傳感器作為現代科技的前沿技術(shù)，被認為是現代信息技術(shù)的三大支柱之一，也是國內外公認的最具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。傳感器技術(shù)直接關(guān)系到我國自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢，傳感器技術(shù)強，則自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)強。由此可見(jiàn)傳感器技術(shù)對自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)國家工業(yè)建設的重要性。
日本把傳感器技術(shù)列為十大技術(shù)之首。日本工商界人士聲稱(chēng)支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代。日本對開(kāi)發(fā)和利用傳感器技術(shù)相當重視并列為國家重點(diǎn)發(fā)展6大核心技術(shù)之一。
2020年全球傳感器的市場(chǎng)規模約為1606.3億美元，智能傳感器的市場(chǎng)規模為358.1億美元，隨著(zhù)全球智能化應用和傳感器行業(yè)的持續發(fā)展，2022年至2028年創(chuàng )下8.9%的CAGR紀錄，預計2028年將達到3457.7億美元。
本文介紹日本傳感器產(chǎn)業(yè)幾種主要的技術(shù)新動(dòng)向——圖像傳感器、生命體征傳感器、氣味傳感器、壓電和張力傳感器。以及相應的高耐久性封裝技術(shù)、用于傳感器開(kāi)發(fā)的測量?jì)x器技術(shù)等。此外還介紹了關(guān)于這些傳感器在云、人工智能和大數據領(lǐng)域的應用。文末附錄日本10大主流傳感器企業(yè)名單及介紹。
一、傳感器的市場(chǎng)規模和發(fā)展趨勢
讓我們通過(guò)日本電子和信息技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì )（JEITA）對傳感器全球形勢調查的結果來(lái)看看傳感器市場(chǎng)的規模及其變化。2020年全球傳感器出貨量為322億只，出貨金額約為18790億日元，過(guò)去5年數量增長(cháng)約25%，金額增長(cháng)超過(guò)77%。
縱觀(guān)各年，我們可以看到在數量上溫度傳感器占據了半數以上，達到69%，在金額上光度傳感器占據了72%（圖1）。按需求部門(mén)構成比，智能手機、通信領(lǐng)域的需求為59%，汽車(chē)、交通領(lǐng)域的需求為14%。根據種類(lèi)統計，光度傳感器所占比率大，根據需求用途統計，智能手機、通信領(lǐng)域所占比率大，這是因為智能手機領(lǐng)域大量搭載的照相機圖像傳感器的緣故。
圖1世界的傳感器出貨調查
最近，在一臺智能手機上搭載廣角、望遠等多個(gè)相機的機型變得普遍，預計這一趨勢將進(jìn)一步加速。除此之外，監控攝像頭的廣泛使用也做了不小的貢獻。
在汽車(chē)領(lǐng)域，圖像傳感器也是不可缺少的。最近的汽車(chē)以安全、安心、環(huán)境技術(shù)為目標，各種各樣的傳感器被廣泛使用，所以汽車(chē)排在需求用途部門(mén)的第2位是可以理解的。此統計中JEITA的傳感器分類(lèi)如表1所示。
表1傳感器分類(lèi)
二、圖像傳感器的市場(chǎng)動(dòng)向
如前一章所示，世界光度傳感器的出貨金額超過(guò)了10000億日元。從圖像傳感器領(lǐng)域世界首位—索尼的銷(xiāo)售額和資本投資動(dòng)向來(lái)看（圖2），銷(xiāo)售額從2013年的3200億日元增長(cháng)到2017年的6494億日元，幾乎翻了一番。此外，2018財年達到7114億日元，2019財年進(jìn)一步達到8400億日元。
