傳感器是一個極(ji)其(qi)特(te)殊的行業，它的產值不算(suan)高(gao)，2019年我國市場規模(mo)約2200億人民幣，但卻(que)有數萬個品類，幾(ji)乎遍布所有產業和(he)每(mei)個國民經濟的角落。它集機械、光、電于一身，能精確衡量壓力、溫度、濃度、速度等，卻又受制于芯片、材料、電路的發展瓶頸。它的原理透明，但工藝卻非常復雜，是制造業中少見的帶有“手藝”氣息的工業品，技術訣竅深藏在工藝之中。
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我國傳感器行業起步較晚，核心技術缺失，因而以中低端制造為主，隨著近年智能制造、工業物聯網、人工智能等熱火朝天的發展，特別是MEMS技術的發展，半導體傳感器朝著微(wei)型、低功耗(hao)、高精(jing)度方向發展，傳感器行業迎來了第二春。
本(ben)文(wen)著重介紹壓(ya)力傳感器的基礎應用和未來方向。
一、壓力傳感器傳輸原理
壓力是指發生在兩(liang)個物(wu)體接觸(chu)表面的(de)作用(yong)力，同(tong)時(shi)包含不同(tong)形態(tai)下的(de)作用(yong)力，一般(ban)可分為氣壓、液壓、固(gu)壓三種情況。壓力(li)傳感器(qi)通過感受壓力信號，將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號器件或裝置，以便輔助機器完成判斷，因而成為IOT感知層技術的基石。
在過去幾十年中，汽車行業一直是推動壓力傳感器需求的主要行業，迄今為止，壓力傳感器已廣泛應用在管道液壓、消防、智能汽車、智慧醫療、航空航天等眾多領域。2020年全球壓力傳感器市場規模已達16.5億美元，合計人民幣104億元，據新思界產研中心報告顯示，壓力傳感器的份額約占20%，僅次于流量傳感器。
二、5大壓力傳感器及應用場景
壓力傳感器有多種(zhong)分類方式。從(cong)工作原理來劃分，壓力傳感可分為壓電式(shi)(shi)、壓阻式(shi)(shi)、應變式(shi)(shi)、電容式(shi)(shi)等。從使用材料和傳感原(yuan)理來看(kan)，主要有應變式壓(ya)力傳感(gan)器(qi)、陶(tao)瓷(ci)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)、擴散硅壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)、藍寶石(shi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)、壓(ya)電壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)5種。
1、應變片(pian)壓力傳感器——高精度(du) 最(zui)廣泛
電阻應(ying)變片壓力傳感器的核心是電阻應(ying)變片，即一個受力會形變的金屬(shu)片。當應變(bian)片受外(wai)力影響時，其長(chang)度和截(jie)面(mian)積都(dou)會發生變(bian)化，進(jin)而改變(bian)電(dian)阻值(zhi)。比(bi)如(ru)當金(jin)屬絲受(shou)外力作用而伸長時(shi)，其(qi)長度(du)增(zeng)加，而截面積減少(shao)，電阻值便會增(zeng)大。
應變式傳(chuan)感器可以(yi)測量應(ying)變應(ying)力、彎矩(ju)、扭矩(ju)、加速(su)度、位(wei)移等(deng)物理量(liang)，在不同領域間的(de)應(ying)用也最為廣泛(fan)。尤其(qi)應(ying)用在高精度要求的(de)工業(ye)稱(cheng)量(liang)系統產(chan)品，如(ru)平(ping)臺秤和料斗稱(cheng)量(liang)系統。
2、陶瓷壓力傳(chuan)感(gan)器——抗磨損 夠穩(wen)定
彈性(xing)好、抗(kang)沖擊、抗(kang)磨損、性(xing)能穩(wen)定……陶瓷是壓力傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)的理性(xing)材料。陶瓷壓力傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)沒有液體的傳(chuan)遞(di)，而是以陶(tao)瓷(ci)直(zhi)接作為感應膜片(pian)，讓壓力間接作用于陶(tao)瓷(ci)膜片(pian)背面的厚膜電阻， 連接成一個惠斯通電橋，電阻阻值變化后(hou)通過電橋產生一個(ge)與壓力、激(ji)勵電壓成正比的電壓信(xin)號(hao)。
相比金屬(shu)應變片，陶(tao)瓷(ci)壓力傳(chuan)感器(qi)最大(da)的特點就是抗腐蝕，在測量腐蝕性介質的壓力時，如在化工、制冷等領域中往往大顯身手。其次，陶瓷壓力傳感器常以分層結構組成，故有較好的抵抗壓力峰值的作用，但相應的靈敏度可能沒有前者表現優秀。
