傳感器是一個(gè)極其特殊的行業(yè)，它的產(chǎn)值不算高，2019年我國(guó)市場(chǎng)規(guī)模約2200億人民幣，但卻有數(shù)萬(wàn)個(gè)品類(lèi)，幾乎遍布所有產(chǎn)業(yè)和每個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的角落。它集機(jī)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(fā)展瓶頸。它的原理透明，但工藝卻非常復(fù)雜，是制造業(yè)中少見(jiàn)的帶有“手藝”氣息的工業(yè)品，技術(shù)訣竅深藏在工藝之中。
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我國(guó)傳感器行業(yè)起步較晚，核心技術(shù)缺失，因而以中低端制造為主，隨著近年智能制造、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等熱火朝天的發(fā)展，特別是MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器朝著微型、低功耗、高精度方向發(fā)展，傳感器行業(yè)迎來(lái)了第二春。
本文著重介紹壓力傳感器的基礎(chǔ)應(yīng)用和未來(lái)方向。
一、壓力傳感器傳輸原理
壓力是指發(fā)生在兩個(gè)物體接觸表面的作用力，同時(shí)包含不同形態(tài)下的作用力，一般可分為氣壓、液壓、固壓三種情況。壓力傳感器通過(guò)感受壓力信號(hào)，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)器件或裝置，以便輔助機(jī)器完成判斷，因而成為IOT感知層技術(shù)的基石。
在過(guò)去幾十年中，汽車(chē)行業(yè)一直是推動(dòng)壓力傳感器需求的主要行業(yè)，迄今為止，壓力傳感器已廣泛應(yīng)用在管道液壓、消防、智能汽車(chē)、智慧醫(yī)療、航空航天等眾多領(lǐng)域。2020年全球壓力傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)16.5億美元，合計(jì)人民幣104億元，據(jù)新思界產(chǎn)研中心報(bào)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(yīng)用場(chǎng)景
壓力傳感器有多種分類(lèi)方式。從工作原理來(lái)劃分，壓力傳感可分為壓電式、壓阻式、應(yīng)變式、電容式等。從使用材料和傳感原理來(lái)看，主要有應(yīng)變式壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、擴(kuò)散硅壓力傳感器、藍(lán)寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器5種。
1、應(yīng)變片壓力傳感器——高精度 最廣泛
電阻應(yīng)變片壓力傳感器的核心是電阻應(yīng)變片，即一個(gè)受力會(huì)形變的金屬片。當(dāng)應(yīng)變片受外力影響時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而改變電阻值。比如當(dāng)金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。
應(yīng)變式傳感器可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量，在不同領(lǐng)域間的應(yīng)用也最為廣泛。尤其應(yīng)用在高精度要求的工業(yè)稱量系統(tǒng)產(chǎn)品，如平臺(tái)秤和料斗稱量系統(tǒng)。
2、陶瓷壓力傳感器——抗磨損 夠穩(wěn)定
彈性好、抗沖擊、抗磨損、性能穩(wěn)定……陶瓷是壓力傳感器的理性材料。陶瓷壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，而是以陶瓷直接作為感應(yīng)膜片，讓壓力間接作用于陶瓷膜片背面的厚膜電阻， 連接成一個(gè)惠斯通電橋，電阻阻值變化后通過(guò)電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力、激勵(lì)電壓成正比的電壓信號(hào)。
相比金屬應(yīng)變片，陶瓷壓力傳感器最大的特點(diǎn)就是抗腐蝕，在測(cè)量腐蝕性介質(zhì)的壓力時(shí)，如在化工、制冷等領(lǐng)域中往往大顯身手。其次，陶瓷壓力傳感器常以分層結(jié)構(gòu)組成，故有較好的抵抗壓力峰值的作用，但相應(yīng)的靈敏度可能沒(méi)有前者表現(xiàn)優(yōu)秀。
3、擴(kuò)散硅壓力傳感器——小體型 大信號(hào)
其原理是被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，并依靠電子線路檢測(cè)到變化，迅速轉(zhuǎn)換、輸出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。
擴(kuò)散硅壓力傳感器的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)輸出大，為后端變送調(diào)理線路提供了很大的優(yōu)勢(shì)，加上分辨率高，靈敏度高，其可選的后端電路更多。其次，擴(kuò)散硅的體積小巧利于安裝，可以廣泛應(yīng)用在醫(yī)療器械中，用于輔助生物監(jiān)測(cè)。
4、藍(lán)寶石壓力傳感器——精度準(zhǔn)價(jià)格高
與第1種應(yīng)變電阻式工作原理類(lèi)似，受到傳輸壓力后其接收膜片發(fā)生形變，變化被硅-藍(lán)寶石敏感元件感知后，其電橋?qū)⑤敵龊蛪毫Τ尸F(xiàn)正比的變化電信號(hào)。
作為半導(dǎo)體敏感元件，藍(lán)寶石的計(jì)量特性無(wú)與倫比，既不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象，也憑借極高的硬度不怕形變。此外，藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性，此類(lèi)傳感器可以在各種極端環(huán)境下工作，且可靠性高、精度好、溫度誤差極小。其缺點(diǎn)也很明顯——價(jià)格會(huì)相比其他壓力傳感器貴一倍以上，應(yīng)用場(chǎng)景一般在在高端或重型裝備上。
