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一、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。
二、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。
三、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。
（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）
四、传感器的发展历史
传感器的起源可以追溯到人类最早的测量工具，如温度计、压力计、度量衡等。这些工具都是利用物质的某些物理性质（如热胀冷缩、弹性变形、比重差异等）来反映被测量的信息，并通过人眼或其他辅助设备来读取。这些原始的传感器虽然只能测量一些基本的物理量，而且精度和可靠性都不高，但是它们为后来传感器技术的发展奠定了基础。
根据不同的技术特征和应用领域，传感器的发展可以分为以下几个阶段：
▶ 机械化时代（人类出现-1870年前后）：这一时期出现了最早的机械式传感器，如指南车、骨尺、天平、日晷仪、地动仪等。这些传感器都是利用机械结构和运动原理来实现检测功能，主要应用于方向、长度、重量、时间和地震等方面。
▶ 电气化时代（1870年-1940年）：这一时期出现了最早的电气式传感器，如热电偶、磁电偶、光电管、光敏电阻、霍尔元件、磁阻元件等。这些传感器都是利用电学效应和电路原理来实现检测功能，主要应用于温度、电流、电压、光强、磁场等方面。
▶ 半导体化时代（1940年-1970年）：这一时期出现了最早的半导体式传感器，如半导体热电偶、PN结温度传感器、集成温度传感器、声学温度传感器、红外传感器、微波传感器等。这些传感器都是利用半导体材料和集成电路技术来实现检测功能，主要应用于温度、光强、距离等方面。
▶ 微机械化时代（1970年-2010年）：这一时期出现了最早的微机械式（MEMS）传感器，如微机械陀螺仪、微机械加速度计、微机械压力传感器等。这些传感器都是利用微机械技术和微加工技术来实现检测功能，主要应用于角速度、加速度、压力等方面。
▶ 智能化时代（2010年至今）：这一时期出现了更先进的智能式传感器，传感器集成的功能日益丰富，不仅传统测量性能进一步提升，同时开始集成更多计算能力，将更多数据处理工作放在边缘端，减少对中心处理器的依赖，即“边缘计算”。
智能化时代前，传感器的发展更多关注于传感器原有功能的提升，传感器更像一个独立的个体。进入智能化时代后，下游应用场景的需求开始被更多考虑，传感器更多作为一个智能化系统的一部分开始发展。
这里需要注意，并不是进入智能化时代后，半导体化时代和微机械化时代下的传感器便不再发展了，各种技术路线的传感器依然处在不断迭代发展的过程中。传感器不仅在向内进行提升，同时在向外进行链接扩展。
总结起来，传感器在发展过程中体现出的主要趋势是多功能化、高性能化、低成本化、微型化，这也将是未来传感器的发展主要方向。
▶ 多功能化：传感器能够集成多种功能，如测量多种参数、处理数据、存储信息、通信交互等，提高了传感器的效率和灵活性。
▶ 高性能化：传感器能够提高测量的精度、灵敏度、稳定性和可靠性，降低测量的误差和干扰，满足更高的测量要求。
▶ 低成本化：传感器能够采用新型材料和新型工艺制造，降低生产成本和维护成本，实现大规模生产和应用。
▶ 微型化：传感器能够以更小的体积实现同水平的性能，可满足更多应用场景的体积需求。一般来说，体积越小也意味着量产后成本越低、实际使用中功耗越低。
五、传感器的分类
传感器的分类有多种方式，从不同的角度有不同的分类方式。当使用者在选择使用哪种传感器时，会根据检测变量、应用场景、输出量的性质等，选择相匹配的传感器。当研发企业在选择设计、生产传感器时，更多会考虑到敏感材料和转换原理等。