圖 2索尼公司圖像傳感器的銷(xiāo)售額和設備投資額（單位：億日元）
從JEITA的統計數據（圖1）中可以證實(shí)索尼占據了圖像傳感器全球市場(chǎng)的大部分份額這一事實(shí)。在設備投資方面，雖然受到2016年4月14日熊本地震的影響，但一直進(jìn)行積極的設備投資，2019年度在設備上投入了 2800億日元。2021年，索尼在長(cháng)崎縣建設了圖像傳感器的新工廠(chǎng)并已投入使用。
圖像傳感器的用途正在不斷擴大，其中除了智能手機、自動(dòng)駕駛、數碼相機、工業(yè)用機器人、攝影器材、醫療用機器等方面的用途之外，無(wú)人機搭載相機、安全目的監控攝像頭等用途也多種多樣，被稱(chēng)為電子眼的傳感器的應用場(chǎng)景將進(jìn)一步擴大。
三、生命體征傳感器
近年來(lái)，在手表上搭載生命體征傳感器的可穿戴設備—智能手表，備受矚目。手表背面和表帶部分搭載了光學(xué)式心率傳感器，與加速度、GPS、氣壓等傳感器一起測量佩戴者的活動(dòng)量和健康狀態(tài)。通過(guò)與智能手機應用程序的連接，不僅可以監測運動(dòng)員、體育愛(ài)好者、徒步旅行及登山者的生命體征，還可從健康面在日常生活中監測健康狀態(tài)。
在工業(yè)方面，夏天的酷暑引起了諸多問(wèn)題。為了確保在炎炎烈日下土木建筑人員的安全，一些建筑公司開(kāi)始導入一種利用腕式心率傳感器的健康監測系統。光學(xué)式心率傳感器的原理如圖3所示，圖4是管理系統其原理如為一般的光學(xué)式心跳傳感器的原理，圖4為管理系統的流程圖。
光學(xué)心率傳感器有透射式和反射式兩種，安裝在手表背面的傳感器是反射式傳感器。常使用對血液中的血紅蛋白吸收率高的綠色LED作為光源，根據受光元件檢測出的血流量的變動(dòng)波形，測量其周期從而得到心率的數據。
管理系統是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信將來(lái)自可穿戴設備的心率數據和體表溫度數據等上傳到云端，管理者監控作業(yè)人員的生命信息和位置信息。同時(shí)，如果通過(guò)監控作業(yè)現場(chǎng)的環(huán)境數據（氣溫、濕度等），還能提供更細致的服務(wù)。
圖3光學(xué)心率傳感器原理圖
圖4遠程監護管理系統
（※1 日本著(zhù)名的建筑企業(yè)大林組株式會(huì )社，2019年7月22日采用NTT Communications的通信方式，開(kāi)通了面向作業(yè)人員的安全管理系統 Envital?，現場(chǎng)熱源只需佩戴腕帶，便可隨時(shí)對作業(yè)人員進(jìn)行健康監測。）
蘋(píng)果手表Sereis4/5，除了光學(xué)式心率傳感器之外，還搭載了電極式心率傳感器，利用人體電勢測量的電極式心率傳感器，即ECG(Electrocardiogram：心電圖)功能。通過(guò)測量人體不同點(diǎn)的電勢變化，從而測量出心率變化，該方法測量精準，生成的心電圖報告是可以直接用于醫療的，并且通過(guò)了美國FDA認證。
2021年，谷歌完成了對智能穿戴行業(yè)的先驅者Fitbit以21億美元巨資收購，可以看出谷歌對數字健康市場(chǎng)的非同尋常的期待和戰略。谷歌同時(shí)獲得了可穿戴設備的硬件技術(shù)和Fitbit的顧客，通過(guò)對健康大數據的應用，把云和AI結合在一起，將來(lái)會(huì )提供怎樣的新服務(wù)備受關(guān)注。IT公司蘋(píng)果和谷歌的這一舉措預計將以超出我們想象的規模和速度推進(jìn)，為數字醫療保健創(chuàng )造巨大的市場(chǎng)。
下面介紹一下在2019年9月舉辦的傳感器展會(huì )上展出了一種可以用創(chuàng )可貼膠布貼在胸部的電極式心率傳感器（圖5）。這款名為Vitalgram?的傳感器是Aford Sense株式會(huì )社開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。只需將其貼在身體上，即可將心電圖和體表溫度等生物特征信息、運動(dòng)量、姿勢、上下樓梯的高度變化、溫度及濕度等環(huán)境信息實(shí)時(shí)發(fā)送至智能手機等外部設備。