3、擴散硅壓(ya)力傳感器——小(xiao)體型(xing) 大信號
其(qi)原理是(shi)被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片(pian)上(shang)，使膜片(pian)產生與介(jie)質壓力成正比的微位移(yi)，使傳感(gan)器的電阻值發(fa)生變(bian)化，并依靠電子線路檢測到變(bian)化，迅(xun)速(su)轉換、輸出相應的標準測量信號(hao)。
擴散硅(gui)壓力傳感器的一個顯著(zhu)優點是信(xin)號輸出大，為后端變送調理線路提供了很大的優勢，加上分辨率高，靈敏度高，其可選的后端電路更多。其次，擴散硅的體積小巧利于安裝，可以廣泛應用在醫療器械中，用于輔助生物監測。
4、藍寶石壓力(li)傳(chuan)感(gan)器——精度準(zhun)價格高
與(yu)第1種(zhong)應變電(dian)阻(zu)式工作(zuo)原(yuan)理類似，受到(dao)傳輸壓力(li)后(hou)其接收(shou)膜片發生形(xing)變(bian)，變(bian)化(hua)被硅-藍寶(bao)石敏感(gan)元件感(gan)知(zhi)后(hou)，其電(dian)橋(qiao)將(jiang)輸出和(he)壓力(li)呈現(xian)正比的(de)變(bian)化(hua)電(dian)信號。
作為半導體(ti)敏(min)感元件，藍寶石(shi)的計量特性無與倫比(bi)，既不(bu)會發生滯(zhi)后、疲勞和蠕變現(xian)象(xiang)，也憑借極高(gao)的硬度不(bu)怕形(xing)變。此外，藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性，此類傳感器可以在各種極端環境下工作，且可靠性高、精度好、溫度誤差極小。其缺點也很明顯——價格會相比其他壓力傳感器貴一倍以上，應用場景一般在在高端或重型裝備上。
5、壓電壓力傳感(gan)器(qi)——動態場景優勢
壓電壓力(li)傳感器基于壓電效應而工(gong)作，從結構(gou)上看內部有一個(ge)薄圓筒，當薄圓(yuan)筒(tong)內(nei)側受到壓力(li)作用(yong)時(shi)，圓(yuan)筒(tong)的(de)內(nei)張力(li)增大(da)，從(cong)而使其固有(you)振動(dong)頻率(lv)升高。只要測出振筒(tong)的(de)固有(you)振動(dong)頻率(lv)，就可(ke)知道壓力(li)大(da)小。
壓(ya)電傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(you)異的特點。但(dan)不可以應(ying)用在(zai)靜(jing)態的(de)測量當(dang)中(zhong)，原因是受到(dao)外(wai)力作用后(hou)的(de)電(dian)荷，僅在(zai)回路中(zhong)有無限大(da)輸入(ru)抗阻(zu)的(de)時候，才可以保存下來，因此只應(ying)用在(zai)動態測量當(dang)中(zhong)，如壓電(dian)噴墨(mo)打印頭(tou)、相機中(zhong)使(shi)用壓電(dian)MEMS進行自動對焦等(deng)等(deng)。
此(ci)外(wai)，壓(ya)電式(shi)加速度傳(chuan)感器(qi)在(zai)飛機、汽車、船舶(bo)、橋梁和建筑的(de)振(zhen)動和沖(chong)擊測(ce)量中(zhong)已(yi)經得到了廣(guang)泛的(de)應(ying)用(yong)，在(zai)航空領域有特殊地位(wei)。
三、IOT時代來臨，壓力傳感(gan)器有哪些應用場景？
縱觀整個產業鏈，壓力傳感器上游主要是(shi)原(yuan)材料供應商(shang)，上游廠商提供金屬片、陶瓷片、硅片、藍寶石-硅壓合片等以及封裝所需材料。今年大部分原材料價格的不斷漲價對身處中游的壓力傳感器行業造成較大影響。
壓力傳感(gan)器的(de)下游應用(yong)十(shi)分廣泛(fan)，除了汽車(che)制造、機械工業、醫療器械等(deng)行業，還在航空航天、消費(fei)電子(zi)等(deng)產品中使(shi)用(yong)，隨著物聯(lian)網(wang)時代(dai)的(de)到來，越來越多的(de)智能產品也急需感(gan)應元件滿足消費(fei)者需求。