表2 | 传感器的主要分类方式 （来源：信熹资本整理）
1. 按照检测变量分类
最清晰、直观的传感器分类方式是基于检测变量进行分类。
传感器的的细分行业一般是根据检测变量不同进行划分，因此这种分类方式可以更方便我们进行细分行业的研究，这一方法在分析传感器行业的中早期创业公司时会显得尤为关键。
大多数创业公司都会选择单一传感器作为早期的创业方向，这时候就需要从检测变量出发，寻找对应以及相近的细分行业，直接分析对应的细分行业可以对现有的市场规模、竞争格局建立认知和判断，间接分析相近的细分行业可以对可拓展的市场规模、潜在竞争对手进行预测和分析。
这一分析方式对于已经进入成熟阶段的传感器巨头公司来说，重要程度会有所减弱，这是由于巨头公司往往会选择对同一技术平台的传感器进行广泛布局，单一细分市场对公司业绩影响程度有限，技术平台能力对于公司的重要性会增加。
1) 位置/运动传感器
用于测量物体的位置、位移、速度、加速度等参数，如加速度计、陀螺仪、光电编码器、超声波雷达、激光雷达、毫米波雷达等，这类传感器目前广泛应用于自动化控制、姿态识别、自动驾驶等场景。
▶ 加速度计：利用惯性质量在受加速度时会产生位移的特性，将物体的加速度转换为位移信号，再经过电容或压阻式变换器转换为电容或电阻信号，再经过调理电路转换为电压或电流信号。
▶ 陀螺仪：利用回转体或振动体在旋转时产生的科里奥利力或进动角，将物体的角速度或角位移转换为电容或电阻信号，再经过检测电路转换为电压或电流信号。
▶ 光电编码器：利用光电效应，将输出轴上的机械几何位移量转换成电信号，输出脉冲或编码。
▶ 超声波传雷达：利用超声波的反射、折射、干涉等特性，将物体的距离、速度或形状转换为超声波信号，再经过超声波探头转换为电信号，输出模拟或数字信号。
▶ 激光雷达：以激光作为信号源，由激光器发射出的激光束来探测目标的距离、方位、高度、速度、姿态等特征量，将目标空间位置转换成电信号，输出点云或图像。脉冲式激光雷达利用反射激光的时间间隔来计算相对距离；而连续波激光雷达则通过计算反射光与反射光之间的相位差得到目标距离。
▶ 毫米波雷达：以毫米波作为信号源，由天线发射出的毫米波束，来探测目标的距离、方位、高度、速度、姿态等特征量，将目标空间位置转换成电信号。
2) 力传感器
用于测量物体的力、压力、重量、扭矩等参数，如压电式传感器、压阻式传感器等。
▶ 压电式传感器：利用压电材料在受力时会产生极化而导致表面带电的特性，将物体的力、压力、重量或振动转换为电荷信号，再经过积分或放大器转换为电压或电流信号。
▶ 压阻式传感器：利用压阻材料在受力时会产生压阻效应而导致电阻值变化的特性，将物体的力、压力、重量或振动转换为电阻信号，再经过电桥或放大器转换为电压或电流信号。
3) 温度传感器
用于测量物体或环境的温度，如热电偶、热敏电阻、红外传感器等。
▶ 热电偶：利用两种不同金属材料在温度不同时会产生热电势差的特性，将物体或环境的温度转换为热电势信号，再经过温度计或放大器转换为温度值或电压信号。
▶ 热敏电阻：利用金属材料在温度变化时会产生正温度系数（PTC）或负温度系数（NTC）而导致电阻值变化的特性，将物体或环境的温度转换为电阻信号，再经过分压或放大器转换为温度值或电压信号。
▶ 红外传感器：通过感应目标辐射的红外线，利用红外线的物理性质来进行测量。红外传感器根据探测机理可分成为基于光电效应的光子探测器和基于热效应的热探测器。
4) 光学传感器
用于测量光的强度、波长、相位等参数，如光电二极管、光敏电阻、光纤传感器等。
▶ 光电二极管：利用光电效应，当光照射到半导体材料时，会产生电子-空穴对而导致电流变化的特性，将光的强度或颜色转换为电流信号，再经过分压或放大器转换为光强值或电压信号。
▶ 光敏电阻：利用光阻效应，当光照射到半导体材料时，会改变其导电率而导致电阻值变化的特性，将光的强度转换为电阻信号，再经过分压或放大器转换为光强值或电压信号。
