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到2020年，可穿戴傳感器市場將以45.2%的復(fù)合年均增長率繼續(xù)成長。

“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(dāng)一個(gè)從外界接受信息的角色"。這句話描述的正是傳感器。自從發(fā)明以來，它就一直被應(yīng)用在工控和其他領(lǐng)域，作為一個(gè)重要的設(shè)備前端，傳感器的功能幾近是不可代替的。在現(xiàn)在步入了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器變得尤其重要。
 

    據(jù)美國市場研究機(jī)構(gòu)透明市場研究（TransparencyMarketResearch）公司發(fā)布的報(bào)告顯示，到2020年，可穿戴傳感器市場將以45.2%的復(fù)合年均增長率繼續(xù)成長。YoLEDeveloppement也預(yù)測，作為傳感器重要組成部分的MEMS傳感器產(chǎn)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(chǎn)業(yè)總值預(yù)計(jì)將達(dá)到240億美元。
 

    面對這這么一個(gè)龐大市場，很多廠商正在加緊研發(fā)，攻城略地。
 

什么是傳感器
 

    在對傳感器進(jìn)行詳細(xì)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(yīng)用到哪些領(lǐng)域。
 

    按照國家標(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"。
 

    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(guī)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

傳感器種類繁多，在不同的產(chǎn)品中就有不同的應(yīng)用，就拿簡單的手機(jī)來說，就有重力傳感器、加速度傳感器、距離傳感器、光線感應(yīng)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(yīng)用市場，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)可劃分為智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能環(huán)保、智能交通、智能電網(wǎng)、智能醫(yī)療、智能安防、特種裝備、智慧城市、智能家居等。YoleDeveloppement數(shù)據(jù)顯示，傳感器中占比的是消費(fèi)類應(yīng)用，其規(guī)模達(dá)到59億美元，占傳感器產(chǎn)品市場的45%，到2019年預(yù)計(jì)將超過100億美元，年復(fù)合增長率約11.2%。而成長的醫(yī)療服務(wù)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(fù)合增長率近30%。
 

    尤其是在可穿戴領(lǐng)域，傳感器未來的需求量更是激增。據(jù)居地位的關(guān)鍵信息、產(chǎn)品、解決方案和服務(wù)供應(yīng)商IHS的數(shù)據(jù)顯示，單個(gè)可穿戴設(shè)備所用傳感器的平均數(shù)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(gè)屬于傳感器的時(shí)代正在到來。
 

    典型傳感器的原理和作用
 

    上面我們已經(jīng)談到，傳感器種類繁多，全面覆蓋介紹是一項(xiàng)繁雜的工作，我們以iPhone6為例，介紹一下傳感器的原理和功用。
 

    （一）運(yùn)動(dòng)/加速度傳感器Motionsensor/accelerometer
 

    加速傳感器的原理
 

    在iPhone6中的加速傳感器芯片為InvenSense公司的MP67B芯片，這是一個(gè)六軸加速度和重力傳感器。而在之前的歷代iPhone手機(jī)中該傳感器采用的是STMicroelectronics公司生產(chǎn)的芯片。
 

    手機(jī)加速傳感器是一種能夠測量加速力的電子設(shè)備。加速力就是當(dāng)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(yùn)用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，一片“重力塊"和壓電晶體做成一個(gè)重力感應(yīng)模塊，手機(jī)方向改變時(shí)，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(jī)的方向。加速力可以是個(gè)常量，比如g，也可以是變量。他可以根據(jù)重力感應(yīng)產(chǎn)生的加速度來推算出手機(jī)相對于水平面的傾斜度。
 

    加速度傳感器的應(yīng)用
 

 重力感應(yīng)常用于自動(dòng)旋轉(zhuǎn)屏幕以及一些游戲，但是它本身局限性比較大，因?yàn)樗歉鶕?jù)重力判斷方向，通過感應(yīng)重力正交兩個(gè)方向的分力大小，來判斷水平方向。常見的應(yīng)用加速度傳感器的手機(jī)app是一些運(yùn)動(dòng)型的游戲，如飛車。這個(gè)時(shí)候可以通過重力判斷水平垂直防線。
 

