导读:据相关资料显示,目前全球成型产品及在研传感器种类共计近5万种,其中,产品化的传感器种类约2.6万余种,涵盖声、光、电、力、热……等等各种测量量传感器。
据相关资料显示,目前全球成型产品及在研传感器种类共计近5万种,其中,产品化的传感器种类约2.6万余种,涵盖声、光、电、力、热……等等各种测量量传感器。
那么,你知道世界上第一个现代传感器是什么?第一个MEMS传感器是什么?第一个压力传感器怎么被发明?第一个CMOS图像传感器是什么?
世界上第一个现代传感器 人类第一个电信号传感器 第一个温度传感器
在一些介绍传感器历史的内容中,有时候会将指南车、地动仪、日冕仪等等作为最古老的“传感器”,然而这些中国古代的伟大发明,虽然具有一定的“感知”能力,但并不具备现今我们所说的传感器特征。
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。
传感器的概念可以追溯到19世纪初,当时科学家们开始研究电学现象,并发现电阻、电容和电感等参数的变化可以用来测量周围环境的物理量。人类最早发明的将测量信号变为电信号的现代传感器是温度传感器。
17世纪初,伽利略发明了气体温度计,人类开始利用温度进行测量。
19世纪初,物理学家Thomas Johann Seebeck、Jean-Charles Peltier、William Thomson分别独立发现了热电效应,热电效应就是由温差产生电压的直接转换,且反之亦然,也即温度与电压之间存在确定的关系。
1829 年L.Nobili 根据 Seebeck 发现的热电效应制造了第?个热电偶和改进的温度计。这种传感器是由两个不同金属连接而成的电路,当两个金属连接处的温度不同时,就会产生电压差。根据热电偶产生的电压差的大小,可以测量温度的变化。
1831年后,M. Melloni 提出了将多个铋铜热电偶串联连接的想法,从?产?更?的、可测量的输出,多个热电偶连接称为热电堆,这是世界上第一个热电堆温度传感器。
▲Nobili-Mellon热电堆原型
虽然热电偶是第一个被广泛应用的温度传感器,但它的精度和稳定性相对较差,而且受到温度、材料等因素的影响较大。
五十年以后的1871年,另一位德国人西门子(Wilhelm Siemens)发明了铂电阻温度传感器,但由于温度读数不稳定,西门子的 RTD (铂电阻温度传感器)迅速失宠。
此后,1885年,英国物理学家Hugh Longbourne Callendar 开发出第一个商用成功的铂 RTD,成为第一个设计和制造适合使用的精确铂电阻温度计的人。
因精度高稳定性好,铂电阻温度传感器目前被广泛用于医疗、电机、工业、温度计算、卫星、气象、阻值计算等高精温度设备。
在半导体技术的支持下,本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应,根据波与物质的相互作用规律,相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
随着技术的不断发展,现代温度传感器已经具备了更高的精度、更广的测量范围和更好的稳定性,应用领域也越来越广泛,如工业自动化、医疗、环境监测等。
如今温度传感器已是市场规模最大的传感器种类之一。
▲传统温压流传感器市场份额,来源:前瞻产业研究院
第一个红外传感器 因军事而发展 最具军事价值的传感器之一
第一个红外传感器的发明可以追溯到19世纪末,1800年英国物理学家William Herschel(赫胥尔)发现了物体红外辐射和温度的关系。
这与Seebeck等人发现热电效应原理几乎同一时间,不过,直到20世纪初期,红外传感器才开始得到实际应用。
▲William Herschel发现红外线的实验
1917年,第?个红外(IR)探测器由 Theodore W. Case 开发,在美国陆军的支持下,1918年被用作红外信号装置中的传感器,该红外探测器使用硫化亚铊(Tl2S)。
自 1940 年代以来,这些探测器得到了广泛的发展。硫化铅 (PbS) 是第一个实用的红外探测器。
在 20 世纪 50 年代末和 1960 年代,德州仪器、休斯飞机公司和霍尼韦尔公司开发了单元件探测器,可以扫描场景并生成线图像,这些基本探测器推动了现代热成像技术的发展。
