傳感器是一個極其特殊的行業，它(ta)的產(chan)值(zhi)不算(suan)高，2019年我國市場規模(mo)約(yue)2200億(yi)人民(min)幣，但卻有數(shu)萬個品(pin)類，幾(ji)乎遍布所有產業和(he)每(mei)個國民經濟的角(jiao)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、高精(jing)度方向發展，傳感器行業迎來了第二春。
本文著重介紹壓(ya)力傳感器的基礎應用和未來方向。
一、壓力(li)傳感器傳輸原理
壓(ya)力是指發生在兩個物體接(jie)觸表面的作用力，同時包含不同形態下的作用力，一般可分為氣壓(ya)、液壓(ya)、固(gu)壓(ya)三種情況。壓力傳感器通過感受壓力信號，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(li)傳(chuan)感(gan)器及應用場景
壓(ya)力傳(chuan)感器有(you)多種分類方式。從工(gong)作原理來劃(hua)分，壓(ya)力傳(chuan)感可分為(wei)壓電式(shi)、壓阻式(shi)、應(ying)變式(shi)、電容式(shi)等。從(cong)使用材料和傳感(gan)原理來看，主要有應(ying)變式壓力傳感(gan)器(qi)、陶瓷壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、擴(kuo)散(san)硅(gui)壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、藍寶石壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)、壓(ya)電壓(ya)力(li)傳(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)5種(zhong)。
1、應(ying)變(bian)片壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器——高(gao)精度 最(zui)廣(guang)泛(fan)
電(dian)阻應變片(pian)壓力(li)傳感器的核心是電(dian)阻應變片(pian)，即一個受力(li)會形變的金屬片(pian)。當應變(bian)片受外(wai)力影響時，其長度(du)和截面積(ji)都會發(fa)生變(bian)化，進而改變(bian)電阻值(zhi)。比(bi)如當金屬絲受外力(li)作用而伸長(chang)時，其(qi)長(chang)度(du)增(zeng)(zeng)加，而截(jie)面積減少，電阻值便會增(zeng)(zeng)大。
應變式傳感(gan)器可(ke)以測(ce)量應(ying)變應(ying)力(li)、彎矩、扭(niu)矩、加速度、位移等(deng)物理量，在不同領域間的(de)應(ying)用也最為廣(guang)泛。尤其應(ying)用在高精度(du)要(yao)求的(de)工(gong)業稱量系統產品，如(ru)平臺(tai)秤和料斗稱量系統。
2、陶瓷壓(ya)力傳感器——抗磨(mo)損 夠(gou)穩定
彈(dan)性好、抗沖擊、抗磨(mo)損(sun)、性能(neng)穩(wen)定(ding)……陶瓷是壓力(li)傳(chuan)感器的理性材料。陶瓷壓力(li)傳(chuan)感器沒(mei)有液體的傳(chuan)遞，而是以陶瓷直接(jie)(jie)作(zuo)為感應(ying)膜(mo)片，讓壓力間(jian)接(jie)(jie)作(zuo)用于(yu)陶瓷膜(mo)片背面(mian)的厚膜(mo)電阻， 連接(jie)(jie)成一個惠斯通(tong)電橋，電(dian)(dian)阻(zu)阻(zu)值變化(hua)后通過電(dian)(dian)橋(qiao)產(chan)生一個與(yu)壓力、激勵電(dian)(dian)壓成(cheng)正比的電(dian)(dian)壓信(xin)號。
相(xiang)比金屬應(ying)變片，陶(tao)瓷壓力傳(chuan)感器最(zui)大的特(te)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、擴散硅壓力傳感器——小體(ti)型 大信號