    （2）光傳感器AmbientLightsensor
 

    光傳感器的原理
 

    在iPhone6手機(jī)上，光傳感器芯片選用的是AMS公司的TSL2581芯片。環(huán)境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)品的功耗。
 

    光線感應(yīng)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(yīng)器接收變成電器信號。光線感應(yīng)的用途是可以根據(jù)周圍環(huán)境光線調(diào)節(jié)手機(jī)屏幕本身的亮度。
 

    環(huán)境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動(dòng)調(diào)節(jié)顯示器背光亮度，降低產(chǎn)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。
 

    光傳感器的應(yīng)用
 

    在iPhone6手機(jī)上，顯示屏消耗的電量一般高達(dá)電池總電量的30%，采用環(huán)境光傳感器可以限度地延長電池的工作時(shí)間。另一方面，環(huán)境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當(dāng)環(huán)境亮度較高時(shí)，使用環(huán)境光傳感器的液晶顯示器會自動(dòng)調(diào)成高亮度。當(dāng)外界環(huán)境較暗時(shí)，顯示器就會調(diào)成低亮度。
 

    (3)電子羅盤eCompass
 

    電子羅盤的原理
 

    從iPhone3GS開始，iPhone手機(jī)中開始內(nèi)置電子羅盤傳感器。在iPhone6手機(jī)中，電子羅盤芯片類型為由AKM公司生產(chǎn)的AKM8963芯片。AKM公司生產(chǎn)的電子羅盤傳感器芯片一直服務(wù)于歷代iPhone手機(jī)之中。
 

    電子羅盤由三維磁阻傳感器、雙軸傾角傳感器和MCU構(gòu)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(tài)時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償；MCU處理磁力儀和傾角傳感器的信號以及數(shù)據(jù)輸出和軟鐵、硬鐵補(bǔ)償。該磁力儀是采用三個(gè)互相垂直的磁阻傳感器，每個(gè)軸向上的傳感器檢測在該方向上的地磁場強(qiáng)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(gè)方向的傳感器的靈敏度都已根據(jù)在該方向上地磁場的分矢量調(diào)整到點(diǎn)，并具有非常低的橫軸靈敏度。傳感器產(chǎn)生的模擬輸出信號進(jìn)行放大后送入MCU進(jìn)行處理。磁場測量范圍為±2Gauss。通過采用12位A/D轉(zhuǎn)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(zhǔn)確測量出200-300mGauss的X和Y方向的磁場強(qiáng)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。
 

    電子羅盤的應(yīng)用
 

    電子羅盤的應(yīng)用很廣泛，一個(gè)簡單的使用電子羅盤傳感器的實(shí)例是iPhone手機(jī)上的指南針app，通過指南針app可以實(shí)現(xiàn)在手機(jī)不聯(lián)網(wǎng)的情況下進(jìn)行指示方向，不依靠地圖類app來指路，節(jié)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(shè)備的GPS和其他位置功能達(dá)到指向的功能。
 

    (4)距離傳感器Proximitysensor
 

    距離傳感器的原理
 

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

    距離傳感器的應(yīng)用
 

    這個(gè)傳感器能夠判斷iPhone6手機(jī)距離你有多近，這個(gè)傳感器的一個(gè)作用是當(dāng)手機(jī)貼近耳朵的時(shí)候能夠自動(dòng)的關(guān)閉屏幕。
 

    (5)指紋識別傳感器fingerprintsensor
 

    指紋識別傳感器的原理

 在iPhone6手機(jī)中選用的是TMDR92芯片。蘋果手機(jī)從iPhone5s開始支持指紋識別，iPhone6及iPhone6plus依舊支持，它的指紋識別傳感器的供應(yīng)商為AuthenTec公司。
 

