這是一篇整理的非常細致的傳感器產業介紹內容，本文涵蓋了傳感器的相關概念、發展歷史、分類方式、產業鏈和市場情況等信息。與其他籠統介紹傳感器產業的研報資料不同，本文具體而微，詳細說明了各種傳感器的情況，每個分類、每個特性、每個術語、每個環節，本文都一一解析清楚，幾乎都介紹的明明白白，顯然經過長時間的資料收集。

本文有助于我們厘清很多傳感器概念上的問題，窺視不同傳感器領域的難點和痛點。譬如航天級、軍工級、工業級、醫療級、科研級、消費級等傳感器有什么不同的需求？電阻式、電容式、電感式、光電式傳感器的區別？MEMS芯片生產各個環節需要用到什么設備？每個流程怎樣？……等等

行業背景

人類歷史繼經歷了18世紀以“機械化”為核心的第一次工業革命、19世紀以“電氣化”為核心的第二次工業革命和20世紀以“信息化”、“自動化”為核心的第三次工業革命，當下正處在以“智能化”為核心的第四次工業革命過程中，圍繞著“智能化”的各個環節正展現出蓬勃發展的生命力。

圖1 | 歷次工業革命進展

（來源：網絡公開資料）

我們認為，“智能化”是指機器或系統在行為過程中具備更強的智慧性，包括認知能力、學習能力、記憶能力、判斷力等，其具有以下幾個主要特征：

? 一是具有更強的感知能力，即具有能夠感知外部世界、獲取外部信息的能力，這是產生智能活動的前提條件和必要條件；

? 二是具有記憶和思維能力，即能夠存儲感知到的外部信息及由思維產生的知識，同時能夠利用已有的知識對信息進行分析、計算、比較、判斷、聯想、決策；

? 三是具有學習能力和自適應能力，即通過與環境的相互作用，不斷學習積累知識，使自己能夠適應環境變化；

? 四是具有行為決策能力，即對外界的刺激作出反應，形成決策并傳達相應的信息。

和第三次工業革命相比較，曾經的“信息化”更多關注信息層面的收集和管理，“自動化”更關注執行層面的可靠和穩定，這些都為如今的“智能化”的發展打下基礎。“智能化”更關注整個系統的智慧性，依賴于各部分技術能力的提升，例如人工智能、大數據、物聯網、感知技術等。

智能感知與感知技術

智能感知成為本次工業革命的重要驅動力量。智能感知是指：為了滿足人類的需求，系統能動地感知外界事物，利用大數據、物聯網、人工智能等技術進行認知、決策并執行的過程。

“智能化”需要依靠各種智能感知系統得以實現。一切智能感知系統的結構都可以概括為“感知”、“計算”和“執行”三個子系統，不同子系統之間通過“通信”相連接，從而實現各種功能。

圖2 | 智能感知系統的基本構成部分

（來源：信熹資本整理）

其中，“感知”子系統即感知技術，其功能實現主要依賴于傳感器。傳感器將現實世界的信號，轉換為數字計算機可以理解的信號，就像各種感官系統在人類感受物理世界過程中發揮的功能一樣。傳感器是計算機感受和理解現實世界的第一步，是實現自動檢測和自動控制的首要環節，是“智能化”時代的重要基礎設施。

傳感器的相關概念

傳感器，英文Sensor，由Sense一詞演變而來，最早出現于20世紀30年代，在“信息化”、“自動化”時代背景下傳感器就已經成為重要角色，當進入到“智能化”時代時，其重要性進一步凸顯，逐漸得到更多關注。

我們認為，雖然傳感器一詞覆蓋的范圍不斷擴大，品類日漸豐富，但所有傳感器都有這樣的共同本質：傳感器是一種檢測裝置——能夠感受到被測量的信息，并將感受到的信息按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