其(qi)原(yuan)理是被測介質的壓力直接(jie)作用(yong)于傳感器的膜片上，使膜片產生(sheng)與介質(zhi)壓力成正(zheng)比的微位移，使(shi)傳感器的電阻值發生變(bian)化，并依靠電子線路(lu)檢(jian)測到變(bian)化，迅速轉換(huan)、輸出相應的標(biao)準測量信號(hao)。
擴散(san)硅壓力(li)傳(chuan)感(gan)器的一個顯(xian)著(zhu)優(you)點是信(xin)號輸(shu)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)傳感器——精度準價格高(gao)
與第1種應(ying)變電(dian)阻式工作原理(li)類似，受(shou)到傳輸壓力后其(qi)接收膜片發生形變(bian)，變(bian)化被(bei)硅-藍寶石(shi)敏感(gan)元件感(gan)知(zhi)后，其(qi)電橋將輸出和(he)壓力呈現正(zheng)比的變(bian)化電信(xin)號。
作為半導體敏(min)感(gan)元件，藍寶石的計量(liang)特性無與(yu)倫比，既不會(hui)發生(sheng)滯后、疲勞(lao)和蠕變(bian)現象，也憑借極高的硬(ying)度不怕形(xing)變(bian)。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(ya)電(dian)壓(ya)力傳感器——動態場景(jing)優勢
壓電(dian)壓力(li)傳感器基于壓電(dian)效應而工作，從結(jie)構上(shang)看內部有一個薄圓筒(tong)，當薄圓(yuan)筒內側受(shou)到(dao)壓力(li)作用時，圓(yuan)筒的(de)內張力(li)增大，從而使(shi)其固有(you)(you)振(zhen)動頻率升高。只(zhi)要測出振(zhen)筒的(de)固有(you)(you)振(zhen)動頻率，就可知(zhi)道壓力(li)大小。
壓電傳感器具(ju)有結構(gou)簡單、體(ti)積小、重(zhong)量輕、使用壽命長等優異的特點(dian)。但(dan)不可(ke)以(yi)應用在靜態的(de)測量當中(zhong)(zhong)，原因是受到外力作用后的(de)電荷，僅在回路中(zhong)(zhong)有(you)無限(xian)大(da)輸(shu)入抗阻的(de)時(shi)候，才(cai)可(ke)以(yi)保(bao)存下(xia)來(lai)，因此只應用在動態測量當中(zhong)(zhong)，如壓電噴墨打印頭、相(xiang)機中(zhong)(zhong)使用壓電MEMS進行(xing)自動對焦等等。
此外，壓電式加速度(du)傳感器在飛機、汽車、船舶(bo)、橋(qiao)梁和建筑的(de)振動和沖擊測量中(zhong)已經得到了廣泛的(de)應(ying)用，在航空領域有特(te)殊地位。
三、IOT時代來臨，壓力傳感器有哪(na)些應用場景？
縱(zong)觀整個產業鏈，壓力(li)傳感器上(shang)游主要(yao)是原材料供(gong)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。
壓力傳感器的下(xia)游(you)應用十分廣泛(fan)，除了汽車(che)制造、機械工(gong)業、醫療器械等行業，還(huan)在(zai)航空(kong)航天、消(xiao)費電子(zi)等產品(pin)中使用，隨著物聯網時代的到來，越來越多的智(zhi)能產品(pin)也急需感應元件滿足消(xiao)費者需求(qiu)。
近(jin)些年(nian)來(lai)，新型半導體材料(liao)不(bu)斷出現，讓壓(ya)力傳感(gan)器(qi)(qi)的(de)結(jie)構設計、敏感(gan)元件(jian)集成設計、加工工藝(yi)得以突(tu)破(po)迭代(dai)，MEMS壓(ya)力傳感(gan)器(qi)(qi)供需量(liang)不(bu)斷增加，其(qi)應(ying)用范圍也能夠走向更廣闊的(de)領域。國(guo)內知名的(de)壓(ya)力傳感(gan)器(qi)(qi)供應(ying)商(shang)不(bu)少(shao)，但大部分集中在(zai)產品集成商(shang)手中，配套(tao)產品一同進(jin)行銷售(shou)。以下幾家壓(ya)力傳感(gan)器(qi)(qi)企業較具代(dai)表(biao)性：
