传感器作为现代科技的前沿技术，被认为是现代信息技术的三大支柱之一，也是国内外公认的最具有发展前途的高技术产业。传感器技术直接关系到我国自动化产业的发展形势，“传感器技术强，则自动化产业强”。由此可见传感器技术对自动化产业乃至整个国家工业建设的重要性。
日本把传感器技术列为十大技术之首。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展6大核心技术之一。
2020年全球传感器的市场规模约为1606.3亿美元，智能传感器的市场规模为358.1亿美元，随着全球智能化应用和传感器行业的持续发展，2022年至2028年创下8.9%的CAGR纪录，预计2028年将达到3457.7亿美元。
本文介绍日本传感器产业几种主要的技术新动向——图像传感器、生命体征传感器、气味传感器、压电和张力传感器。以及相应的高耐久性封装技术、用于传感器开发的测量仪器技术等。此外还介绍了关于这些传感器在云、人工智能和大数据领域的应用。文末附录日本10大主流传感器企业名单及介绍。
一、传感器的市场规模和发展趋势
让我们通过日本电子和信息技术工业协会（JEITA）对传感器全球形势调查的结果来看看传感器市场的规模及其变化。2020年全球传感器出货量为322亿只，出货金额约为18790亿日元，过去5年数量增长约25%，金额增长超过77%。
纵观各年，我们可以看到在数量上温度传感器占据了半数以上，达到69%，在金额上光度传感器占据了72%（图1）。按需求部门构成比，智能手机、通信领域的需求为59%，汽车、交通领域的需求为14%。根据种类统计，光度传感器所占比率大，根据需求用途统计，智能手机、通信领域所占比率大，这是因为智能手机领域大量搭载的照相机图像传感器的缘故。
图1世界的传感器出货调查
最近，在一台智能手机上搭载广角、望远等多个相机的机型变得普遍，预计这一趋势将进一步加速。除此之外，监控摄像头的广泛使用也做了不小的贡献。
在汽车领域，图像传感器也是不可缺少的。最近的汽车以安全、安心、环境技术为目标，各种各样的传感器被广泛使用，所以汽车排在需求用途部门的第2位是可以理解的。此统计中JEITA的传感器分类如表1所示。
表1传感器分类
二、图像传感器的市场动向
如前一章所示，世界光度传感器的出货金额超过了10000亿日元。从图像传感器领域世界首位—索尼的销售额和资本投资动向来看（图2），销售额从2013年的3200亿日元增长到2017年的6494亿日元，几乎翻了一番。此外，2018财年达到7114亿日元，2019财年进一步达到8400亿日元。
图 2索尼公司图像传感器的销售额和设备投资额（单位：亿日元）
从JEITA的统计数据（图1）中可以证实索尼占据了图像传感器全球市场的大部分份额这一事实。在设备投资方面，虽然受到2016年4月14日熊本地震的影响，但一直进行积极的设备投资，2019年度在设备上投入了 2800亿日元。2021年，索尼在长崎县建设了图像传感器的新工厂并已投入使用。
图像传感器的用途正在不断扩大，其中除了智能手机、自动驾驶、数码相机、工业用机器人、摄影器材、医疗用机器等方面的用途之外，无人机搭载相机、安全目的监控摄像头等用途也多种多样，被称为“电子眼”的传感器的应用场景将进一步扩大。
三、生命体征传感器
近年来，在手表上搭载生命体征传感器的可穿戴设备—智能手表，备受瞩目。手表背面和表带部分搭载了光学式心率传感器，与加速度、GPS、气压等传感器一起测量佩戴者的活动量和健康状态。通过与智能手机应用程序的连接，不仅可以监测运动员、体育爱好者、徒步旅行及登山者的生命体征，还可从健康面在日常生活中监测健康状态。
在工业方面，夏天的酷暑引起了诸多问题。为了确保在炎炎烈日下土木建筑人员的安全，一些建筑公司开始导入一种利用腕式心率传感器的健康监测系统。光学式心率传感器的原理如图3所示，图4是管理系统其原理如为一般的光学式心跳传感器的原理，图4为管理系统的流程图。
光学心率传感器有透射式和反射式两种，安装在手表背面的传感器是反射式传感器。常使用对血液中的血红蛋白吸收率高的绿色LED作为光源，根据受光元件检测出的血流量的变动波形，测量其周期从而得到心率的数据。