圖3 | 傳感器的主要構成部分

（來源：信熹資本整理）

傳感器通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路三部分組成。其中：

? 敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，常見可測量的信息如溫度、光強、壓力等。

? 轉換元件是將上述非電量轉換成電參量，如電阻、電壓、電流等。

? 轉換電路的作用是將轉換元件輸出的電信號經過處理轉換成便于處理、顯示、記錄和控制的部分，如放大、濾波、調制等。

這三個部分的不同設計又分別不同程度上影響了傳感器的成本及各項指標，并適合于不同的應用場景。敏感元件決定了傳感器基本的工作原理，對性能產生最根本的影響。轉換元件和轉換電路的存在是為了使敏感元件更好地工作。為了發揮敏感元件的最優性能，同時滿足下游應用場景的需求，往往需要對轉換電路進行定制化設計。

以MEMS麥克風為例，其典型結構如下圖所示。聲波信號先作用于MEMS芯片，MEMS芯片部分包含了“敏感元件”和“轉化元件”，通過金線連接到包含“轉換電路”的ASIC芯片中，最后輸出音頻電信號。其他結構主要輔助傳感器更穩定、可靠地工作。

圖4 | MEMS麥克風典型產品構造

（來源：歌爾微電子招股說明書）

傳感器常見的性能評價指標可以分為靜態指標和動態指標兩類。

其中，靜態指標主要考核被測量在穩定狀態下傳感器的性能，包括分辨率、靈敏度、線性度、重復性、遲滯、穩定性等。

① 分辨率：傳感器能夠檢測到的最小輸入變化量，即只有輸入變化量超過一定閾值時，傳感器的輸出量才會產生變化。分辨率越小，說明傳感器對被測量的分辨能力越強。

② 靈敏度：傳感器輸出變化量與輸入變化量之比，某些情況下可以簡單理解為信號放大的倍數。靈敏度越高，說明傳感器對被測量變化的響應越大，越有利于信號處理。但靈敏度過高也會導致噪聲干擾增加，影響測量精度。

③ 線性度：傳感器輸出與輸入成正比的范圍。線性度越高，說明傳感器輸出與輸入之間的關系越簡單，越容易校準和計算。

④ 重復性：傳感器在同一條件下，對同一輸入按同一方向進行多次測量時，輸出之間的差異程度。重復性越好，說明傳感器輸出越穩定，隨機誤差越小。

⑤ 遲滯：傳感器對正向（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，說明傳感器輸出越對稱，滯后誤差越小。

⑥ 穩定性：傳感器在相當長時間內保持性能不變的能力。穩定性受到溫度、濕度、機械振動、電磁干擾等環境因素的影響。穩定性越好，說明傳感器輸出越可靠，系統誤差越小。

動態指標主要考察被測量在變化狀態下傳感器的性能，包括采樣頻率、階躍響應等。

① 采樣頻率：采樣頻率是指傳感器在單位時間內可以采樣的測量結果的多少。采樣頻率反映了該傳感器的快速反應能力，是動態特性指標中最重要的一個。對于被測量快速變化的場合，采樣頻率是必須要充分考慮的技術指標之一。

② 階躍響應：傳感器對階躍輸入信號（即瞬間從零變為一定值的信號）的輸出變化過程。階躍響應反映了傳感器的動態特性，如上升時間、峰值時間、超調量、調節時間等。階躍響應越快，說明傳感器對突變信號的響應越及時，動態誤差越小。

傳感器的發展歷史，就是一部不斷在提升性能和降低生產成本之間來回進行選擇的歷史。當前幾乎每種傳感器都存在多種技術路徑去實現，往往具有不同程度的性能和成本優勢，也因此適用于不同的應用場景。

以紅外探測器為例，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別在于敏感元件材料的不同，進一步導致成本和性能的差異，從而適用于不同的應用場景。長期來看，由于底層原理的限制，各種技術路線只能在局部指標上做最優解，很難出現哪種技術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器的對比

（來源：信熹資本整理）