第?次世界?战后,红外探测器技术的发展主要由军事应?推动,直到今天红外传感器仍是最具有军事价值的传感器种类之一。
随着技术的不断发展,现代红外传感器已经具备了更高的灵敏度、更宽的波段范围和更好的抗干扰性能。目前,红外传感器已广泛应用于医疗、安防、军事、工业、环境监测等领域。
▲红外热成像(红外传感器)发展历程
因为红外传感器的军事价值,红外传感器技术高度敏感,是西方国家对我国制裁最严重的传感器技术之一,目前我国国防领域红外传感器基本实现国产自主研发。
而民用,在非制冷红外探测器等红外传感领域,我国已涌现出高德红外、睿创微纳、海康威视、大立科技、大华科技等一批优秀企业,完整掌握相关核心技术。
第一个MEMS传感器 开启传感器的“狂飙”时代
MEMS技术对现今传感器的普及起到关键作用,如果没有MEMS技术,传感器的微型化、集成化、低功耗等将难以做到,而物联网、智能手机、汽车等发展也将严重滞后。目前,MEMS传感器已占到所有传感器市场份额的约一半以上。
1959年美国物理学家Richard Feynman(理查德费曼),在他著名的演讲“底部有足够的空间”中,提出了将机器小型化到原子和分子尺度的想法。然而,直到 20 世纪 80 年代和 90 年代,MEMS 技术才开始得到开发和商业化。
1962年,微小器件的先驱——第一个硅微压力传感器问世,开创了MEMS技术的先河,也是MEMS微传感器的起始点。霍尼?尔研究中?和?尔实验室的相关论文显示,他们发明了第?个硅隔膜压?传感器和应变计。
此后,?们对MEMS传感器技术的兴趣急剧增?,到 1960 年代后期,许多美国先驱公司已经开始生产第一批MEMS压力传感器。
▲理查德?费曼
第一个真正大规模商业化的 MEMS 传感器是加速度计,它由美国ADI公司(亚德诺)于 1991 年发明。该传感器基于电容传感原理,传感器的输出信号可用于测量加速度或倾斜度。
这个MEMS加速度传感器主要用于汽车安全气囊中,此前汽车安全气囊用传统传感器一只售价20美元,而ADI的MEMS加速度传感器售价约为每个5美元,这使安全气囊电子装置的成本降低了75%左右。
此后,MEMS技术发展迅速,广泛应用于陀螺仪、压力传感器、磁传感器、麦克风等传感器领域。MEMS传感器与传统传感器相比具有许多优势,例如体积更小、功耗更低、精度更高、成本更低。它们促进了消费电子、汽车、医疗保健和航空航天等领域的许多新应用的开发。
目前,据Yole的MEMS市场调研报告显示,MEMS射频器件、MEM压力传感器、MEMS惯性传感器(含加速度计和陀螺仪)等为主要的MEMS传感器种类。
第一个CMOS图像传感器 中国人参与贡献
图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器,由于CMOS图像传感器具有集成度高、标准化程度高、功耗低、成本低、体积小、图像信息可随机读取等一系列优点,从20世纪90年代开始被重视并获得大量研发资源,其市场份额占比逐年提升。
目前CMOS图像传感器在图像传感器市场中占据主导地位,2020年,全球图像传感器市场中,CMOS图像传感器占比为83.2%;CCD图像传感器占比为16.8%,并且CCD图像传感器市场在不断萎缩。
1963年Morrison发表了可计算传感器,这是一种可以利用光导效应测定光斑位置的结构,成为CMOS图像传感器发展的开端。
据科技老兵戴辉《CMOS图像传感器35年史和中国人的关键贡献》文中介绍,1989 年,英国爱丁堡大学的Peter Denyer教授、David Renshaw博士,和当时在爱丁堡大学做科研的王国裕和陆明莹联袂发表了一篇论文,报道了CMOS 图像传感器(CIS)的工作。
1990年底,芯片流片成功,英国爱丁堡大学成功地制造出了世界上第一块单片 CMOS 图像传感器件(备注:ASIC IMAGE SENSOR),并成功进行了演示,从此开创了一个新世界。
此外,王国裕开发了国内第一个单片CMOS摄像芯片、国际上第一个高分辨率CMOS摄像芯片(40万像素)、国内第一个同时带有全电视信号输出和数字信号输出的单片CMOS摄像芯片、国内第一个单片CMOS彩色摄像芯片。并以单片CMOS摄像芯片为核心,开发出国内第一个微型摄像头(曾在公交车上大量使用)和国内第一个电脑眼。
