這是一篇整理的非常細(xì)致的傳感器產(chǎn)業(yè)介紹內(nèi)容，本文涵蓋了傳感器的相關(guān)概念、發(fā)展歷史、分類方式、產(chǎn)業(yè)鏈和市場(chǎng)情況等信息。與其他籠統(tǒng)介紹傳感器產(chǎn)業(yè)的研報(bào)資料不同，本文具體而微，詳細(xì)說(shuō)明了各種傳感器的情況，每個(gè)分類、每個(gè)特性、每個(gè)術(shù)語(yǔ)、每個(gè)環(huán)節(jié)，本文都一一解析清楚，幾乎都介紹的明明白白，顯然經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的資料收集。
本文有助于我們厘清很多傳感器概念上的問(wèn)題，窺視不同傳感器領(lǐng)域的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。譬如航天級(jí)、軍工級(jí)、工業(yè)級(jí)、醫(yī)療級(jí)、科研級(jí)、消費(fèi)級(jí)等傳感器有什么不同的需求？電阻式、電容式、電感式、光電式傳感器的區(qū)別？MEMS芯片生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)需要用到什么設(shè)備？每個(gè)流程怎樣？……等等
行業(yè)背景
人類歷史繼經(jīng)歷了18世紀(jì)以“機(jī)械化”為核心的第一次工業(yè)革命、19世紀(jì)以“電氣化”為核心的第二次工業(yè)革命和20世紀(jì)以“信息化”、“自動(dòng)化”為核心的第三次工業(yè)革命，當(dāng)下正處在以“智能化”為核心的第四次工業(yè)革命過(guò)程中，圍繞著“智能化”的各個(gè)環(huán)節(jié)正展現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的生命力。
圖1 | 歷次工業(yè)革命進(jìn)展
（來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)公開資料）
我們認(rèn)為，“智能化”是指機(jī)器或系統(tǒng)在行為過(guò)程中具備更強(qiáng)的智慧性，包括認(rèn)知能力、學(xué)習(xí)能力、記憶能力、判斷力等，其具有以下幾個(gè)主要特征：
? 一是具有更強(qiáng)的感知能力，即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，這是產(chǎn)生智能活動(dòng)的前提條件和必要條件；
? 二是具有記憶和思維能力，即能夠存儲(chǔ)感知到的外部信息及由思維產(chǎn)生的知識(shí)，同時(shí)能夠利用已有的知識(shí)對(duì)信息進(jìn)行分析、計(jì)算、比較、判斷、聯(lián)想、決策；
? 三是具有學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力，即通過(guò)與環(huán)境的相互作用，不斷學(xué)習(xí)積累知識(shí)，使自己能夠適應(yīng)環(huán)境變化；
? 四是具有行為決策能力，即對(duì)外界的刺激作出反應(yīng)，形成決策并傳達(dá)相應(yīng)的信息。
和第三次工業(yè)革命相比較，曾經(jīng)的“信息化”更多關(guān)注信息層面的收集和管理，“自動(dòng)化”更關(guān)注執(zhí)行層面的可靠和穩(wěn)定，這些都為如今的“智能化”的發(fā)展打下基礎(chǔ)。“智能化”更關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)的智慧性，依賴于各部分技術(shù)能力的提升，例如人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、感知技術(shù)等。
智能感知與感知技術(shù)
智能感知成為本次工業(yè)革命的重要驅(qū)動(dòng)力量。智能感知是指：為了滿足人類的需求，系統(tǒng)能動(dòng)地感知外界事物，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)行認(rèn)知、決策并執(zhí)行的過(guò)程。
“智能化”需要依靠各種智能感知系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。一切智能感知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都可以概括為“感知”、“計(jì)算”和“執(zhí)行”三個(gè)子系統(tǒng)，不同子系統(tǒng)之間通過(guò)“通信”相連接，從而實(shí)現(xiàn)各種功能。
圖2 | 智能感知系統(tǒng)的基本構(gòu)成部分
（來(lái)源：信熹資本整理）
其中，“感知”子系統(tǒng)即感知技術(shù)，其功能實(shí)現(xiàn)主要依賴于傳感器。傳感器將現(xiàn)實(shí)世界的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字計(jì)算機(jī)可以理解的信號(hào)，就像各種感官系統(tǒng)在人類感受物理世界過(guò)程中發(fā)揮的功能一樣。傳感器是計(jì)算機(jī)感受和理解現(xiàn)實(shí)世界的第一步，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)，是“智能化”時(shí)代的重要基礎(chǔ)設(shè)施。
傳感器的相關(guān)概念
傳感器，英文Sensor，由Sense一詞演變而來(lái)，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，在“信息化”、“自動(dòng)化”時(shí)代背景下傳感器就已經(jīng)成為重要角色，當(dāng)進(jìn)入到“智能化”時(shí)代時(shí)，其重要性進(jìn)一步凸顯，逐漸得到更多關(guān)注。
我們認(rèn)為，雖然傳感器一詞覆蓋的范圍不斷擴(kuò)大，品類日漸豐富，但所有傳感器都有這樣的共同本質(zhì)：傳感器是一種檢測(cè)裝置——能夠感受到被測(cè)量的信息，并將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。
圖3 | 傳感器的主要構(gòu)成部分
（來(lái)源：信熹資本整理）
傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路三部分組成。其中：
? 敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分，常見(jiàn)可測(cè)量的信息如溫度、光強(qiáng)、壓力等。
? 轉(zhuǎn)換元件是將上述非電量轉(zhuǎn)換成電參量，如電阻、電壓、電流等。
? 轉(zhuǎn)換電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換成便于處理、顯示、記錄和控制的部分，如放大、濾波、調(diào)制等。
這三個(gè)部分的不同設(shè)計(jì)又分別不同程度上影響了傳感器的成本及各項(xiàng)指標(biāo)，并適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。敏感元件決定了傳感器基本的工作原理，對(duì)性能產(chǎn)生最根本的影響。轉(zhuǎn)換元件和轉(zhuǎn)換電路的存在是為了使敏感元件更好地工作。為了發(fā)揮敏感元件的最優(yōu)性能，同時(shí)滿足下游應(yīng)用場(chǎng)景的需求，往往需要對(duì)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。
以MEMS麥克風(fēng)為例，其典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。聲波信號(hào)先作用于MEMS芯片，MEMS芯片部分包含了“敏感元件”和“轉(zhuǎn)化元件”，通過(guò)金線連接到包含“轉(zhuǎn)換電路”的ASIC芯片中，最后輸出音頻電信號(hào)。其他結(jié)構(gòu)主要輔助傳感器更穩(wěn)定、可靠地工作。
圖4 | MEMS麥克風(fēng)典型產(chǎn)品構(gòu)造
（來(lái)源：歌爾微電子招股說(shuō)明書）
傳感器常見(jiàn)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)可以分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)兩類。
其中，靜態(tài)指標(biāo)主要考核被測(cè)量在穩(wěn)定狀態(tài)下傳感器的性能，包括分辨率、靈敏度、線性度、重復(fù)性、遲滯、穩(wěn)定性等。
① 分辨率：傳感器能夠檢測(cè)到的最小輸入變化量，即只有輸入變化量超過(guò)一定閾值時(shí)，傳感器的輸出量才會(huì)產(chǎn)生變化。分辨率越小，說(shuō)明傳感器對(duì)被測(cè)量的分辨能力越強(qiáng)。
② 靈敏度：傳感器輸出變化量與輸入變化量之比，某些情況下可以簡(jiǎn)單理解為信號(hào)放大的倍數(shù)。靈敏度越高，說(shuō)明傳感器對(duì)被測(cè)量變化的響應(yīng)越大，越有利于信號(hào)處理。但靈敏度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致噪聲干擾增加，影響測(cè)量精度。
③ 線性度：傳感器輸出與輸入成正比的范圍。線性度越高，說(shuō)明傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系越簡(jiǎn)單，越容易校準(zhǔn)和計(jì)算。
④ 重復(fù)性：傳感器在同一條件下，對(duì)同一輸入按同一方向進(jìn)行多次測(cè)量時(shí)，輸出之間的差異程度。重復(fù)性越好，說(shuō)明傳感器輸出越穩(wěn)定，隨機(jī)誤差越小。
⑤ 遲滯：傳感器對(duì)正向（輸入增大）和反向（輸入減小）輸入的輸出之間的不一致程度。遲滯越小，說(shuō)明傳感器輸出越對(duì)稱，滯后誤差越小。
⑥ 穩(wěn)定性：傳感器在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持性能不變的能力。穩(wěn)定性受到溫度、濕度、機(jī)械振動(dòng)、電磁干擾等環(huán)境因素的影響。穩(wěn)定性越好，說(shuō)明傳感器輸出越可靠，系統(tǒng)誤差越小。
動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要考察被測(cè)量在變化狀態(tài)下傳感器的性能，包括采樣頻率、階躍響應(yīng)等。
① 采樣頻率：采樣頻率是指?jìng)鞲衅髟趩挝粫r(shí)間內(nèi)可以采樣的測(cè)量結(jié)果的多少。采樣頻率反映了該傳感器的快速反應(yīng)能力，是動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)中最重要的一個(gè)。對(duì)于被測(cè)量快速變化的場(chǎng)合，采樣頻率是必須要充分考慮的技術(shù)指標(biāo)之一。
② 階躍響應(yīng)：傳感器對(duì)階躍輸入信號(hào)（即瞬間從零變?yōu)橐欢ㄖ档男盘?hào)）的輸出變化過(guò)程。階躍響應(yīng)反映了傳感器的動(dòng)態(tài)特性，如上升時(shí)間、峰值時(shí)間、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間等。階躍響應(yīng)越快，說(shuō)明傳感器對(duì)突變信號(hào)的響應(yīng)越及時(shí)，動(dòng)態(tài)誤差越小。
傳感器的發(fā)展歷史，就是一部不斷在提升性能和降低生產(chǎn)成本之間來(lái)回進(jìn)行選擇的歷史。當(dāng)前幾乎每種傳感器都存在多種技術(shù)路徑去實(shí)現(xiàn)，往往具有不同程度的性能和成本優(yōu)勢(shì)，也因此適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。
以紅外探測(cè)器為例，目前最為廣泛使用的可以分為制冷型和非制冷型兩種，這兩種傳感器最主要的區(qū)別在于敏感元件材料的不同，進(jìn)一步導(dǎo)致成本和性能的差異，從而適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。長(zhǎng)期來(lái)看，由于底層原理的限制，各種技術(shù)路線只能在局部指標(biāo)上做最優(yōu)解，很難出現(xiàn)哪種技術(shù)路線完全取代另一種的情況。
表1 | 制冷型和非制冷型紅外探測(cè)器的對(duì)比
（來(lái)源：信熹資本整理）
