                                        因為紅外傳感器的軍事價值,紅外傳感器技術高度敏感,是西方國家對我國制裁最嚴重的傳感器技術之一,目前我國國防領域紅外傳感器基本實現國產自主研發。

                                        而民用,在非制冷紅外探測器等紅外傳感領域,我國已涌現出高德紅外、睿創微納、??低?、大立科技、大華科技等一批優秀企業,完整掌握相關核心技術。

                                        第一個MEMS傳感器,開啟傳感器的“狂飆”時代

                                        MEMS技術對現今傳感器的普及起到關鍵作用,如果沒有MEMS技術,傳感器的微型化、集成化、低功耗等將難以做到,而物聯網、智能手機、汽車等發展也將嚴重滯后。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年美國物理學家Richard Feynman(理查德費曼),在他著名的演講“底部有足夠的空間”中,提出了將機器小型化到原子和分子尺度的想法。然而,直到 20 世紀 80 年代和 90 年代,MEMS 技術才開始得到開發和商業化。

                                        1962年,微小器件的先驅——第一個硅微壓力傳感器問世,開創了MEMS技術的先河,也是MEMS微傳感器的起始點。霍尼?爾研究中?和?爾實驗室的相關論文顯示,他們發明了第?個硅隔膜壓?傳感器和應變計。


                                        此后,?們對MEMS傳感器技術的興趣急劇增?,到 1960 年代后期,許多美國先驅公司已經開始生產第一批MEMS壓力傳感器。

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                                        ▲理查德?費曼

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                                        這個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傳感器一只售價20美元,而ADI的MEMS加速度傳感器售價約為每個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技術發展迅速,廣泛應用于陀螺儀、壓力傳感器、磁傳感器、麥克風等傳感器領域。MEMS傳感器與傳統傳感器相比具有許多優勢,例如體積更小、功耗更低、精度更高、成本更低。它們促進了消費電子、汽車、醫療保健和航空航天等領域的許多新應用的開發。

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

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                                        第一個CMOS圖像傳感器:中國人參與貢獻

                                        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、標準化程度高、功耗低、成本低、體積小、圖像信息可隨機讀取等一系列優點,從20世紀90年代開始被重視并獲得大量研發資源,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主導地位,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。

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                                        1963年Morrison發表了可計算傳感器,這是一種可以利用光導效應測定光斑位置的結構,成為CMOS圖像傳感器發展的開端。

                                        據科技老兵戴輝《CMOS圖像傳感器35年史和中國人的關鍵貢獻》文中介紹,1989 年,英國愛丁堡大學的Peter Denyer教授、David Renshaw博士,和當時在愛丁堡大學做科研的王國裕和陸明瑩聯袂發表了一篇論文,報道了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),并成功進行了演示,從此開創了一個新世界。
                                        此外,王國裕開發了國內第一個單片CMOS攝像芯片、國際上第一個高分辨率CMOS攝像芯片(40萬像素)、國內第一個同時帶有全電視信號輸出和數字信號輸出的單片CMOS攝像芯片、國內第一個單片CMOS彩色攝像芯片。并以單片CMOS攝像芯片為核心,開發出國內第一個微型攝像頭(曾在公交車上大量使用)和國內第一個電腦眼。

                                        目前CMOS圖像傳感器是市場規模最大的傳感器領域之一,全球CMOS圖像傳感器市場中,中國企業具有一定影響力。

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

                                        第一個壓力傳感器

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

                                        第一個壓力傳感器的發明可以追溯到17世紀,當時英國物理學家Robert Boyle發現了氣體壓力與體積的反比關系,并用一個裝置測量了氣體壓力。不過,這個裝置并不是真正意義上的壓力傳感器。

                                        1930年,Graeff(格拉夫)發明第一支壓力傳感器轉換機構,在此機構中,膜片、彈簧或Bourdon管的移動量變為電量部分,壓力膜片成為電容部分,指示器可動機構成為電位計分支。
                                        真正意義上的壓力傳感器追溯到1938年,當時美國物理學家Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge分別獨立發明了一種名為“電阻應變片”的裝置,可以將受力變形轉化為電阻值的變化。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實用壓阻式壓力傳感器。

                                        應變式壓力傳感器的工作原理是基于材料的彈性變形特性,當材料受到力的作用時,會產生微小的變形,從而改變電阻值。通過測量電阻值的變化,可以計算出受力的大小。
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                                        ▲應變式壓力傳感器

                                        隨著技術的不斷發展,現代壓力傳感器已經具備了更高的精度、更廣的測量范圍和更好的穩定性,應用領域也越來越廣泛,如工業自動化、汽車、航空航天等。

                                        第一個車規級量產激光雷達,中國廠商后來居上

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

                                        1968年,美國 Syracuse 大學的 Hickman 和 Hogg 建造了世界上第一個激光海水深度測量系統。

                                        20世紀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據記錄能力的機載海洋激光雷達。

                                        1990年德國 Stuttgart 大學 Ackermann 教授領銜研制的世界上第一個激光斷面測量系統,這一系統成功將激光掃描技術與即時定位定姿系統結合,形成機載激光掃描儀。
                                        1993年,德國出現首個商用機載激光雷達系統TopScan ALTM 1020。1995年,機載激光雷達設備實現商業化生產。

                                        2014年,第一屆DARPA挑戰賽開始,激光雷達在自動駕駛行業首次嶄露頭角。

                                        2017年,奧迪發布全球首款量產的L3級自動駕駛汽車(A8)并搭載法雷奧的第一代混合固態激光雷達SCALA。SCALA成為全球第一個完成車規量產認證的激光雷達,采用單軸轉鏡的混合固態激光雷達。

                                        中國傳感器廠商雖然進入激光雷達領域相對較晚,但目前全球激光雷達市場中,以禾賽科技、速騰聚創、華為、大疆覽沃等為代表的中國激光雷達企業,已占據一定市場份額。

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                                        ▲來源:Yole

                                        結語

                                        我國傳感器產業起步較晚,20世紀60年代開始涉足傳感器制造業。

                                        我國在1972年組建成立中國第一批壓阻傳感器研制生產單位;1974年,研制成功中國第一個實用壓阻式壓力傳感器;1978年,誕生中國第一個固態壓阻加速度傳感器;1982年,國內最早開始硅微機械系統(MEMS)加工技術和SOI(絕緣體上硅)技術的研究。

                                        我國有古老的四大發明,但在近現代重要的科學技術發明中,我國的貢獻寥寥無幾,如傳感器等信息科技基礎技術,中國的貢獻極少,產業仍處于落后的追趕狀態。

                                        然而,隨著我國科學水平的發展,如今在一些新興傳感器領域,譬如量子傳感等,并不落后于世界先進水平,相信未來會有更多傳感器技術進步第一,誕生在中國。


                                        聲明:本文來源于傳感器專家網。

                                        上一頁:中國傳感器現狀怎樣?這份史上最權威報告全說透了!
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