管理系统是通过网络通信将来自可穿戴设备的心率数据和体表温度数据等上传到云端，管理者监控作业人员的生命信息和位置信息。同时，如果通过监控作业现场的环境数据（气温、湿度等），还能提供更细致的服务。
图3光学心率传感器原理图
图4远程监护管理系统
（※1 日本著名的建筑企业大林组株式会社，2019年7月22日采用NTT Communications的通信方式，开通了“面向作业人员的安全管理系统 Envital®”，现场热源只需佩戴腕带，便可随时对作业人员进行健康监测。）
苹果手表Sereis4/5，除了光学式心率传感器之外，还搭载了电极式心率传感器，利用人体电势测量的电极式心率传感器，即ECG(Electrocardiogram：心电图)功能。通过测量人体不同点的电势变化，从而测量出心率变化，该方法测量精准，生成的心电图报告是可以直接用于医疗的，并且通过了美国FDA认证。
2021年，谷歌完成了对智能穿戴行业的先驱者Fitbit以21亿美元巨资收购，可以看出谷歌对“数字健康”市场的非同寻常的期待和战略。谷歌同时获得了可穿戴设备的硬件技术和Fitbit的顾客，通过对健康大数据的应用，把云和AI结合在一起，将来会提供怎样的新服务备受关注。IT公司苹果和谷歌的这一举措预计将以超出我们想象的规模和速度推进，为数字医疗保健创造巨大的市场。
下面介绍一下在2019年9月举办的传感器展会上展出了一种可以用创可贴胶布贴在胸部的电极式心率传感器（图5）。这款名为Vitalgram®的传感器是Aford Sense株式会社开发的产品。只需将其贴在身体上，即可将心电图和体表温度等生物特征信息、运动量、姿势、上下楼梯的高度变化、温度及湿度等环境信息实时发送至智能手机等外部设备。
图5搭载电极式心率传感器的生命体征传感器（左：传感器正面 右：传感器背面 显示器显示的是由传感器采集的数据。）
产品规格如表2所示。其特点是在小设备上搭载了6项传感功能，是一款针对老人和婴儿看护、医院护士呼叫、个人健康管理、运动训练管理等广泛应用的产品。虽然没有手表型那么使用方便，但是在功能和性能方面颇具魅力，今后的发展值得关注。
表2生命体征传感器规格
（※2 作为独立行政法人科学技术振兴机构的战略性创造研究推进事业（ERATO）的一环，该研究成果“创可贴型生物传感器的研究开发”是在兵库县立大学研究生院工学研究科前中一介教授的指导下进行的。）
四、气味传感器
说到气味，恶臭和异味等不好的印象首先浮现出来，而香味在传感的世界里从来没有见过。这里介绍的气味传感器是为了将臭味和香味可视化而开发的。气味含有非常多的气体成分，为了检测气味，需要专用的分析仪器。
Aromabit株式会社开发了一种气味传感器，在传感器元件上形成选择性地吸附气体成分的独自的气味功能膜，通过水晶振子的振荡频率检测吸附在膜上的质量，从而检测出气味（图6）。从图中可以看到线路板上排列着5个气味功能膜，用户可以选择5种目标气味，Aromabit公司选择多达5种类型的敏感膜组合，可准确轻松响应目标气味。
图6气味传感器（2018年12月1日发表的气味成像传感器系统开发套件[SDK-1Q]）
（※3 这项技术被称为QCM（Quartz Crystal Microbalance：水晶振子微平衡）。传统的气体传感器仅区分气味中包含的特定分子，而Aromabit公司的传感器中则是以阵列状配置着吸附特性不同的传感器元件，测量气味分子的附着方式分离，无论是什么气味都可以识别出模式。利用这一技术，可以通过气味检测出酒的品牌、通过口臭或体臭发现身体的疾病，应用范围十分广泛。传感器元件的结构如图7所示。）
图7吸附特性不同的传感器元件阵列和气味分子吸附在传感器元件上的示意图
独特的选择性吸附气体成分的气味功能膜技术，在CMOS型离子成像传感器的开发中取得了丰硕的成果。2019年7月23日，Aromabit公司在国立丰桥技术科学大学泽田和明教授等人开发的超高灵敏度硅CMOS型离子成像传感器的传感器基础技术中，成功应用了他们开发的气味受体膜，同时，为了产业化成立了Aromabit Silicon Sensor Technology 公司。
