传感器：智能时代的“慧眼”

如果把智能系统比作“人”，那么传感器就是“人”的感觉器官。不同类型的传感器，感知周围环境并把数据传递给系统进行计算，对情况进行实时分析、判断和应对。随着数字化智能化不断深入，各式各样传感器的用武之地大为拓宽，为人类创造美好生活发挥着巨大作用。

一部智能手机里有上百个传感器：有用于摄像的CMOS图像传感器，有用于检查环境明暗的环境光传感器，还有用于导航的地磁传感器、陀螺仪，等等。正是基于这些传感器，手机里的各种应用软件才能流畅工作，手机才能成为集工作、生活、娱乐于一体的便携式智能设备，带来人们生活方式的巨大变化。风云卫星上的可见和红外光电传感器，能够不分昼夜地获取大气信息，精准预测天气，甚至在月球上、火星上都有传感器工作，帮助人类探索宇宙奥秘。

比人的感官更敏锐、更强大

传感器是信息系统的“慧眼”。它就像人类的眼睛、耳朵、皮肤等器官一样，感知周围环境，帮助我们认识多姿多彩的世界。不同之处在于，传感器比人的感官更敏锐、更强大。客观世界所包含的信息多样程度，远远超出我们感官的能力范围。人的眼睛无法观察红外辐射和紫外辐射，耳朵听不见次声波和超声波，对于“不见踪影”却时刻产生影响的磁场也无法感知。这些超出感官范围的信息，传感器都能“感受”到。

随着生产力发展，人类越来越需要全方位地感知世界。1821年，科学家利用材料因温差产生电压的原理，研制出世界上第一个传感器——温度传感器。最初，人们直接利用光、热、电、力、磁等物理效应制备各种传感器，这些传感器尺寸大、灵敏度低、使用不方便。上世纪70年代，出现了将敏感元件与信号电路进行一体化设计的集成传感器，如热电偶传感器、霍尔传感器、光敏传感器等。这类传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，输出模拟信号。上世纪末开始，数字化传感器快速发展，通过“模拟/数字”转换模块，实现数字信号输出。数字化传感器集成智能化处理单元，可以自动采集、处理数据，并能根据环境自动调整工作参数，数码相机中的光敏元件就是其代表产品。

总的来说，传感器的工作原理是某些物质的电学特性会随环境因素变化。例如铂在不同温度下电阻率不同，硅在可见光照射下电阻会减小，石英受到压力后表面会产生电荷，等等。利用电阻与温度的对应关系，可以制成温度传感器，进一步给敏感元件添加隔热结构，依据敏感元件温度变化与红外辐射能量之间的关系，可以制成红外传感器。在此基础上，还可以根据目标温度与红外辐射能量之间的关系，制造出非接触测温传感器。人们熟悉的用来测量体温的额温枪就利用了这一原理。借助丰富的物理和化学效应，人们制备出灵敏度比狗鼻子高1000倍、可以“闻到”气体分子的“电子鼻”，以及可以在黑夜中观察物体的红外相机等种类丰富、功能强大的传感器。

没有传感器就没有数字化、智能化

数字化是对事物属性的量化，并用数字将其表达为抽象结果。借助现代信息技术，人们可以存储、处理、传播各种数字化信息。传感器可以将事物蕴含的各种信息转换成电信号，并利用数模转换电路将电信号用数字表达，是数字化的有效工具。当你拿出手机拍照片或视频时，光敏传感器会将接收的光强度信号转换成电信号，再按一定的规则用数字表达、存储，最终形成手机屏幕上的影像。

数字化基于传感器获取信息。数字化系统需要处理的信息量非常庞大，仅靠人工或者传统设备无法获取，凭借传感器则能够实时、高效、精准、快速地获取，于是有了城市大数据、天气大数据、医疗大数据、农业大数据等。利用各类传感器，人们可以召开远程会议、学习网络课程、扫码支付甚至直播带货，由此发展出数字经济业态。数字经济涉及的云计算、物联网、人工智能、5G通信等各类技术，都与传感器息息相关。

没有传感器就没有数字化和智能化。传感器是智能化系统的第一关，它的水平决定了智能化系统及其仪器设备的水平。传感器技术已经成为国际上信息高端器件领域的研究前沿，在人工智能、智慧城市、5G通信、航空航天、生命健康等领域均发挥着不可替代的作用。比如一辆汽车会安装压力、温度、位置、声音、光、电等超过100种传感器，由车载电脑进行处理，帮助驾驶员作出判断。对数据的智能化分析降低了驾驶汽车的难度，让汽车变得更安全、更好开。更进一步，无人驾驶汽车通过传感器实时获取道路信息，一旦发现障碍物，便通过智慧分析及时避让。城市中高楼大厦、桥梁、隧道等建筑，也需要通过视频、温度、压力和烟雾等传感器实时监控安全状况，当数据汇总到一起，智能化系统便会及时分析，凝练出少量关键信息供使用者作出决策。甚至在未来，人类的感官也可以借助传感器变得更加强大，构建起智能化系统。