▶ 光纤传感器：利用光纤的传输、反射、干涉等特性，将物体的位置、位移、速度、温度、压力、应变等参数转换为光信号，再经过光电元件转换为电信号，输出模拟或数字信号。
5) 声音传感器
用于测量声音的强度、频率、相位等参数，如麦克风、声纳传感器、超声波传感器等。
▶ 麦克风：利用声波对振动膜的作用而产生电动势的特性，将声音的强度或频率转换为电压信号，再经过滤波或放大器转换为声音值或频率信号。
▶ 声纳传感器：利用声波的反射、折射、干涉等特性，将物体的距离、速度或形状转换为声波信号，再经过声波探头转换为电信号，输出模拟或数字信号。
6) 磁场传感器
用于测量磁场的强度、方向、变化等参数，如霍尔效应传感器、磁阻效应传感器、磁致伸缩效应传感器等。
▶ 霍尔效应传感器：利用霍尔效应，当导体通过恒定电流并置于磁场中时，会在垂直于电流和磁场方向的两端产生电压差，这个电压差与磁场强度成正比，输出电压信号。
▶ 磁阻效应传感器：利用磁阻效应，当导体通过恒定电流并置于磁场中时，会在垂直于电流和磁场方向的两端产生电压差，这个电压差与磁场强度成正比，输出电压信号。
▶ 磁致伸缩效应传感器：利用磁致伸缩效应，当铁磁材料置于磁场中时，会产生沿着磁场方向的伸缩变形，这个变形与磁场强度成正比，输出位移或应变信号。
7) 气体传感器 用于测量气体的成分、浓度、质量等参数，如气敏电阻、气敏二极管、光电气体传感器等。
▶ 气敏电阻：利用气敏材料在吸附气体时会产生导电率变化而导致电阻值变化的特性，将气体的成分或浓度转换为电阻信号，再经过分压或放大器转换为气体值或电压信号。
▶ 气敏二极管：利用气敏材料在吸附气体时会产生导通效应而导致二极管导通的特性，将气体的成分或浓度转换为二极管导通状态，再经过分压或放大器转换为气体值或电压信号。
▶ 光电气体传感器：利用不同气体对不同波段的光有不同的吸收特征，将气体的种类及浓度转换为光谱吸收信号，再经过光电元件或光谱仪转换为电信号或光谱信号。
8) 湿度传感器
用于测量物体或环境的湿度，如电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器、热湿敏电阻等。
▶ 电阻式湿度传感器：利用湿敏材料在吸附水分子时会产生电阻率变化而导致电阻值变化的特性，将湿度转换为电阻信号，再经过分压或放大器转换为湿度值或电压信号。常用的湿敏材料有金属氧化物、硅、陶瓷等。
▶ 电容式湿度传感器：利用湿敏材料在吸附水分子时会改变其介电常数而导致电容量变化的特性，将湿度转换为电容信号，再经过分压或放大器转换为湿度值或电压信号。常用的湿敏材料有高分子薄膜、聚苯乙烯、聚酰亚胺等。
9) 生化传感器
用于测量生物或化学物质的活性、浓度、反应速率等参数，如酶电极、抗体电极、DNA芯片等。
▶ 酶电极：利用酶与底物反应产生可测量的物质的特性，将生物或化学物质的活性或浓度转换为反应物质的浓度，再经过其他传感器进一步转换为电信号。
▶ 抗体电极：利用抗体与抗原结合产生可测量的物质（如pH）的特性，将生物或化学物质的活性或浓度转换为反应物质的浓度，再经过其他传感器（如pH传感器）转换为电信号。
▶ DNA芯片：利用DNA与互补序列结合产生可测量的物质（如荧光）的特性，将生物或化学物质的活性或浓度转换为反应物质的浓度，再经过其他传感器（如荧光传感器）转换为电信号。
2. 按照应用场景不同
由于传感器的应用存在显著的行业特征，在发展过程中，也逐渐分化出针对不同应用场景的传感器类别，虽然这不是一种严格的分类标准，但是对于传感器的选用有很重要的价值。不同场景对应的传感器具有明显的性能、检测标准、使用环境、价格区间的区别。
为了更直观地比较不同应用场景下的传感器的特点和差异，我们可以用一个表格来进行横向对比。表格中列出了六个等级的传感器在精度、稳定性、可靠性、耐久性、成本和应用领域等方面的大致情况。
表3 | 不同应用场景下对传感器的不同性能要求
（来源：信熹资本整理）
1) 航天级