如图8所示，该传感器可以在 1mm²的面积上形成与狗的鼻子同等的受体数（约1200种）相当的传感器元件，通过小型化和低成本化，成功搭载在智能手机上。
图8水晶振子（QCM）与CMOS型气味传感器的比较
在2019年10月举办的CEATEC展会上，与Aromabit公司签订了气味传感器共同开发协议的太阳诱电公司展出了搭载气味传感器的产品（图9）
图9产业化的气味传感器
（※4 左边是传感器线路板，中间是吸气·排气用的气味传感器单元照片，右边是传感器的模型。）
五、压电线路/张力传感器
三井化学开发了一种高感度、柔软、适用于线、面、立体的压电线/张力传感器，其线径为φ0.4mm，可以检测超声波区域中的微小应变变化和振动。这个被命名为PIEZOLA的传感器，是一种压电元件呈线状结构的传感器，当施加应变和振动，压电材料本身就会产生电压。传感器的结构和规格如图10所示。
图10压电传感器结构及规格参数(卷在卷轴上的线状物是PIEZOLA18luck.fyi)
由于该传感器可以检测出微小变形变化的特点，可应用于线、面、立体及超声波的振动的检测，主要应用领域有：
防盗·监控传感器·心率/呼吸/体动传感器
可穿戴设备传感器
图11实际应用示例（当施加压力时产生电压，监控画面上显示张力波形变化）
下图是Cosmo Research公司开发的使用压电传感器的心率/呼吸监测系统。
图12婴幼儿看护系统（压电及张力传感器）
垫子上贴着线状高灵敏度压电传感器，当婴儿心跳或呼吸发生异常时会发出警报。目前作为“看护传感器”被应用于防止婴儿或老人的猝死综合症的发生。无论哪种应用场景，都是由高灵敏度的压力传感器捕捉到由心跳和呼吸引起的微小身体活动，通过高速信号处理算法，从噪音中辨别出异常信号。
六、关于面向基础设施用监控系统的传感器器件高耐久性封装技术
下面介绍一下关于在桥梁、隧道、大坝等环境苛刻的基础设施监测用的高耐久性封装技术。
日本新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）成功研制了一种高耐候性的陶瓷（LTCC）传感器终端包装（图13）。为了将由传感器、AD转换器、微型计算机等电子电路、有线、无线通信电路、天线及电池等构成设备以一体化的方式安装在封装中，使其在长时间内稳定地工作，要求不仅能适用于较宽范围的环境温度和湿度（高温、高湿、高盐等），还必须具备很高的耐候性/耐水性·防尘性/耐振性。NEDO的这项研究，对于基础设施监控的传感系统来说必不可少。测试条件如表3所示。
图13陶瓷包装外观
图14陶瓷包装结构示意图
表3耐久性加速测试条件
七、用于传感器开发的测量仪器
传感器的工作原理时通过敏感元件及转换元件把特定的被测信号（物理量和机械量），按一定规律转换成某种可用信号,比如说电压信号并输出，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。因此，用于传感器开发、制造的测定器也以基本测定器为主。
但是，如果把这个作为传感系统的开发用测量器的话，就需要更多种类的测量仪器。图15概述了用于传感系统开发的测量仪。搭载输入放大器、AD转换器、搭载微机的电路板设计所需电源、万用表、示波器。在省电设计中，微电流测量是不可缺少的。
最近的示波器不仅可以观测模拟波形、解析数字（逻辑）信号，还有混合域光谱分析功能。通信功能通常采用蓝牙、920MHz的LPWA和无线LAN，因此设计是否符合标准，使用频谱分析仪和协议分析仪的测试会增加。
图 15用于传感系统开发的测量仪器
结 语
日本与美国、德国并称世界三大传感器强国，其传感器产品在世界传感器市场中有举足轻重的地位，尤其是在工业自动化、机器人等领域，日本传感器的占比更重要。
图像传感器、生命体征传感器、气味传感器、压电和张力传感器等技术是日本传感器未来的发展方向，瞄准了消费电子、可穿戴设备、元宇宙等广阔的应用场景。
同时，可以看到许多先进传感器技术是由日本企业进行研发的，这样可以与市场紧密联系，迅速产业化。我国传感器先进技术研究主要集中在各大高校、研究机构，导致我国传感器技术产业化的落后程度远大于技术本身的落后。