智能传感器开拓新应用场景

当前，各类传感器都处在进一步提升性能、降低成本，向数字化、智能化、小型化微型化、绿色低碳、可穿戴等方向进化，呈现出蓬勃发展态势。其中，智能传感器、柔性传感器、新原理传感器的研发具有代表性意义，有望塑造新的工作生活方式。

发展智能传感器是重要趋势。借助智能传感技术，人们设计制造出具备获取、存储、分析信息功能的各种传感单元及微系统，实现低成本、高精度信息采集。智能传感器广泛应用在机器人、无人驾驶、智能制造、运动定量监测等方面，还可用于开发无创或微创健康监测器件等。近年来流行的动态血糖仪是个很好的例子。糖尿病患者将柔性传感器无痛置入身体，传感器每5分钟测一次血糖值，并传送到手机应用中。患者可以观察血糖曲线变化，及时通过饮食和运动等方法调节血糖，有的患者甚至由此告别了药物和胰岛素治疗。此外，人们还在研发可降解电子器件，让智能传感器更好助力低碳环保生活。

发展柔性传感器是另一趋势。许多应用场景要求传感器制备在柔性基质材料上，并具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。目前制备柔性传感器的常用传感材料有碳基材料(炭黑、碳纳米管和石墨烯等)、金属纳米材料(金属纳米线、金属纳米颗粒等)、高分子聚合物和蛋白纤维等。例如一种具有可拉伸、抗撕裂和自我修复能力的交联超分子聚合物薄膜电极材料，可用于制造下一代可穿戴和植入式柔性电子器件。将集成多功能的柔性传感器与柔性印制电路结合，可以制成“智能带”，把它穿戴在身体的不同部位，可实时监测与分析生理信息，帮助人们特别是感官退化的群体了解自身健康状况。

新原理传感器也在不断出现。在基础研究领域，新的规律陆续被发现，人们正利用这些科学新认知制备传感器。同时，技术进步也对基础研究提出新要求。在生活中，人们希望提高相机的像素、灵敏度、速度等性能参数；在高速实验中，需要可以记录飞秒尺度信息的条纹相机；在量子通信中，需要灵敏度达到单光子的光电探测器；在空天科技中，需要实现对高速运动物体和冷目标的探测，等等。这就要求科学家们进一步探索物理世界，发现新现象新规律，提升传感器性能。

随着科技快速发展，新材料新工艺不断投入应用，性能更强、种类更丰富、智能化水平更高的传感器将创造更多工作生活新场景，帮助人们“感受”美好生活。

(作者为中国科学院院士、中国科学院上海技术物理研究所研究员)

推荐读物

《传感器与智能时代》：褚君浩、李波著；上海科技教育出版社出版。

《迎接智能时代：智慧融物大浪潮》：褚君浩、周戟著；上海交通大学出版社出版。

《人工智能时代与人类未来》：基辛格等著；中信出版社出版。

版式设计：沈亦伶《 人民日报 》( 2023年11月28日 19 版)

智能传感器深度报告：未来机器感官的百亿美元市场

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传感器作为信息时代的感知层，是海量数据的接收和传递信息的入口，是万物互联的重要基础。有分析认为，未来几年传感器，特别是MEMS（微电子机械系统）产品，将是半导体市场上最有前景的技术。

近年来，全球传感器市场一直保持快速增长，并收到了很多下游新兴应用的新增需求（消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子）拉动。与此同时，在中国制造2025等政策的号召下，国内智能传感器产业生态圈也在稳步向中高端升级。

本期的智能内参，我们推荐来自广证恒生的智能传感器行业报告，介绍传感器的技术演变、国内细分行业份额，以及四大下游新兴需求点。

以下为智能内参整理呈现的干货：

进击的传感器：智能化 集成化 微型化

*传感器技术的发展历程

传感器的发展历程的可大致分为三代：第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号。第二代是上 70 年代发展起来的固体型传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成。第三代传感器是2000年开始逐渐发展的智能型传感器。

*国内2011年以来传感器行业相关政策

自 2011 年国家推出《物联网“十二五”发展规划》以来，智能传感器产业的发展迎来一波利好。根据中国信通院最新的数据统计，2015年智能传感器就已取代传统传感器成为市场主流（占70%），2016年全球智能传感器市场规模达258亿美元（1710亿人民币），预计2019年将达到378.5亿美元，年均符合增长率13.6%。

此外，美洲地区占据了全球市场的最大份额（2015年占45%，预计该优势将保持到2022年）；亚太地区（中国、日本、韩国、印度、澳大利亚）位居第二（23%），但在汽车和消费电子领域等下游产业的带动下增长最快。

*智能传感器基本原理结构图

智能传感器至今科学界尚无规范化的统一定义，简单概括，智能传感器带有微处理机，具有采集、处理、交换信息的能力，是传感器集成化与微处理机相结合的产物。由于微处理器充分发挥各种软件的功能，可以完成硬件难以完成的任务，从而大大降低了传感器制造的难度，提高传感器的性能，降低成本。