航天级传感器是指用于航天领域的高端传感器，它们具有极高的精度、稳定性、可靠性和耐久性，能够适应极端的温度、压力、湿度、辐射等环境条件，同时也需要具有轻质化、小型化和低功耗等特点。
航天级传感器通常需要经过严格的设计、制造、测试和认证过程，成本也相对较高。航天级传感器广泛应用于航天飞行器、卫星、火箭、导弹等系统中，用于测量位置、速度、加速度、姿态、温度、压力等参数，以实现飞行控制、导航定位、通信链路等功能。
2) 军工级
军工级传感器是指用于军事领域的高性能传感器，它们具有较高的精度、稳定性、可靠性和耐久性，能够适应复杂和恶劣的战场环境，同时也具有抗干扰、抗破坏和保密等特点。
军工级传感器通常需要满足一定的军用标准和规范，成本也相对较高。军工级传感器广泛应用于武器装备、作战平台、指挥控制等系统中，用于测量目标信息、环境信息、装备状态等参数，以实现目标侦察、火力打击、防御拦截等功能。
3) 工业级
工业级传感器是指用于工业领域的传感器，它们具有较好的精度、稳定性、可靠性和耐久性，能够适应一般的工作环境，同时也具有成本效益、易于安装和维护等特点。
工业级传感器通常需要满足一定的工业标准和规范，成本也相对适中。工业级传感器广泛应用于机械制造、电力能源、化工石油、冶金矿山等行业中，用于测量温度、压力、流量、位移、力、扭矩等参数，以实现工业自动化、过程控制、质量检测等功能。
4) 医疗级
医疗级传感器是指用于医疗领域的专用传感器，它们具有较高的精度、灵敏度、安全性和舒适性，能够适应人体的生理特性和医疗要求，同时也更多考虑无创性、生物相容性和智能化等特点。
医疗级传感器通常需要满足一定的医疗标准和规范，成本也相对较高。医疗级传感器广泛应用于医疗诊断、治疗监护、健康管理等领域中，用于测量人体的温度、血压、血氧、心率、脑电、肌电等参数，以实现医疗服务和健康管理。
5) 科研级
科研级传感器是指用于科学研究领域的高精密传感器，它们具有极高的精度、灵敏度、稳定性和可靠性，能够适应各种特殊的实验条件和要求，同时也具有创新性、多功能性和可定制性等特点。
科研级传感器通常需要经过精密的设计、制造、校准和验证过程，成本也相对较高。科研级传感器广泛应用于物理学、化学学、生物学等基础科学和前沿科学领域中，用于测量微观世界和宏观世界中各种复杂和微妙的现象和规律。
6) 消费级
消费级传感器是指用于消费品领域的普通传感器，它们具有一定的精度、稳定性、可靠性和耐久性，能够适应日常生活环境，同时也具有低成本、小型化和低功耗等特点。
消费级传感器通常需要满足一定的消费标准和规范，成本也相对较低。消费级传感器广泛应用于手机、电脑、智能穿戴等消费电子产品中，用于测量位置、方向、光线、声音等参数，以实现人机交互、环境适应、功能增强等功能。
3. 按照输出量的性质分类
从上世纪90年代开始，传感器开始从曾经的纯模拟工作方式转向数字传输方式，发展到现在，数字传感器在许多领域已经十分盛行。不过目前在不少应用场景下，模拟传感器的优势还依然存在。 我们认为，随着“智能化”的发展，模拟传感器的适用场景将逐步减少。得益于数字传感器使用方便、更容易在后端实现功能集成等优点，其更加适应当今智能化发展的需求，已经越来越成为传感器的主流。甚至于出现一些传感器公司，其技术能力的优势在于设计性能更强、功耗更低的ADC（英文全称为Analog to Digtal Converter，中文名称为模数转换器，可将模拟信号转换为数字信号），在前端敏感元件并无特殊优势积累，依然可以在市场上占据一席之地。
1) 模拟传感器
模拟传感器是指输出连续变化的模拟信号的传感器，一般是电压、电流等物理量。模拟传感器的优点是输出信号与输入量之间有直接的对应关系，可以反映输入量的变化过程和细节。模拟传感器的缺点是输出信号容易受到干扰和噪声的影响，需要进行放大、滤波、调理等处理，而且不便于数字化处理和远距离传输。
2) 数字传感器
数字传感器是指输出离散变化的数字信号的传感器。数字信号可以是二进制码、脉冲序列、频率等物理量，也可以是编码后的数据。