圖5搭載電極式心率傳感器的生命體征傳感器（左：傳感器正面 右：傳感器背面 顯示器顯示的是由傳感器采集的數據。）
產(chǎn)品規格如表2所示。其特點(diǎn)是在小設備上搭載了6項傳感功能，是一款針對老人和嬰兒看護、醫院護士呼叫、個(gè)人健康管理、運動(dòng)訓練管理等廣泛應用的產(chǎn)品。雖然沒(méi)有手表型那么使用方便，但是在功能和性能方面頗具魅力，今后的發(fā)展值得關(guān)注。
表2生命體征傳感器規格
（※2 作為獨立行政法人科學(xué)技術(shù)振興機構的戰略性創(chuàng )造研究推進(jìn)事業(yè)（ERATO）的一環(huán)，該研究成果創(chuàng )可貼型生物傳感器的研究開(kāi)發(fā)是在兵庫縣立大學(xué)研究生院工學(xué)研究科前中一介教授的指導下進(jìn)行的。）
四、氣味傳感器
說(shuō)到氣味，惡臭和異味等不好的印象首先浮現出來(lái)，而香味在傳感的世界里從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)。這里介紹的氣味傳感器是為了將臭味和香味可視化而開(kāi)發(fā)的。氣味含有非常多的氣體成分，為了檢測氣味，需要專(zhuān)用的分析儀器。
Aromabit株式會(huì )社開(kāi)發(fā)了一種氣味傳感器，在傳感器元件上形成選擇性地吸附氣體成分的獨自的氣味功能膜，通過(guò)水晶振子的振蕩頻率檢測吸附在膜上的質(zhì)量，從而檢測出氣味（圖6）。從圖中可以看到線(xiàn)路板上排列著(zhù)5個(gè)氣味功能膜，用戶(hù)可以選擇5種目標氣味，Aromabit公司選擇多達5種類(lèi)型的敏感膜組合，可準確輕松響應目標氣味。
圖6氣味傳感器（2018年12月1日發(fā)表的氣味成像傳感器系統開(kāi)發(fā)套件[SDK-1Q]）
（※3 這項技術(shù)被稱(chēng)為QCM（Quartz Crystal Microbalance：水晶振子微平衡）。傳統的氣體傳感器僅區分氣味中包含的特定分子，而Aromabit公司的傳感器中則是以陣列狀配置著(zhù)吸附特性不同的傳感器元件，測量氣味分子的附著(zhù)方式分離，無(wú)論是什么氣味都可以識別出模式。利用這一技術(shù)，可以通過(guò)氣味檢測出酒的品牌、通過(guò)口臭或體臭發(fā)現身體的疾病，應用范圍十分廣泛。傳感器元件的結構如圖7所示。）
圖7吸附特性不同的傳感器元件陣列和氣味分子吸附在傳感器元件上的示意圖
獨特的選擇性吸附氣體成分的氣味功能膜技術(shù)，在CMOS型離子成像傳感器的開(kāi)發(fā)中取得了豐碩的成果。2019年7月23日，Aromabit公司在國立豐橋技術(shù)科學(xué)大學(xué)澤田和明教授等人開(kāi)發(fā)的超高靈敏度硅CMOS型離子成像傳感器的傳感器基礎技術(shù)中，成功應用了他們開(kāi)發(fā)的氣味受體膜，同時(shí)，為了產(chǎn)業(yè)化成立了Aromabit Silicon Sensor Technology 公司。
如圖8所示，該傳感器可以在 1mm2的面積上形成與狗的鼻子同等的受體數（約1200種）相當的傳感器元件，通過(guò)小型化和低成本化，成功搭載在智能手機上。
圖8水晶振子（QCM）與CMOS型氣味傳感器的比較
在2019年10月舉辦的CEATEC展會(huì )上，與Aromabit公司簽訂了氣味傳感器共同開(kāi)發(fā)協(xié)議的太陽(yáng)誘電公司展出了搭載氣味傳感器的產(chǎn)品（圖9）
圖9產(chǎn)業(yè)化的氣味傳感器
（※4 左邊是傳感器線(xiàn)路板，中間是吸氣·排氣用的氣味傳感器單元照片，右邊是傳感器的模型。）