    指紋識別傳感器位于iPhone6手機(jī)的HOME鍵下方，Home鍵周圍的光環(huán)也是感應(yīng)性的，當(dāng)手指靠近時(shí)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(diǎn)按Home鍵。iPhone6手機(jī)內(nèi)的指紋識別傳感器是500dpi的陣列陣列，就這一點(diǎn)，就可以確定是電容式指紋采集方式。然后電容式會有一個(gè)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(qū)，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(shè)備），所以5s的不銹鋼圓環(huán)就是起這個(gè)作用，讓手指帶電，并且檢測到手指接觸后，觸發(fā)電容檢測陣列加電。
 

    指紋識別傳感器的應(yīng)用
 

    指紋識別傳感器位于iPhone6手機(jī)的HOME鍵下方，有了他，用戶可以安東home鍵來進(jìn)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iosapp也已經(jīng)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(dòng)iPhone手機(jī)的HOME鍵就能夠?qū)崿F(xiàn)支付的功能。
 

    (6)陀螺儀gyroscope
 

    陀螺儀的原理
 

    iPhone手機(jī)使用的陀螺儀芯片是Invensens公司的MPU-6700。陀螺儀從2010年發(fā)布的iPhone4手機(jī)開始在iPhone手機(jī)中內(nèi)置。

    陀螺儀能夠同時(shí)測定6個(gè)方向的位置，移動(dòng)軌跡，加速。單軸的只能測量一個(gè)方向的量，也就是一個(gè)系統(tǒng)需要三個(gè)陀螺儀，而3軸的一個(gè)就能替代三個(gè)單軸的。3軸的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好，是激光陀螺的發(fā)展趨勢。
 

    陀螺儀應(yīng)用
 

    它的主要作用是運(yùn)用在游戲的控制上。通過三軸陀螺儀，我們只需要通過移動(dòng)手機(jī)相應(yīng)的位置，就可以達(dá)到改變方向的目的。比如平衡球游戲或者飛車，就是應(yīng)用了陀螺儀的原理，*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(shí)，操作更加靈活。
 

    （7）氣壓計(jì)Barometer
 

    氣壓計(jì)的原理
 

    iPhone6手機(jī)采用的氣壓計(jì)芯片是來自Bosch公司的MBP280芯片。
 

    普通的氣壓計(jì)原理是根據(jù)氣壓計(jì)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(jì)中，水銀越高，氣壓越大。通過水銀柱的高度，分割氣壓計(jì)的精確度，就可以來測量當(dāng)前的氣壓了。
 

    iPhone手機(jī)中的氣壓計(jì)類似于現(xiàn)實(shí)生活中的這些氣壓計(jì)，不過沒有了液體水銀，代替的是兩個(gè)傳感器之間的轉(zhuǎn)換來將壓力轉(zhuǎn)換成另外一個(gè)傳感器可以測量的量。
 

    氣壓計(jì)的應(yīng)用
 

    其實(shí)氣壓計(jì)的基本作用只是測量大氣的壓強(qiáng)，更重要的應(yīng)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(shè)備的高度，再配合GPS所取得的經(jīng)度和緯度來更快地計(jì)算出設(shè)備所在的位置。所以氣壓計(jì)在地圖類，使用GPS或天氣類的app中也有廣泛的應(yīng)用。
 

    （8）MEMS麥克風(fēng)
 

    iPhone5背部使用了第三個(gè)麥克風(fēng)來降噪，可實(shí)現(xiàn)高清晰度錄像，很快成為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。iPhone6Plus也是如此。
 

    5S上的三個(gè)麥克風(fēng)有一個(gè)來自樓氏電子（KnowlesElectronics），5S上有兩個(gè)，6Plus上卻沒有發(fā)現(xiàn)樓氏的身影，看起來是換供應(yīng)商了，也可能會影響今明兩年的麥克風(fēng)市場格局。

    第三個(gè)麥克風(fēng)可辨認(rèn)出來自意法半導(dǎo)體，MEMS內(nèi)核來自歐姆龍，封裝尺寸3.36×2.54×1.0毫米。
 

    另外，像濕度傳感器，相機(jī)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(shí)際上如聲波傳感器，觸摸屏傳感器已經(jīng)十分普遍地運(yùn)用在智能手機(jī)上，而溫度，濕度傳感器與氣壓傳感器功能類似，都屬于環(huán)境傳感器，且屬于次出現(xiàn)在iPhone手機(jī)上，相關(guān)資料相對較少，故不再具體討論。
 