相较于模拟传感器，数字传感器一般是增加了模数转换器，其优点是输出信号具有较强的抗干扰能力，不需要进行复杂的信号处理，而且便于数字化处理和远距离传输。数字传感器的缺点是输出信号不能反映输入量的连续变化过程和细节，而且需要进行采样、量化、编码等转换过程，相应的成本就会更高。
4. 按照敏感材料不同
新类型传感器的开发从某种意义上讲就是对传感器材料的开发。在传感器的开发过程中，通常会先从传感器的敏感材料入手，例如：
▶ 挖掘现有材料的新效应、新现象或新反应；
▶ 随着新材料的问世，重新利用早期发现的各种效应、现象或反应；
▶ 伴随新材料的出现，利用新发现的各种新效应、新现象或新反应。 确定了前端的敏感材料，才可以继续推进后续的构型设计及生产。
1) 金属类材料
金属类材料传感器是一种利用金属材料的电学特性及其各种物理、化学效应实现非电量转换为电量的固态元件。金属材料包括铜、铝、铁等常见金属和铂、镍等贵金属。
金属材料具有良好的导电性能和敏感性能，同时也具有较高的强度和韧性等优点。金属材料可以实现多种效应，如电阻效应、热电效应、霍尔效应等。金属类材料常用于制作热敏电阻和热电偶等传感器，还可以用于制作压力传感器、形变传感器等。
2) 半导体材料
半导体材料传感器是一种利用半导体材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应实现非电量转换为电量的固态元件。半导体材料包括硅、锗、镓砷等。
半导体材料具有良好的敏感性、灵敏度和响应速度，同时也具有小型化、集成化和低功耗等优点。半导体材料可以实现多种效应，如压阻效应、霍尔效应、光电效应、热电效应等。因此，半导体材料传感器可以用于测量温度、压力、流量、位移、力、扭矩、加速度、磁场、光强等多种参数。
3) 陶瓷类材料
陶瓷类材料传感器是一种利用陶瓷材料的电学特性及其各种物理、化学效应实现非电量转换为电量的固态元件。陶瓷材料包括氧化物陶瓷（如氧化铝）、氮化物陶瓷（如氮化硅）、碳化物陶瓷（如碳化硅）等。
陶瓷材料具有良好的稳定性、耐高温性和耐腐蚀性，同时也具有高强度和高硬度等优点。陶瓷材料可以实现多种效应，如压电效应、热电效应、磁电效应、电阻效应等。陶瓷材料常用于制作压力传感器、湿度传感器和氧气传感器等。
4) 高分子类材料
高分子类材料传感器是一种利用高分子材料的电学特性及其各种物理、化学效应实现非电量转换为电量的固态元件。高分子材料包括有机高分子材料（如聚苯乙烯）、无机高分子材料（如聚合物基复合材料）等。
高分子材料具有良好的可塑性和可加工性，同时也具有低成本和可生物降解等优点。高分子类材料常用于制作应力、形变、湿度、温度和气体浓度等传感器，其在柔性传感器上的应用也存在广阔前景。
5. 按照转换原理不同
通过使用不同敏感材料或差异化的电路设计，利用不同的转换原理，也可以得到不同性能的传感器。一般来说，即使是针对同一检测变量，不同转换原理的传感器之间依然存在较高的技术壁垒，且对应不同的易用场景，使得细分市场进一步被分割。
1) 电阻式传感器 是一种利用电阻元件的电阻值随着温度、压力、应变等因素变化而变化的原理，将非电量转换为电量的传感器。例如，温度敏电阻（RTD）和压阻式应变计（SG）等。
2) 电容式传感器 是一种利用电容元件的电容值随着距离、介质、湿度等因素变化而变化的原理，将非电量转换为电量的传感器。例如，电容式位移传感器和电容式湿度传感器等。
3) 电感式传感器 是一种利用电感元件的自感或互感随着位移、速度、磁场等因素变化而变化的原理，将非电量转换为电量的传感器。例如，线圈式位移传感器和差动变压器（LVDT）等。
4) 光电式传感器 是一种利用光源和光敏元件之间的光强或光波长随着位移、速度、颜色等因素变化而变化的原理，将非电量转换为电量的传感器。例如，光敏二极管（PD）和光敏三极管（PT）等。
5) 光栅式传感器 是一种利用光栅和光敏元件之间的干涉条纹随着位移或角度变化而变化的原理，将非电量转换为数字量的传感器。例如，光栅尺和光栅编码器等。