附录日本10大主流传感器企业（排序不分大小）
一、电装DENSO
电装是世界屈指可数的汽车零部件生产厂家之一，在日本排名第一。1949年12月，作为丰田汽车工业株式会社的零部件工厂之一的电装，从丰田集团独立分离出来，以1500万日元的资本金和1445名员工的规模，在日本爱知县刈谷市成立了“日本株式会社电装”，并开始了运营。如今，电装已发展到日本排名第一、世界顶级的汽车零部件供应商集团公司，在全球35个国家和地区设有198家关联公司，集团员工数达167950名（2022年8月截止）。
主要生产汽车的空调系统、点火系统（如铱合金火花塞）、燃油喷射系统、发动机点火控制系统等，以及各类汽车传感器。
二、欧姆龙
欧姆龙（Omron）是日本的一家自动化控制及电子设备制造商，总部位于京都。欧姆龙掌握世界领先的传感与控制技术，产品涉及工业自动化控制、电子元器件、汽车电子、社会系统、健康医疗设备等领域。较为大众熟知的产品包括电子血压计、计步器、秤、电动牙刷等健康产品。
欧姆龙的前身是1930年立石一真在京都创立的“彩光社”。欧姆龙公司是于1933年（昭和8年）5月10日正式创业，时称“立石电机制作所”；1948年（昭和23年）5月19日法人化，成立“立石电机股份有限公司”；1990年为使公司名称与其知名商标名称一致，更名为“欧姆龙股份有限公司”。欧姆龙的全球网络遍及日本、大中华区、亚太地区、美洲及欧洲。台湾欧姆龙股份有限公司则成立于1987年，主要是以工业自动化商品为主，其在台关系企业有：台湾欧姆龙健康事业股份有限公司、香港商欧姆龙电子部品有限公司台湾分公司，员工数各为100多人上下。
三、松下电器
松下电器于1918年由松下幸之助在大阪创立，创业时做的是电灯灯座。1927年制作自行车用的车灯。1951年松下幸之助到美国，打开了松下电器在美国的市场，最初的产品是电视机，他与飞利浦签定了技术合作合约，将西方的技术带到日本。因此让松下电器从1950年代到1970年代有突破性的成长。
松下电器的产品线极广，除了家电以外，还生产数位电子产品，如DVD、DV（数位摄影机）、MP3播放机、数码相机、液晶电视、笔记型电脑等。还扩及到电子零件、电工零件（如插座盖板）、半导体等。间接与直接转投资公司有数百家。
四、OKI公司
冲电气工业是日本一家通讯设备制造商，通称“OKI”。该公司于1881年由冲牙太郎建立，并成功开发了日本首台电话机。主要生产信息通用系统和打印机，1956年生产的纵横制交换机获得日本电信电话公社采用。冲电气工业株式会社是日本最早的电子通信设备生产厂家，如今已发展成为一家在全球范围内研究、生产和销售打印机与传真机、网络与通信、安全与识别认证、宽带与多媒体、半导体与电子元器件等产品和解决方案的国际著名企业。近年来品牌标语“开启您的梦想”(英文：Openupyourdreams)。
OKI打印机是采用独特的LED成像技术打印机，此种技术区别于喷墨成像或激光成像，由于LED打印机结构简单，较之激光打印机有速度快、不易卡纸等优点，同时在打印过程中不会有臭氧产生，对空气环境不会造成空气污染，所以被业界认为是比激光打印机更新一代的打印机。
五、旭化成（AKM）
旭化成集团自上世纪五十年代起积极推动业务的多元化，旭化成从创业至今，不断开发出前所未有的新素材和新产品。从电气化学、氨制造扩大到纤维、石油化学、建材、医药/医药医疗器械、住宅、电子，在多元化的市场下，凭借多种类技术，开展多方面业务。
在电子零部件领域，作为便携式信息终端主要零部件的电子罗盘，以独有的混合信号技术得到广泛认可的LSI，磁·电流·红外线传感器等传感设备，是电子零部件领域业务开展的中心。使用其他公司望尘莫及的高科技生产出来的产品群，在全球受到高度评价。
在电子材料领域，主要提供的产品包括在各种便携式设备和电动汽车中使用的锂离子二次电池隔膜“Hipore”、用于液晶·半导体制造工艺的防尘保护膜等，通过卓越的化学技术和产品开发实力，提供善待环境和高功能的能源材料和电子材料。
六、佳能