    物聯(lián)網(wǎng)傳感器給中國帶來的機(jī)會
 

 中國傳感器產(chǎn)業(yè)已形成從技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到應(yīng)用的完整產(chǎn)業(yè)體系，部分細(xì)分領(lǐng)域已躋身世界水平。但就總體水平而言，國內(nèi)的傳感器產(chǎn)品仍以中低端為主，技術(shù)相對落后。中國市場上的中傳感器進(jìn)口占比達(dá)80%，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴(yán)重欠缺。但部分分細(xì)分領(lǐng)域已躋身世界水平。如基于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的傳感器，它是傳感器市場的主打產(chǎn)品。
 

    據(jù)科技市場研究機(jī)構(gòu)IC-Insights的數(shù)據(jù)顯示，2014年所售傳感器的80%均是基于MEMS技術(shù)。中國的歌爾聲學(xué)、瑞聲科技和美新半導(dǎo)體無錫有限公司已進(jìn)入MEMS傳感器供應(yīng)商前50強(qiáng)，前兩者分別是二和第四大MEMS麥克風(fēng)供應(yīng)商，出貨量占2014年市場的25%;匯頂科技的隱藏式指紋識別傳感器技術(shù)已引起關(guān)注。另外還有漢威電子、威爾泰、士蘭微等國內(nèi)傳感器廠商。
 

    但就總體水平而言，國內(nèi)的傳感器產(chǎn)品仍以中低端為主，技術(shù)相對落后。國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)品主要集中在低端的壓力、溫度、應(yīng)變片等低附加值產(chǎn)品，近年內(nèi)有幾家企業(yè)開始MEMS產(chǎn)品的生產(chǎn)，其中麥克風(fēng)產(chǎn)品勢頭發(fā)展較好，但其他如壓力、加速度、陀螺等也是比較低端得產(chǎn)品。國內(nèi)傳感器進(jìn)口占比達(dá)80%，數(shù)字化、智能化、微型化產(chǎn)品嚴(yán)重欠缺。
 

    目前約有40個(gè)國家從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用開發(fā)，研發(fā)機(jī)構(gòu)超過6000余家。其中，美國、日本和德國實(shí)力較強(qiáng)，產(chǎn)品門類繁多、覆蓋面廣、*總和超過60%，掌握市場主導(dǎo)權(quán)。
 

    在中國方面，據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)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(gè)，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(chǎn)和應(yīng)用的企事業(yè)單位，傳感器產(chǎn)品達(dá)到10大類、42小類、6000多個(gè)品種。
 

    與歐美日相比，國內(nèi)在整個(gè)產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是落后的，制造技術(shù)和封裝技術(shù)更加明顯?；A(chǔ)環(huán)節(jié)的問題解決不夠*，原始性創(chuàng)新的產(chǎn)品少，導(dǎo)致產(chǎn)品的附加值和*都比較低。從半導(dǎo)體芯片行業(yè)分析看來，傳感器是我國與國外差距比較小的領(lǐng)域，這與傳感器產(chǎn)業(yè)整體起步較晚不無關(guān)系。而現(xiàn)在正是由傳統(tǒng)向新型傳感器轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵階段，布局得當(dāng)有可能實(shí)現(xiàn)“彎道超車"，這個(gè)彎道就是物聯(lián)網(wǎng)。
 

    因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)所需的大量傳感器芯片只需完成簡單的數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸，這就要求芯片必須低功耗、低價(jià)格。借助現(xiàn)有的材料、封裝技術(shù)，這些性能在45nm芯片上即可呈現(xiàn)。而我國在45nm左右制程和8寸晶圓上有成熟的產(chǎn)業(yè)布局，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，這些產(chǎn)能將得到的釋放。
 

    希望借著這個(gè)機(jī)會，中國半導(dǎo)體迎來一個(gè)全新突破。