6) 压电式传感器 是一种利用某些材料在受到压力或振动时，在其两端产生一个与之成正比的电压的原理，将非电量转换为电量的传感器。例如，压电陶瓷和压电石英晶体等。
6. 小结
对于传感器投资来说，传感器的分类是第一步。明确了传感器的分类，才能清晰地对行业格局进行梳理分析。
传感器的分类方式繁多，不同分类方式又互相交叉，又存在明显的差异，导致行业格局划分极其细分。
例如有的企业专门做车规级的陀螺仪，有的专门做消费级的陀螺仪，虽然两种企业的技术能力有交叉，但是车规级更关注可靠性，消费级更关注低成本、大规模量产，同一个企业想把两种产品同时做好难度较大。这使得大多数细分领域的天花板都较为有限，小则可能几个亿的市场规模，多则可能上百亿的市场规模，多数在几十亿的市场空间。
以上行业特征导致传感器行业的投资逻辑存在一定特殊性。不同于传统互联网以及现在人工智能、大芯片等大行业的投资逻辑，传感器各细分市场的割裂度更高，且发展变化的速度相对没那么快，更容易培养出小而美的企业。
对于投资机构来说，选择深耕于传感器行业，需要更强的资源和能力支持，更需要建立起对行业的深度认知，尽可能去解决小众行业中更严重的信息不对称问题。只有提前捕捉到行业的变化，才能提高投资决策的准确性。这样才能在早期阶段完成投资布局，即使被投企业未来只能成长为小而美的企业，那也有望获得可观的投资收益。
六、传感器的产业链情况
作为一种成熟的电子元器件，传感器已经形成了较清晰的产业链。
▶ 上游主要包括各类传感器制造所需原材料、生产设备、设计软件的供应，常规材料包括半导体材料、陶瓷材料、金属材料以及高分子类材料等，常规设备包括各类半导体工艺设备、封装测试设备等。
▶ 中游主要是各类传感器的加工制造和封装测试等。传感器种类繁多，每种传感器对应的工艺存在不同，一般来说包括敏感元件本体的加工、信号输出电路的连接、整体传感器系统的封装以及后续的标定和测试。
▶ 下游主要是各类应用场景，客户根据自己的性能、成本要求选择对应的传感器，集成到对应的终端设备中去，并进行相应的性能优化和功能实现。
图1 | 传感器产业链的一般构成
（来源：信熹资本整理）
例如，以MEMS压力传感器为例：
▶ 压力传感器的核心部件是压力芯片，最常见的是利用半导体材料的压阻效应来测量压力的。压力芯片的加工采用硅晶片，利用光刻技术、腐蚀技术、扩散注入离子技术等，制造出压力芯片。
▶ 压力传感器的封装部件是弹性体，它是用来承受外界压力并将其传递给压力芯片的。弹性体的制作包括弹性体钢杯的结构设计与机械加工、去应力热处理、研磨抛光等过程。
▶ 压力传感器的电路部件是电阻膜和引线膜，它们是用来形成惠斯登电桥和连接电气引脚的。电阻膜和引线膜的制作采用离子束溅射淀积技术，在金属弹性体表面制造粘附力强、膜层均匀、致密、性能稳定的多层薄膜，并采用半导体光刻和腐蚀或者离子束刻蚀工艺将其刻蚀成所需图形。
▶ 压力传感器的组装部件是粘片、金丝球焊和膜片焊接，它们是用来将压力芯片、弹性体和电路部件连接成一个完整的传感器单元的。粘片是将压力芯片和烧结基座、绝缘垫和烧结基座粘接在一起；金丝球焊是将芯片的电气引脚与烧结基座的电气引脚连接起来；膜片焊接是将感压膜片和烧结基座焊接在一起。
▶ 压力传感器的后处理部件是充油、密封、压力冲击、老化、补偿测试、调阻和检验等，它们是用来提高传感器的可靠性、稳定性和准确性的。充油是在传感器内部注入油液，以保护压力芯片和提高灵敏度；密封是在传感器外部加上保护罩或胶水，以防止外界环境对传感器造成干扰；压力冲击是对传感器施加高低交变压力，以消除残余应力；老化是对传感器进行长时间稳定工作，以消除初始漂移；补偿测试是对传感器进行温度、线性、灵敏度等方面的测试，以确定其性能参数；调阻是对传感器的电阻进行微调，以达到最佳的输出电压；检验是对传感器进行最终的质量检查，以确保其符合标准。