佳能（Canon）是一家生产影像、光学、医疗设备、半导体工业设备和办公自动化产品的日本企业制造商，成立于1937年，产品系列共分布于三大领域：个人产品、和工业设备，主要产品包括照相机及镜头、数码相机、打印机、复印机、传真机、扫描仪、广播设备、医疗器材及半导体生产设备等。佳能总部位于日本东京，并在美洲、欧洲、亚洲及日本设有4大区域性销售总部，在世界各地拥有子公司200家，雇员超过10万人。
佳能EOS系列：EOS代表电子光学系统（ElectroOpticalSystem）的意思，同时亦蕴含希腊神话中黎明女神的意思，正代表创新科技迈向高峰的光明时期。1987年日本褔岛工厂开始生产EOS相机，首部推出的EOS相机系列为1987年3月出产的EOS650自动对焦单镜反光相机；EOS650当年全球首部配备全电子镜头接环系统的相机。2000年推出配备自行研发的CMOS影像感应器的EOSD30正式步入单镜反光相机数码化年代。由EOS系列相机于1987年推出至2011年9月的24年间产量已超过5千万台。而EOS专用EF系列镜头则在2012年8月达到8千万只的总产量。
七、基恩士
基恩士公司（Keyence Corporation，株式会社キーエンス，或Kīensu）是日本一家上市公司，创立于1974年，制造销售自动化传感器、视觉系统、扫码器、激光打标机、测量仪器、数字显微镜等工厂自动化领域。在16个国家设有分支机构。采取直销方式。
泷崎武光于1974年成立Lead电机公司，1986年更名为Keyence（Key of Science之意），2021年9月泷崎武光取代优衣库创始人成为日本新首富，相关介绍请参看《揭秘新晋日本首富，居然来自传感器王者基恩士？！》内容。美国《富比世》杂志每年选出全球百大创新企业，从2011年至2019年已连续8年入选，行销特色是不透过代理商，而是让业务人员直接销售。
基恩士是一家无厂半导体公司，专注于产品规划与研发，并不最终制造出产品；而是由合同厂商制造并检验产品。全球客户超过200,000家。
八、村田
全称为株式会社村田制作所，成立于1950年12月23日，总部位于日本京都，世界500强企业。村田制作所是全球领先的电子元器件制造商，主要产品有陶瓷滤波器、振荡子、振动传感器等等。其主打产品陶瓷滤波器和振荡子市场占有率为65-70%，振动传感器则占有90%的市场份额，系该领域的霸主。
村田制作所的客户分布在PC、手机、汽车电子等领域。随着消费电子领域竞争的不断加剧，产品更新换代的速度不断加快，而作为上游电子元器件供应商，能够随时了解客户需求，甚至走在客户之前开发出更新产品，成为村田制作所业务持续增长的关键。
九、横河电机
横河电机有限公司（日语：横河電機株式会社）是日本的一家电机工程公司，主营测量、控制、信息领域。1983年4月1日，横河电机由横河电机制作所（1915）和北辰电机制作所（1918）合并而成，当时叫横河北辰电机株式会社，1986年改名横河电机株式会社。
横河电机在世界29个地区拥有60多家子公司。经营领域涉及测量、控制、信息三大领域，在工业控制行业是全球最为专业的跨国公司之一。1975年率先研制出世界上第一套具有划时代意义的集散型控制系统(DCS系统)，对石油、化工等大型工厂的生产过程进行测量、运行监视和控制，为工业的发展和社会的进步做出了极大贡献，到2000年已相继推出了7代CENTUM DCS系列产品，流量表、变送器、分析仪等现场仪表也得到了用户的高度评价。
十、爱普生
精工爱普生（英文：SeikoEpson），通常简称爱普生（英文：Epson），是一家日本公司，成立于1942年5月，总部位于日本长野县诹访市，是数码映像领域的全球领先企业。主要生产喷墨打印机、激光打印机、点阵式打印机、扫描器和手表（虽然母公司精工品牌更加知名）、桌上型电脑、商务和家用投影机、大型家庭剧院电视、机器人、以及工业自动化设备、POS发票打印机和收银机、笔记型电脑、集成电路、LCD元件和其他相关的电子设备。公司总部位于日本长野县，在全世界各地有许多分公司。
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