近些年來，新型半導(dao)體材料不斷出現，讓壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)、敏感(gan)(gan)元(yuan)件集成設(she)計(ji)、加(jia)工(gong)工(gong)藝得(de)以突破迭(die)代，MEMS壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)供需量不斷增加(jia)，其應用范圍也能夠走向更(geng)廣闊(kuo)的(de)領域。國內(nei)知(zhi)名(ming)的(de)壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)供應商不少，但大部分集中在產品(pin)集成商手中，配套(tao)產品(pin)一同進行銷售。以下幾家壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)企業(ye)較具(ju)代表性：
萬訊自控從(cong)事工(gong)業自動化儀器(qi)儀表的(de)(de)產(chan)(chan)銷(xiao)(xiao)研造業務(wu)，其(qi)主(zhu)營(ying)產(chan)(chan)品壓(ya)力儀表及配(pei)件銷(xiao)(xiao)售貢獻占(zhan)比連(lian)年上(shang)升，MEMS壓(ya)力傳感器(qi)的(de)(de)年產(chan)(chan)達1500萬(wan)只，也(ye)從(cong)事定制化的(de)(de)儀表業務(wu)。
盾(dun)安(an)環境主攻制(zhi)冷配件和制(zhi)冷設備(bei)(bei)，大部分制(zhi)冷設備(bei)(bei)在使用時(shi)需要長期測量壓力，以(yi)確(que)保工(gong)作沒有異常(chang)，于是將產(chan)品(pin)和傳感(gan)器元件一并生產(chan)制(zhi)造，形(xing)成自家產(chan)業(ye)鏈。
歌爾股份(fen)在高保(bao)真耳(er)機代工上(shang)堪稱一(yi)枝獨秀的(de)，2020年銷售收入(ru)近600億，將近50%的(de)收入(ru)都來自(zi)大(da)客戶(hu)蘋果耳(er)機。歌爾的(de)電(dian)子(zi)元器(qi)件業務(wu)占比98%，其主要產品入(ru)耳(er)式耳(er)機內(nei)部有MEMS芯(xin)片和傳感器(qi)，以滿足耳(er)機的(de)各種(zhong)交互功能。
威爾(er)泰(tai)作為儀器儀表廠商，要(yao)收入和利潤(run)來源是壓力(li)變送器。
壓(ya)力(li)傳(chuan)感器的行業(ye)集中度較高(gao)，全球行業(ye)內前三名所占市場(chang)份額(e)高(gao)達48%，博世(shi)（Bosch）、泰科電子（TE Connectivity）和英(ying)飛凌（Infineon）三家近乎半(ban)壁江山。除了這些壓(ya)力(li)傳(chuan)感器的生產巨頭之外，還有像(xiang)霍尼韋爾、意法(fa)半(ban)導體(ti)、森薩塔等海外集團公(gong)司占據(ju)著大(da)量的市場(chang)份額(e)。
四、壓(ya)力傳感(gan)器行業發展趨勢：微型化(hua)(hua)、場景化(hua)(hua)、協同化(hua)(hua)
中(zhong)國(guo)(guo)壓(ya)力(li)傳感(gan)(gan)器的(de)(de)研(yan)發和制造(zao)目(mu)(mu)前(qian)尚處(chu)于起步期(qi)，未出現具有一定經營規模的(de)(de)企業，掌握核心(xin)部(bu)件(jian)研(yan)發和制造(zao)能力(li)的(de)(de)企業十分稀缺。不僅如(ru)此，目(mu)(mu)前(qian)高精(jing)度的(de)(de)國(guo)(guo)產(chan)壓(ya)力(li)傳感(gan)(gan)器，其內部(bu)晶(jing)片或者芯體(ti)大多仍需進口(kou)，但在全球疫(yi)情(qing)以及中(zhong)美國(guo)(guo)際貿易關系(xi)的(de)(de)影響(xiang)下，海外供貨(huo)受阻(zu)，供應周期(qi)拉長，這使得研(yan)發自(zi)主(zhu)設計生產(chan)的(de)(de)國(guo)(guo)產(chan)壓(ya)力(li)傳感(gan)(gan)器芯體(ti)迫在眉睫(jie)。
微(wei)型化(hua)是壓力傳感器研發的一大趨勢，廠商們正不斷地縮小壓力傳感器的體積。MEMS壓力傳感器的出貨量逐年上升，多元化的應用場景也在不斷拓寬，智能家居、管道檢測、車聯網、智能制造中都會大量使用壓力傳感器。
同時，多傳(chuan)感(gan)器協同的情(qing)況也會普遍(bian)地出現在(zai)各種(zhong)智能(neng)產品(pin)中，通(tong)過(guo)多傳(chuan)感(gan)器的融合與協同，提(ti)升了信號識別與收集(ji)(ji)的效果，也提(ti)高了智能(neng)設備的集(ji)(ji)成化程(cheng)度(du)，節(jie)約了內部空間。相信在(zai)未(wei)來(lai)(lai)，物聯網時代，壓(ya)力傳(chuan)感(gan)器的應用會越(yue)(yue)來(lai)(lai)越(yue)(yue)多。