萬(wan)訊自控從事工業自動化(hua)儀器儀表的產(chan)銷研造業務，其主營產(chan)品壓力(li)儀表及配件(jian)銷售貢獻占比(bi)連年上升(sheng)，MEMS壓力(li)傳感(gan)器的年產(chan)達1500萬只，也從事定制化(hua)的儀表業務。
盾安環境(jing)主(zhu)攻制冷配件和制冷設(she)(she)備(bei)，大部分(fen)制冷設(she)(she)備(bei)在使用(yong)時需要長期測量壓力，以確保工作沒有異常，于(yu)是將(jiang)產品和傳感器元件一并(bing)生產制造，形成(cheng)自家產業(ye)鏈。
歌(ge)爾股份在高保真(zhen)耳(er)(er)機(ji)代工上堪稱一(yi)枝獨秀的(de)(de)，2020年(nian)銷售(shou)收入(ru)近600億，將近50%的(de)(de)收入(ru)都來自(zi)大客戶蘋果耳(er)(er)機(ji)。歌爾的(de)(de)電子(zi)元器件業務占比(bi)98%，其(qi)主(zhu)要(yao)產品(pin)入(ru)耳(er)(er)式(shi)耳(er)(er)機(ji)內(nei)部(bu)有(you)MEMS芯片和傳(chuan)感器，以(yi)滿足耳(er)(er)機(ji)的(de)(de)各種交互功(gong)能。
威爾泰作為(wei)儀器儀表廠商，要收(shou)入和利潤來源是壓力(li)變(bian)送器。
壓力傳感器的(de)行業集中度較高(gao)(gao)，全球(qiu)行業內(nei)前三名所占(zhan)市場(chang)份(fen)額高(gao)(gao)達48%，博世（Bosch）、泰科電子(zi)（TE Connectivity）和英飛(fei)凌（Infineon）三家近乎半壁(bi)江山。除了(le)這些(xie)壓力傳感器的(de)生產巨頭(tou)之外(wai)，還有像霍(huo)尼韋爾、意法半導體、森薩塔(ta)等海外(wai)集團公司占(zhan)據著大量的(de)市場(chang)份(fen)額。
四、壓力傳(chuan)感器行(xing)業發展趨勢(shi)：微型化(hua)、場景化(hua)、協同(tong)化(hua)
中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)壓力傳(chuan)感(gan)器的(de)研發和制(zhi)造目前尚處(chu)于(yu)起(qi)步(bu)期，未(wei)出現具(ju)有一定經營規模的(de)企(qi)業(ye)，掌(zhang)握(wo)核心部(bu)件研發和制(zhi)造能力的(de)企(qi)業(ye)十分稀缺。不僅如此，目前高精度的(de)國(guo)(guo)產(chan)壓力傳(chuan)感(gan)器，其(qi)內部(bu)晶片或者芯體大多仍(reng)需(xu)進(jin)口，但在全球疫(yi)情以及中(zhong)(zhong)美國(guo)(guo)際貿易關系的(de)影響下，海外供貨(huo)受(shou)阻，供應周期拉長，這使得(de)研發自主(zhu)設計生產(chan)的(de)國(guo)(guo)產(chan)壓力傳(chuan)感(gan)器芯體迫在眉睫。
微型化是壓力傳感(gan)器(qi)研發的一大趨(qu)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，多傳感器(qi)協同的(de)(de)情況也會普遍地出現在(zai)各種智能產(chan)品(pin)中，通過(guo)多傳感器(qi)的(de)(de)融合(he)與協同，提升(sheng)了信號識別與收集的(de)(de)效果，也提高了智能設備的(de)(de)集成化程度，節約了內部空間。相信在(zai)未(wei)來，物聯網時代，壓力(li)傳感器(qi)的(de)(de)應(ying)用會越來越多。
