光學(xué)智能傳感器作為現(xiàn)代科技的關(guān)鍵組成部分，在諸多行業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用。這些傳感器依據(jù)其所感測的波段不同，可以細分為可見光傳感器、紅外光傳感器和紫外光傳感器等類型。其中，可見光圖像傳感器因其廣泛的用途和較高的市場價值而尤為突出。下面道合順傳感將深入探討可見光傳感器、紅外傳感器以及溫度傳感器和指紋傳感器等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢。
1、光學(xué)傳感器
光學(xué)智能傳感器按照感測波段的不同分為可見光傳感器、紅外光傳感器和紫外光傳感器等，其中可見光圖像傳感器占據(jù)了最大的市場份額，也是智能傳感器中價值較高的產(chǎn)品。
a）可見光傳感器
可見光傳感器主要包括化合物可見光傳感器、硅 PN 結(jié)型可見光傳感器和硅陣列型可見光傳感器（即圖像傳感器）。其中化合物可見光傳感器和硅 PN 結(jié)型可見光傳感器主要用于手機、電腦、儀表盤等顯示設(shè)備的光線感知和自動調(diào)節(jié)，國內(nèi)制造技術(shù)已較為成熟，年需求量在數(shù)億只左右。
圖像傳感器主要實現(xiàn)方式有 CMOS 和 CCD 兩種技術(shù)，CCD 圖像傳感器具備成像質(zhì)量高、靈敏度高、噪聲低、動態(tài)范圍大的優(yōu)勢，但由于成本較高、功耗大且讀取速度較慢，主要用于航空航天、天文觀測、掃描儀等成像質(zhì)量需求較高的領(lǐng)域，主要生產(chǎn)單位為相關(guān)科研院所。
CMOS 圖像傳感器成本僅為 CCD 圖像傳感器的 1/3 左右、功耗低且讀取方式簡單，廣泛應(yīng)用于手機攝像頭、數(shù)碼相機、AR/VR 設(shè)備、無人機、先進駕駛輔助系統(tǒng)、機器人視覺等領(lǐng)域。
CMOS 圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的快速增長首先來自于雙攝像頭技術(shù)在手機行業(yè)的發(fā)展。消費市場迅速接受了雙攝像頭的設(shè)計，手機背面的雙攝像頭改善了圖像的解析度及低光下拍照的性能，雙攝像頭也被設(shè)計在手機正面，支持人臉識別、虹膜識別及 3D 識別等。移動設(shè)備制造商之間的競爭和差異化與 CMOS 圖像傳感器的性能水平息息相關(guān)。
同時，ADAS 防碰撞攝像頭與 360 度輔助停車攝像頭等市場的發(fā)展，極大推動了 CIS 產(chǎn)業(yè)在汽車行業(yè)的發(fā)展。在安防領(lǐng)域 CMOS 圖像傳感器市場也較為活躍、發(fā)展快速，中國市場緊密參與且扮演著越來越重要的作用。
CMOS 圖像傳感器市場占有率前三的制造商是索尼（42%）、三星（20%）、豪威科技（11%），我國 CMOS 圖像傳感器制造技術(shù)與國際先進水平還有一定差距，4K 以上高像素產(chǎn)品國內(nèi)尚無成功的設(shè)計與制造能力。涉及 8 英寸以上的工藝，一直被日本、美國、韓國壟斷，這也是目前國內(nèi)攝像頭設(shè)備的嚴重短板。不過 CMOS 圖像傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀還有一個關(guān)鍵特征是中國的積極成長，在未來會發(fā)揮更加重要的作用。
中國正在形成一個可持續(xù)性的生態(tài)圈，包括 CMOS 圖像傳感器代工廠、CMOS 圖像傳感器供應(yīng)商及系統(tǒng)制造商等。
從安防領(lǐng)域 OEM 制造商來看，國內(nèi)兩家領(lǐng)導(dǎo)廠商海康威視(Hikvision)與大華(Dahua)在變得越來越重要，尤其在 IP 攝像頭技術(shù)、云計算及人工智能方面發(fā)展迅速。從 CMOS 圖像傳感器產(chǎn)業(yè)代工廠來看，華力(HLMC)迅速發(fā)展，中芯國際也在積極投資下一代技術(shù)以獲得市場份額。
b）紅外傳感器
紅外傳感器具有精度高、檢測范圍寬、不易受外界環(huán)境干擾等優(yōu)點，近年來隨著技術(shù)的提高和成本的大幅降低，在工業(yè)檢測、智能家居、節(jié)能控制、氣體檢測、移動智能終端、火災(zāi)監(jiān)控、家庭安防等商業(yè)應(yīng)用的需求迅速提升，新興的自動駕駛和商用無人機技術(shù)擴大了非制冷紅外成像的市場需求。
紅外傳感器包括單元紅外傳感器、陣列紅外傳感器和焦平面紅外傳感器三大類別。
單元紅外傳感器主要為熱傳感器，成本較低使用簡單，主要應(yīng)用于自動感應(yīng)、人體存在檢測、入侵報警、非色散氣體檢測、工業(yè)測溫、人體測溫等領(lǐng)域，但用于光譜儀、氣體檢測等高靈敏度、高性能器件依靠進口。
陣列紅外傳感器主要為熱傳感器，成本適中、可同時輸出圖像及溫度數(shù)據(jù)，其中微測輻射熱計型與國外水平相近，但國內(nèi)供應(yīng)商與大型集成商如智能樓宇控制、消防火警等應(yīng)用的對接能力較弱，市場占有率較低。熱電堆型陣列紅外傳感器國內(nèi)暫無廠商具備生產(chǎn)能力。