五、壓電線(xiàn)路/張力傳感器
三井化學(xué)開(kāi)發(fā)了一種高感度、柔軟、適用于線(xiàn)、面、立體的壓電線(xiàn)/張力傳感器，其線(xiàn)徑為φ0.4mm，可以檢測超聲波區域中的微小應變變化和振動(dòng)。這個(gè)被命名為PIEZOLA的傳感器，是一種壓電元件呈線(xiàn)狀結構的傳感器，當施加應變和振動(dòng)，壓電材料本身就會(huì )產(chǎn)生電壓。傳感器的結構和規格如圖10所示。
圖10壓電傳感器結構及規格參數(卷在卷軸上的線(xiàn)狀物是PIEZOLA壓力傳感器)
由于該傳感器可以檢測出微小變形變化的特點(diǎn)，可應用于線(xiàn)、面、立體及超聲波的振動(dòng)的檢測，主要應用領(lǐng)域有：
接觸·沖擊傳感器·高頻振動(dòng)傳感器防盜·監控傳感器·心率/呼吸/體動(dòng)傳感器可穿戴設備傳感器
圖11實(shí)際應用示例（當施加壓力時(shí)產(chǎn)生電壓，監控畫(huà)面上顯示張力波形變化）
下圖是Cosmo Research公司開(kāi)發(fā)的使用壓電傳感器的心率/呼吸監測系統。
圖12嬰幼兒看護系統（壓電及張力傳感器）
墊子上貼著(zhù)線(xiàn)狀高靈敏度壓電傳感器，當嬰兒心跳或呼吸發(fā)生異常時(shí)會(huì )發(fā)出警報。目前作為看護傳感器被應用于防止嬰兒或老人的猝死綜合癥的發(fā)生。無(wú)論哪種應用場(chǎng)景，都是由高靈敏度的壓力傳感器捕捉到由心跳和呼吸引起的微小身體活動(dòng)，通過(guò)高速信號處理算法，從噪音中辨別出異常信號。
六、關(guān)于面向基礎設施用監控系統的傳感器器件高耐久性封裝技術(shù)
下面介紹一下關(guān)于在橋梁、隧道、大壩等環(huán)境苛刻的基礎設施監測用的高耐久性封裝技術(shù)。
日本新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機構（NEDO）成功研制了一種高耐候性的陶瓷（LTCC）傳感器終端包裝（圖13）。為了將由傳感器、AD轉換器、微型計算機等電子電路、有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)通信電路、天線(xiàn)及電池等構成設備以一體化的方式安裝在封裝中，使其在長(cháng)時(shí)間內穩定地工作，要求不僅能適用于較寬范圍的環(huán)境溫度和濕度（高溫、高濕、高鹽等），還必須具備很高的耐候性/耐水性·防塵性/耐振性。NEDO的這項研究，對于基礎設施監控的傳感系統來(lái)說(shuō)必不可少。測試條件如表3所示。
圖13陶瓷包裝外觀(guān)
圖14陶瓷包裝結構示意圖
表3耐久性加速測試條件
七、用于傳感器開(kāi)發(fā)的測量?jì)x器
傳感器的工作原理時(shí)通過(guò)敏感元件及轉換元件把特定的被測信號（物理量和機械量），按一定規律轉換成某種可用信號,比如說(shuō)電壓信號并輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、記錄、顯示和控制等要求。因此，用于傳感器開(kāi)發(fā)、制造的測定器也以基本測定器為主。
但是，如果把這個(gè)作為傳感系統的開(kāi)發(fā)用測量器的話(huà)，就需要更多種類(lèi)的測量?jì)x器。圖15概述了用于傳感系統開(kāi)發(fā)的測量?jì)x。搭載輸入放大器、AD轉換器、搭載微機的電路板設計所需電源、萬(wàn)用表、示波器。在省電設計中，微電流測量是不可缺少的。
最近的示波器不僅可以觀(guān)測模擬波形、解析數字（邏輯）信號，還有混合域光譜分析功能。通信功能通常采用藍牙、920MHz的LPWA和無(wú)線(xiàn)LAN，因此設計是否符合標準，使用頻譜分析儀和協(xié)議分析儀的測試會(huì )增加。
圖 15用于傳感系統開(kāi)發(fā)的測量?jì)x器
