这是一篇整理的非常细致的传感器产业介绍内容，本文涵盖了传感器的相关概念、发展历史、分类方式、产业链和市场情况等信息。与其他笼统介绍传感器产业的研报资料不同，本文具体而微，详细说明了各种传感器的情况，每个分类、每个特性、每个术语、每个环节，本文都一一解析清楚，几乎都介绍的明明白白，显然经过长时间的资料收集。
本文有助于我们厘清很多传感器概念上的问题，窥视不同传感器领域的难点和痛点。譬如航天级、军工级、工业级、医疗级、科研级、消费级等传感器有什么不同的需求？电阻式、电容式、电感式、光电式传感器的区别？MEMS芯片生产各个环节需要用到什么设备？每个流程怎样？……等等
行业背景
人类历史继经历了18世纪以“机械化”为核心的第一次工业革命、19世纪以“电气化”为核心的第二次工业革命和20世纪以“信息化”、“自动化”为核心的第三次工业革命，当下正处在以“智能化”为核心的第四次工业革命过程中，围绕着“智能化”的各个环节正展现出蓬勃发展的生命力。
图1 | 历次工业革命进展
（来源：网络公开资料）
我们认为，“智能化”是指机器或系统在行为过程中具备更强的智慧性，包括认知能力、学习能力、记忆能力、判断力等，其具有以下几个主要特征：
▶ 一是具有更强的感知能力，即具有能够感知外部世界、获取外部信息的能力，这是产生智能活动的前提条件和必要条件；
▶ 二是具有记忆和思维能力，即能够存储感知到的外部信息及由思维产生的知识，同时能够利用已有的知识对信息进行分析、计算、比较、判断、联想、决策；
▶ 三是具有学习能力和自适应能力，即通过与环境的相互作用，不断学习积累知识，使自己能够适应环境变化；
▶ 四是具有行为决策能力，即对外界的刺激作出反应，形成决策并传达相应的信息。
和第三次工业革命相比较，曾经的“信息化”更多关注信息层面的收集和管理，“自动化”更关注执行层面的可靠和稳定，这些都为如今的“智能化”的发展打下基础。“智能化”更关注整个系统的智慧性，依赖于各部分技术能力的提升，例如人工智能、大数据、物联网、感知技术等。
智能感知与感知技术
智能感知成为本次工业革命的重要驱动力量。智能感知是指：为了满足人类的需求，系统能动地感知外界事物，利用大数据、物联网、人工智能等技术进行认知、决策并执行的过程。
“智能化”需要依靠各种智能感知系统得以实现。一切智能感知系统的结构都可以概括为“感知”、“计算”和“执行”三个子系统，不同子系统之间通过“通信”相连接，从而实现各种功能。
图2 | 智能感知系统的基本构成部分
（来源：信熹资本整理）
其中，“感知”子系统即感知技术，其功能实现主要依赖于传感器。传感器将现实世界的信号，转换为数字计算机可以理解的信号，就像各种感官系统在人类感受物理世界过程中发挥的功能一样。传感器是计算机感受和理解现实世界的第一步，是实现自动检测和自动控制的首要环节，是“智能化”时代的重要基础设施。
传感器的相关概念
传感器，英文Sensor，由Sense一词演变而来，最早出现于20世纪30年代，在“信息化”、“自动化”时代背景下传感器就已经成为重要角色，当进入到“智能化”时代时，其重要性进一步凸显，逐渐得到更多关注。
我们认为，虽然传感器一词覆盖的范围不断扩大，品类日渐丰富，但所有传感器都有这样的共同本质：传感器是一种检测装置——能够感受到被测量的信息，并将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
图3 | 传感器的主要构成部分
（来源：信熹资本整理）
传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。其中：
▶ 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，常见可测量的信息如温度、光强、压力等。
▶ 转换元件是将上述非电量转换成电参量，如电阻、电压、电流等。
▶ 转换电路的作用是将转换元件输出的电信号经过处理转换成便于处理、显示、记录和控制的部分，如放大、滤波、调制等。
这三个部分的不同设计又分别不同程度上影响了传感器的成本及各项指标，并适合于不同的应用场景。敏感元件决定了传感器基本的工作原理，对性能产生最根本的影响。转换元件和转换电路的存在是为了使敏感元件更好地工作。为了发挥敏感元件的最优性能，同时满足下游应用场景的需求，往往需要对转换电路进行定制化设计。
以MEMS麦克风为例，其典型结构如下图所示。声波信号先作用于MEMS芯片，MEMS芯片部分包含了“敏感元件”和“转化元件”，通过金线连接到包含“转换电路”的ASIC芯片中，最后输出音频电信号。其他结构主要辅助传感器更稳定、可靠地工作。
图4 | MEMS麦克风典型产品构造
（来源：歌尔微电子招股说明书）
传感器常见的性能评价指标可以分为静态指标和动态指标两类。
其中，静态指标主要考核被测量在稳定状态下传感器的性能，包括分辨率、灵敏度、线性度、重复性、迟滞、稳定性等。
① 分辨率：传感器能够检测到的最小输入变化量，即只有输入变化量超过一定阈值时，传感器的输出量才会产生变化。分辨率越小，说明传感器对被测量的分辨能力越强。
② 灵敏度：传感器输出变化量与输入变化量之比，某些情况下可以简单理解为信号放大的倍数。灵敏度越高，说明传感器对被测量变化的响应越大，越有利于信号处理。但灵敏度过高也会导致噪声干扰增加，影响测量精度。
③ 线性度：传感器输出与输入成正比的范围。线性度越高，说明传感器输出与输入之间的关系越简单，越容易校准和计算。
④ 重复性：传感器在同一条件下，对同一输入按同一方向进行多次测量时，输出之间的差异程度。重复性越好，说明传感器输出越稳定，随机误差越小。
⑤ 迟滞：传感器对正向（输入增大）和反向（输入减小）输入的输出之间的不一致程度。迟滞越小，说明传感器输出越对称，滞后误差越小。
⑥ 稳定性：传感器在相当长时间内保持性能不变的能力。稳定性受到温度、湿度、机械振动、电磁干扰等环境因素的影响。稳定性越好，说明传感器输出越可靠，系统误差越小。
动态指标主要考察被测量在变化状态下传感器的性能，包括采样频率、阶跃响应等。
① 采样频率：采样频率是指传感器在单位时间内可以采样的测量结果的多少。采样频率反映了该传感器的快速反应能力，是动态特性指标中最重要的一个。对于被测量快速变化的场合，采样频率是必须要充分考虑的技术指标之一。
② 阶跃响应：传感器对阶跃输入信号（即瞬间从零变为一定值的信号）的输出变化过程。阶跃响应反映了传感器的动态特性，如上升时间、峰值时间、超调量、调节时间等。阶跃响应越快，说明传感器对突变信号的响应越及时，动态误差越小。
传感器的发展历史，就是一部不断在提升性能和降低生产成本之间来回进行选择的历史。当前几乎每种传感器都存在多种技术路径去实现，往往具有不同程度的性能和成本优势，也因此适用于不同的应用场景。
以红外探测器为例，目前最为广泛使用的可以分为制冷型和非制冷型两种，这两种传感器最主要的区别在于敏感元件材料的不同，进一步导致成本和性能的差异，从而适用于不同的应用场景。长期来看，由于底层原理的限制，各种技术路线只能在局部指标上做最优解，很难出现哪种技术路线完全取代另一种的情况。
表1 | 制冷型和非制冷型红外探测器的对比
（来源：信熹资本整理）