目前CMOS图像传感器是市场规模最大的传感器领域之一,全球CMOS图像传感器市场中,中国企业具有一定影响力。
其中,豪威科技(Omnivision)排名全球第3中国第一,占据全球13%市场份额,豪威科技也是全球最早成功量产商业CMOS图像传感器的企业之一。格科微(Galaxycore)排名全球第5中国第二,占据全球4%市场份额,思特威(Smartsens)排名全球第7中国第三,占据全球2%市场份额。
▲来源:Yole
第一个压力传感器
“压力”一词最早在1648年由法国科学家帕斯卡提出,压强单位帕斯卡(符号Pa或Pascal)即以其名字命名。
第一个压力传感器的发明可以追溯到17世纪,当时英国物理学家Robert Boyle发现了气体压力与体积的反比关系,并用一个装置测量了气体压力。不过,这个装置并不是真正意义上的压力传感器。
1930年,Graeff(格拉夫)发明第一支压力传感器转换机构,在此机构中,膜片、弹簧或Bourdon管的移动量变为电量部分,压力膜片成为电容部分,指示器可动机构成为电位计分支。
真正意义上的压力传感器追溯到1938年,当时美国物理学家Edward E. Simmons和Arthur C. Ruge分别独立发明了一种名为“电阻应变片”的装置,可以将受力变形转化为电阻值的变化。这种装置后来被用于制造压力传感器,也被称为“应变式压力传感器”。
值得一提的是,直到1974年,我国才研制成功第一个实用压阻式压力传感器。
应变式压力传感器的工作原理是基于材料的弹性变形特性,当材料受到力的作用时,会产生微小的变形,从而改变电阻值。通过测量电阻值的变化,可以计算出受力的大小。
▲应变式压力传感器
随着技术的不断发展,现代压力传感器已经具备了更高的精度、更广的测量范围和更好的稳定性,应用领域也越来越广泛,如工业自动化、汽车、航空航天等。
第一个车规级量产激光雷达 中国厂商后来居上
激光雷达LiDAR 使用脉冲激光以与雷达类似的方式测量距离,在测量测绘领域已使用多年。
1968年,美国 Syracuse 大学的 Hickman 和 Hogg 建造了世界上第一个激光海水深度测量系统。
20世纪70年代末,美国国家航空航天局(NASA)成功研制出一种具有扫描和高速数据记录能力的机载海洋激光雷达。
1990年德国 Stuttgart 大学 Ackermann 教授领衔研制的世界上第一个激光断面测量系统,这一系统成功将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合,形成机载激光扫描仪。
1993年,德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan ALTM 1020。1995年,机载激光雷达设备实现商业化生产。
2014年,第一届DARPA挑战赛开始,激光雷达在自动驾驶行业首次崭露头角。
2017年,奥迪发布全球首款量产的L3级自动驾驶汽车(A8)并搭载法雷奥的第一代混合固态激光雷达SCALA。SCALA成为全球第一个完成车规量产认证的激光雷达,采用单轴转镜的混合固态激光雷达。
中国传感器厂商虽然进入激光雷达领域相对较晚,但目前全球激光雷达市场中,以禾赛科技、速腾聚创、华为、大疆览沃等为代表的中国激光雷达企业,已占据一定市场份额。
▲来源:Yole
结语
我国传感器产业起步较晚,20世纪60年代开始涉足传感器制造业。
我国在1972年组建成立中国第一批压阻传感器研制生产单位;1974年,研制成功中国第一个实用压阻式压力传感器;1978年,诞生中国第一个固态压阻加速度传感器;1982年,国内最早开始硅微机械系统(MEMS)加工技术和SOI(绝缘体上硅)技术的研究。
我国有古老的四大发明,但在近现代重要的科学技术发明中,我国的贡献寥寥无几,如传感器等信息科技基础技术,中国的贡献极少,产业仍处于落后的追赶状态。
然而,随着我国科学水平的发展,如今在一些新兴传感器领域,譬如量子传感等,并不落后于世界先进水平,相信未来会有更多传感器技术进步第一,诞生在中国。