焦平面紅外傳感器在過去的十年里，市場主要由國防需求驅(qū)動，包括非制冷型和制冷型焦平面?zhèn)鞲衅鳎ɑ蚍Q探測器），非制冷型紅外焦平面?zhèn)鞲衅飨鄬τ谥评湫彤a(chǎn)品，具有體積小、重量輕、壽命長等特點，由于成本大幅降低，在工業(yè)測溫?zé)嵯駜x、安防監(jiān)控、汽車輔助駕駛、建筑檢測、電力機器人等裝備中大量應(yīng)用，而制冷型焦平面紅外傳感器由于成本較高主要用于紅外導(dǎo)引頭、衛(wèi)星等軍事和航空航天領(lǐng)域。
2、溫度傳感器
溫度傳感器的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個階段：傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器(含敏感元件)、模擬集成溫度傳感器、智能溫度傳感器。目前國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、由集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
模擬集成溫度傳感器是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用 IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應(yīng)速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單，是目前應(yīng)用為普遍的一種溫度傳感器。
智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是在 20 世紀 90 年代中期問世的，它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)(ATE)的結(jié)晶。目前，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。
智能溫度傳感器內(nèi)部都包含溫度傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(cpu)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。
智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU)；并且它是在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試功能的，其智能化程度也取決于軟件的開發(fā)水平。
早期推出的智能溫度傳感器，采用的是 8 位A/D 轉(zhuǎn)換器，其測溫精度較低，分辨力只能達到 1°C。目前，國外已相繼推出多種高精度、高分辨力的智能溫度傳感器，所用的是 9～12位 A/D 轉(zhuǎn)換器，分辨力一般可達 0.5～0.0625°C。
進入 21 世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
溫度傳感器的應(yīng)用市場主要有化工、石油天然氣、消費電子、能源和電力、汽車電子、醫(yī)療保健、食品、金屬礦業(yè)等。智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線 標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單 片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。
在醫(yī)療電子領(lǐng)域，隨著先進的病人監(jiān)護系統(tǒng)和便攜式健康監(jiān)測系統(tǒng)等技術(shù)的出現(xiàn)，對溫度傳感器的需求也在不斷增加，微型化的高精度溫度傳感器是推動醫(yī)療電子設(shè)備迅猛發(fā)展的最大動力。
在消費電子領(lǐng)域，溫度傳感器主要應(yīng)用在如手機電池、筆記本主板、顯示器、計算機微處理器的溫度探測等通信類產(chǎn)品上。
在汽車電子領(lǐng)域，溫度傳感器主要用于發(fā)動機、冷卻系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，是提高汽車智能性、節(jié)能性、舒適性的關(guān)鍵元件之一，其質(zhì)量的穩(wěn)定、性能的可靠、精度的高低對汽車的安全性、舒適性、智能性和節(jié)能性都將產(chǎn)生重要影響。
3、指紋傳感器
隨著數(shù)據(jù)和信息流的大幅度增加，信息傳輸和處理中的安全隱患也越來越受到關(guān)注，信息安全的保護措施也在不斷提升。
指紋識別等生物識別技術(shù)愈發(fā)向著便捷、高效、低成本、微小化等趨勢演進，下游的應(yīng)用場景也從傳統(tǒng)的門禁、考勤等領(lǐng)域向移動終端、智能家居、智能汽車等領(lǐng)域快速滲透，認證、解鎖、支付三大功能持續(xù)發(fā)展。