传感器的产业链主要受上游材料类型影响。上游材料不同，对应的生产制造工艺也存在明显区别，导致产业链的构成上存在明显差异。由于不同类型传感器的材料和工艺的存在明显区别，传感器厂商往往更倾向于IDM（Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造）的生产经营模式，即自己全面负责产品的设计、生产和测试，对于某些更特殊类型的传感器，甚至上游材料的生产和加工都需要由企业自己完成。
与其他类型的传感器相比，半导体传感器在生产过程中工艺相通点更多，且与传统半导体工艺大量重合，因此也逐渐形成与传统半导体行业类似的产业链，诞生了专门的传感器设计厂商（即Fabless）、晶圆代工厂（即Foundry）和芯片封装厂。
我们将主要关注半导体传感器的产业链，其现在是、在未来可见的数十年内也依然会是最重要的传感器类型。 
表1 | 半导体传感器产业链主要构成
（来源：信熹资本整理）
以下主要分析MEMS半导体传感器产业链的核心环节。
1、 上游：材料
与芯片类似，MEMS传感器的基础材料是Si晶圆。一些特殊应用会使用玻璃、高分子聚合物、金属等，二氧化钛（TiO2）、二氧化锡（SnO2）和氧化锌（ZnO）等金属氧化物也逐渐成为有吸引力的材料。
另外，MEMS传感器开始更多使用基于Si的SOI晶圆。SOI是Silicon On Insulator的缩写，是指在氧化膜上形成了单晶硅层的硅晶圆。在MEMS中可以使用氧化膜层作为硅蚀刻的阻挡层，因此能够形成复杂的三维立体结构，实现对应的功能。 
图2 | SOI晶圆示意图
（来源：网络公开资料）
2、上游：设计及仿真软件 MEMS传感器的设计是多层次和跨领域的，存在极高的难度。为了解决这些问题，商业化的设计及仿真软件出现，其显著提升了设计人员的工作效率：（1）有助于设计人员理解微小范围内的力、热、电磁等能量之间的相互作用，方便在虚拟设计阶段优化MEMS结构和工艺，减少试制和测试成本；（2）使用成熟pdk（工艺设计套件）和工艺，缩短设计周期，增强市场竞争力。
MEMS所需要的建模和仿真相应自上向下的设计方法可以分为三个不同的层次。
▶ 工艺模拟：目的是通过建立每一步的物理模型，采用合适的数值算法，模拟出MEMS的拓扑结构；
▶ 器件模拟：工艺模拟得到MEMS器件结构，根据其工作原理，建立相应的方程，通过有限元、边界源和差分方法模拟出MEMS器件的性能；
▶ 宏模型与系统级模拟：系统级模拟要求MEMS器件的模型简单，且能反映器件的材料特性和几何特征。
目前MEMS设计仿真软件基本被海外厂商垄断，主要包括TannerPro，Ansoft HFSS，CoventorWare，ANSYS，IntelliSense等。
图3 | CoventorWare设计流程示意图
（来源：CoventorWare）
3、上游：生产设备
MEMS传感器的生产工艺与半导体工艺类似，因此需要的生产设备也基本相通：
▶ 光刻设备：光刻设备是用于在硅片或其他衬底上形成所需的图案的设备，主要包括光刻机、光掩模、光阻涂布机、曝光机、显影机等。光刻设备的功能是将设计好的传感器结构转换为可见的图形，为后续的刻蚀和沉积工艺提供基础。光刻设备的主要生产厂商有荷兰的阿斯麦（ASML）等。
▶ 刻蚀设备：刻蚀设备是用于去除多余的材料，形成所需的微结构的设备，主要包括湿法刻蚀设备（如酸碱槽）、干法刻蚀设备（如反应离子刻蚀机）、深反应离子刻蚀机（DRIE）等。刻蚀设备的功能是将光刻后的图形转换为实际的三维结构，为传感器提供所需的功能和性能。刻蚀设备的主要生产厂商有美国的泛林半导体（Lam Research）、美国的应用材料（Applied Materials）等。
▶ 沉积设备：沉积设备是用于在硅片或其他衬底上沉积所需的材料，形成所需的层或膜的设备，主要包括物理气相沉积设备（如溅射机）、化学气相沉积设备（如等离子体增强化学气相沉积机）、原子层沉积设备（ALD）等。沉积设备的功能是在传感器结构上添加所需的材料，以提供所需的电学、力学、热学等特性。沉积设备的主要生产厂商包括美国的应用材料（Applied Materials）、美国的泛林半导体（Lam Research）和日本的东京电子（TEL）等。