5、壓電壓力傳感器——?jiǎng)討B(tài)場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)
壓電壓力傳感器基于壓電效應(yīng)而工作，從結(jié)構(gòu)上看內(nèi)部有一個(gè)薄圓筒，當(dāng)薄圓筒內(nèi)側(cè)受到壓力作用時(shí)，圓筒的內(nèi)張力增大，從而使其固有振動(dòng)頻率升高。只要測(cè)出振筒的固有振動(dòng)頻率，就可知道壓力大小。
壓電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。但不可以應(yīng)用在靜態(tài)的測(cè)量當(dāng)中，原因是受到外力作用后的電荷，僅在回路中有無(wú)限大輸入抗阻的時(shí)候，才可以保存下來(lái)，因此只應(yīng)用在動(dòng)態(tài)測(cè)量當(dāng)中，如壓電噴墨打印頭、相機(jī)中使用壓電MEMS進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦等等。
此外，壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，在航空領(lǐng)域有特殊地位。
三、IOT時(shí)代來(lái)臨，壓力傳感器有哪些應(yīng)用場(chǎng)景？
縱觀整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，壓力傳感器上游主要是原材料供應(yīng)商，上游廠商提供金屬片、陶瓷片、硅片、藍(lán)寶石-硅壓合片等以及封裝所需材料。今年大部分原材料價(jià)格的不斷漲價(jià)對(duì)身處中游的壓力傳感器行業(yè)造成較大影響。
壓力傳感器的下游應(yīng)用十分廣泛，除了汽車(chē)制造、機(jī)械工業(yè)、醫(yī)療器械等行業(yè)，還在航空航天、消費(fèi)電子等產(chǎn)品中使用，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的智能產(chǎn)品也急需感應(yīng)元件滿足消費(fèi)者需求。
近些年來(lái)，新型半導(dǎo)體材料不斷出現(xiàn)，讓壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、敏感元件集成設(shè)計(jì)、加工工藝得以突破迭代，MEMS壓力傳感器供需量不斷增加，其應(yīng)用范圍也能夠走向更廣闊的領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)知名的壓力傳感器供應(yīng)商不少，但大部分集中在產(chǎn)品集成商手中，配套產(chǎn)品一同進(jìn)行銷(xiāo)售。以下幾家壓力傳感器企業(yè)較具代表性：
萬(wàn)訊自控從事工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表的產(chǎn)銷(xiāo)研造業(yè)務(wù)，其主營(yíng)產(chǎn)品壓力儀表及配件銷(xiāo)售貢獻(xiàn)占比連年上升，MEMS壓力傳感器的年產(chǎn)達(dá)1500萬(wàn)只，也從事定制化的儀表業(yè)務(wù)。
盾安環(huán)境主攻制冷配件和制冷設(shè)備，大部分制冷設(shè)備在使用時(shí)需要長(zhǎng)期測(cè)量壓力，以確保工作沒(méi)有異常，于是將產(chǎn)品和傳感器元件一并生產(chǎn)制造，形成自家產(chǎn)業(yè)鏈。
歌爾股份在高保真耳機(jī)代工上堪稱一枝獨(dú)秀的，2020年銷(xiāo)售收入近600億，將近50%的收入都來(lái)自大客戶蘋(píng)果耳機(jī)。歌爾的電子元器件業(yè)務(wù)占比98%，其主要產(chǎn)品入耳式耳機(jī)內(nèi)部有MEMS芯片和傳感器，以滿足耳機(jī)的各種交互功能。
威爾泰作為儀器儀表廠商，要收入和利潤(rùn)來(lái)源是壓力變送器。
壓力傳感器的行業(yè)集中度較高，全球行業(yè)內(nèi)前三名所占市場(chǎng)份額高達(dá)48%，博世（Bosch）、泰科電子（TE Connectivity）和英飛凌（Infineon）三家近乎半壁江山。除了這些壓力傳感器的生產(chǎn)巨頭之外，還有像霍尼韋爾、意法半導(dǎo)體、森薩塔等海外集團(tuán)公司占據(jù)著大量的市場(chǎng)份額。
四、壓力傳感器行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)：微型化、場(chǎng)景化、協(xié)同化
中國(guó)壓力傳感器的研發(fā)和制造目前尚處于起步期，未出現(xiàn)具有一定經(jīng)營(yíng)規(guī)模的企業(yè)，掌握核心部件研發(fā)和制造能力的企業(yè)十分稀缺。不僅如此，目前高精度的國(guó)產(chǎn)壓力傳感器，其內(nèi)部晶片或者芯體大多仍需進(jìn)口，但在全球疫情以及中美國(guó)際貿(mào)易關(guān)系的影響下，海外供貨受阻，供應(yīng)周期拉長(zhǎng)，這使得研發(fā)自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)壓力傳感器芯體迫在眉睫。
微型化是壓力傳感器研發(fā)的一大趨勢(shì)，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(yīng)用場(chǎng)景也在不斷拓寬，智能家居、管道檢測(cè)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能制造中都會(huì)大量使用壓力傳感器。
同時(shí)，多傳感器協(xié)同的情況也會(huì)普遍地出現(xiàn)在各種智能產(chǎn)品中，通過(guò)多傳感器的融合與協(xié)同，提升了信號(hào)識(shí)別與收集的效果，也提高了智能設(shè)備的集成化程度，節(jié)約了內(nèi)部空間。相信在未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，壓力傳感器的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多。