指紋識別傳感器是指紋識別系統(tǒng)的核心模塊。指紋識別傳感器采集指紋信息，并將采集到的信息同指紋數(shù)據(jù)庫中指紋數(shù)據(jù)進行比對，以達到指紋識別的目的。指紋傳感器主要實現(xiàn)方式有三種：光學(xué)感應(yīng)技術(shù)、電容感應(yīng)技術(shù)和超聲波感應(yīng)技術(shù)，三種技術(shù)的性能特點對比：
▲指紋傳感器技術(shù)對比
光學(xué)指紋傳感器中因為存在棱鏡，體積較大，在小型設(shè)備如手機等的應(yīng)用較少，在考勤機、門禁等設(shè)備上使用頻繁，成本低是其最大優(yōu)勢。
電容指紋傳感器發(fā)出的電子信號能夠穿透手指皮膚到達真皮層，獲取的數(shù)據(jù)相對更加可靠，因成本低廉、體積小、精度較高，是目前主流的指紋識別解決方案。
超聲波指紋傳感器能夠感知多種材料如金屬藍寶石，無需手指與指紋模塊直接接觸就能實現(xiàn) 3D 掃描指紋，精度不受污漬、 油脂、汗水的影響。但由于制作成本昂貴，目前技術(shù)和制作工藝尚未達到理想的穿透厚度，因此暫時沒有成為智能終端的標配。指紋識別是過去幾年智能移動終端市場中較為成功的創(chuàng)新之一，
4、氣體和顆粒物傳感器
在過去很長的一段時間，氣體與顆粒物傳感器主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如石油、化工、鋼鐵、冶金、礦山等。近年來隨著空氣質(zhì)量的下降和環(huán)境的污染，空氣質(zhì)量監(jiān)測與控制成為人們關(guān)注的熱點。氣體和顆粒物傳感器市場屬于上升的趨勢。
智能氣體傳感器的技術(shù)發(fā)展方向集中在低功耗、低成本、無線通訊和支持多氣體檢測等。目前應(yīng)用的氣體傳感器中，以半導(dǎo)體氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器四大門類為主。
半導(dǎo)體氣體傳感器適用面廣，簡單易用，成本低，但線性范圍小，易受背景氣體和溫度干擾，在家用、工業(yè)、商業(yè)可燃氣體泄露報警，防火安全探測，便攜式氣體檢測器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
電化學(xué)氣體傳感器具有體積小、功耗低、線性范圍寬、重復(fù)性好、易受干擾的特點，非常適合低濃度毒性氣體檢測，以及氧氣和酒精等無毒氣體的檢測，目前主要應(yīng)用在石油化工、冶金、礦山等工業(yè)領(lǐng)域以及道路交通安全檢測領(lǐng)域。
催化燃燒式氣體傳感器具有對可燃氣體響應(yīng)光譜性、溫濕度不敏感、結(jié)構(gòu)簡單、精度較低的特點，多用于工業(yè)現(xiàn)場的天然氣、液化氣、煤氣、烷類等可燃氣體濃度檢測，以及汽油、苯、醇、酮等有機溶劑蒸汽檢測。
光學(xué)氣體傳感器主要有紅外氣體傳感器和紫外氣體傳感器，具有高靈敏度、高分辨率、響應(yīng)時間快、低功耗、多種輸出方式、技術(shù)難度較大、價格高等特點，是智能氣體傳感器的重要載體，適用于檢測甲烷、二氧化碳等氣體，主要應(yīng)用在暖通制冷與室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)控、新風(fēng)系統(tǒng)、工業(yè)過程及安全防護監(jiān)控、農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控等領(lǐng)域。
近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，氣體傳感器在智能家居、可穿戴設(shè)備、智能移動終端、汽車電子等領(lǐng)域的應(yīng)用突飛猛進，大幅擴展了應(yīng)用空間，需求量也發(fā)生數(shù)量級的改變。
而且我國對環(huán)境保護、安全生產(chǎn)、醫(yī)療健康等力度不斷加大，環(huán)境檢測、工業(yè)排放、可燃有毒氣體、便攜式醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用場景對氣體傳感器提出了大量需求。數(shù)據(jù)顯示，我國氣體傳感器呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，2021年增長93.1%升至27.6億元。
氣體傳感器的研究涉及面廣、難度大，屬于多學(xué)科交叉的研究內(nèi)容。要切實提高傳感器各方面的性能指標需要多學(xué)科、多領(lǐng)域研究工作者的協(xié)同合作。國內(nèi)企業(yè)的氣體傳感器技術(shù)整體研發(fā)水平仍落后于發(fā)達國家，國內(nèi)對氣體傳感器的研究主要體現(xiàn)在低端的半導(dǎo)體傳感器和催化燃燒傳感器方面，在高端的紅外及電化學(xué)傳感器的研究較少，缺乏成熟的應(yīng)用技術(shù)，高端紅外及電化學(xué)氣體傳感器和檢測儀器儀表依賴進口。即使在低端的半導(dǎo)體和催化燃燒氣體傳感器方面，產(chǎn)品精度、穩(wěn)定性和工藝水平相對于國外先進技術(shù)仍有較大差距。