▶ 封装设备：封装设备是用于将传感器芯片与外部电路连接，并封装在外壳中，以保护传感器免受环境影响的设备，主要包括键合机、焊接机、注塑机、封胶机等。封装设备的功能是将制作好的传感器芯片与外部电路连接，并提供适当的接口和保护措施，以保证传感器正常工作和使用寿命。封装设备的典型供应商包括日本川崎（KAWASAKI）、美国的太平洋科技（ASM Pacific）等。
▶ 测试设备：测试设备是用于对传感器进行功能和性能的测试的设备，主要包括电参数测试仪、力学参数测试仪、温度参数测试仪、环境参数测试仪等。测试设备的功能是对封装好的传感器进行各种参数的测量和校准，以检验其是否符合设计规范和质量标准。测试设备的主要生产厂商有美国的安捷伦（Agilent）、美国的泰克（Tektronix）、日本的安立（Anritsu）等。
4、中游：设计
MEMS传感器的设计一般包括系统级设计、器件级设计和工艺级设计三层。
图4 | MEMS设计流程
（来源：网络公开资料）
▶ 系统级设计面向用户的需求，研究的对象是由MEMS器件与信号提取、信号反馈等相关电子电路组成的微系统，着重研究系统的整体行为特性与性能，承担产品概念设计与设计方案制定等设计任务，为器件级设计提供依据。
图5 | 某种MEMS压力传感器的系统级构成
（来源：纳芯微）
▶ 器件级设计是根据MEMS器件的实体模型来研究其行为特性和物理特性，完成MEMS器件的实体设计、分析和优化，为器件的工艺、版图设计奠定基础，并且从中提取器件的行为模型，进一步进行系统级的行为仿真，以验证设计方案。
图6 | 某种MEMS压力传感器的器件级构成
（来源：网络公开资料）
▶ 工艺级设计主要包括器件的掩模版图设计和工艺流程设计，是MEMS器件加工前的最后一步，其主要任务包括基于实体模型的工艺定义，基于实体的版图生成以及加工工艺仿真。
每一个设计环节都对传感器的最终性能有显著影响。得益于设计仿真软件的成熟以及专业代工模式的发展，设计环节得以有独立存在的可能。
我们定义的传感器厂商，其基础是有设计能力，其他环节则可以交由产业链的其他环节去完成。同一技术路线下不同传感器厂商之间的区别主要在于材料和结构设计的不同，不仅可以通过专利去保护，而且也很难被逆向工程出来，其中存在大量的know-how，每一个细小的环节都会影响到最终的性能表现。
5、中游：加工制造
MEMS传感器的加工工艺可依据材料分为硅基和非硅基两种路线。硅基MEMS加工技术以集成电路加工技术为基础，具有批量化、成本低、集成度高等优势；非硅基加工技术包括LIGA、准LIGA（即X光同步辐射光刻、电铸成型及注塑工艺）和精密加工技术，非硅基加工技术实现的可动微结构能够拥有更大纵向尺寸，但批量能力差、重复性差、加工成本高。
表2 | 主要的MEMS工艺
（来源：果壳硬科技）
随着加工工艺逐渐成熟稳定，专业的半导体代工厂也开始进入MEMS代工方向。这其中既有帮助早期企业进行技术验证的研发线（也可称为中试线，不适合于量产），也有帮助企业进行大规模生产的量产线。量产线中既有台积电、中芯国际的传统半导体代工厂，也有赛微电子等专业从事MEMS传感器代工的厂商。
值得一提的是，大多数半导体传感器只需要成熟的制程即可以完成生产，例如只需要90nm、180nm节点，只需要8寸晶圆，使用更高规格的工艺节点不一定会带来性价比的提升，这与高性能计算芯片存在显著不同。
在高性能计算芯片上，得益于物理层面的优势，5nm、7nm芯片的性价比显著高于28nm，因此也使得光刻机成为摆在制造前面的第一道门槛。而传感器所需的成熟制程对光刻机的精度要求小一个量级，因为其关键点在于微机械结构的搭建，而微机械结构不一定
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