*传感器是物联网的感知层

在当今这个信息化的时代，传感器诸多的应用场景需要更加快速地获得更精准更全面的信息。以物联网为例，传感器位于最关键的感知层，不仅像传统传感器一样作为接收和传递信息的入口，更需要分析、处理、记忆、存储海量数据的这些功能。而智能传感器则可以充分满足这些要求，其具体优势功能包括自补偿与自诊断功能、信息存储与记忆功能、自学习与自适应功能、数字输出功能。

*不同标准下分类的智能传感器

智能传感器的种类繁多，按照实现智能化的方式，可以分为三类：非集成式智能传感器、混合式智能传感器和集成化智能传感器。这三类传感器的技术难度依次增加，集成化的程度越高，传感器智能化的程度就越高。

1、非集成式智能传感器

*非集成化智能传感器原理框图

此类传感器是在传统传感器后经信号处理电路及有数据总线接口的微处理器而构成，集成度较低，技术壁垒低，不适用于微型化产品领域，不属于新型智能传感器。

2、混合式智能传感器

*混合实现智能传感器原理框架图

该方法即根据需求，将系统各集成化环节（敏感元件、信号调理电路、数字总线接口）以不同组合方式集成在不同的芯片上，封装在一个外壳内，是智能传感器的主要种类，被广泛应用。

3、集成化智能传感器

*集成化智能传感器原理框图

即利用微机械加工技术（MEMS）和大规模集成电路（IC）工艺技术，利用硅作为基本材料制作敏感元件、信号调理电路、微处理单元，并将它们集成在一块芯片上。这类传感器具有多功能、一体化、精度高、适宜于大批量生产、体积小和便于使用等优点，是智能传感器继续发展的方向。

MEMS传感器是目前智能化程度最高的传感器。MEMS技术是在传统半导体材料和工艺基础上，微米操作范围内，将在一个硅片基础上将传感器、机械元件、致动器与电子元件结合在一起的技术，是目前前沿微型传感器的主流方案。

*2016全球智能传感器各产品占比（单位：%）

智能传感器产品种类繁多，工艺复杂，没有完全相同的标准。这样的产品特点意味着研发投入过大的话，单一类型产品的产量一旦不能扩大就会导致亏损。全球市场的众多产品中，CMOS图像传感器市占率最高，占据全球近 45%的市场份额，其次是指纹传感器、压力传感器、射频识别传感器，三者市占率均为9%。

行业现状：产业链长 技术壁垒高

根据中国高端芯片联盟和中国信通院发布关于智能传感器的产业地图，产业链具体包括研发、设计、制造、封装、测试、软件、芯片及解决方案、系统/应用这八个环节，各环节的技术壁垒高。

在工艺和技术层面上，智能传感器的设计、制造、封装以及测试这四个关键环节和半导体集成电路行业的对应环节都有许多相似之处，拥有IC经验的企业具有先天优势，纷纷切入传感器领域。智能传感器的设计、制造、封装和测试环节的市场规模还未有详尽的分环节统计，基于二者的产业相似性，智能传感器设计环节市场空间最大，封装环节将成为国内市场空间增长最快的环节。

尽管国内整体技术水准与国外顶尖技术还存在一定的差距，但是切入细分领域较早的技术型公司的自主研发能力经过多年的积累已经可以与国外媲美，培养稳定的客户群，部分产品甚至实现了出口。

*2016年全球MEMS传感器公司营收前三十排行榜

下游新兴应用塑造新爆点

智能传感器的重点下游应用领域分别是消费电子、汽车电子、工业电子和医疗电子，其相应的市占率依次递减。综合市场规模的大小以及增长速度两方面考虑，广证恒生认为发展较快的新兴应用如指纹识别和智能驾驶将成为智能传感器市场成长的主要动力，初步发展的新兴应用如智能机器人和智能医疗器械将

*2016-2019年全球四大应用领域的智能传感器市场规模（单位：百万美元）

消费电子：指纹识别需求扩增

*指纹传感器的主要类型及国际生产商

在消费电子的细分领域中，指纹传感器（包括光学指纹传感器、电容式指纹传感器、热敏式指纹传感器和超声波指纹传感器等）市场规模增长速度最快。根据中国信通院的数据，预计2016年-2019年的年均复合增长率达到14.84%，国内市场规模2017年将超31亿元，全球市场规模2022年有望达到47亿美元。

汽车电子：车载智能提出高要求

*汽车各系统中的常见智能传感器

汽车传感器大多处于非常恶劣的运行环境中，传感器必须要有高稳定、

抗环境干扰和自适应、自补偿调整的能力。同时为了保证电子元器件和模块能实现大规模生产，成本也需要降低。新型智能传感器能从技术和成本上两方面满足上述需求。智能传感器在汽车领域的应用已经非常广泛，如汽车动力系统、安全行驶系统、车身系统。

*无人驾驶汽车上的传感器系统

随着无人驾驶的技术越来越成熟，智能传感器不再局限于传统汽车市场，而走向了智能汽车市场。实现环境感知的传感器有摄像头（长距摄像头、环绕摄像头和立体摄像头）和雷达（超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达）。目前，国内外公司采用两类方案实现无人驾驶：一种是摄像头+毫米波雷达方案（特斯拉公司），另一种是激光雷达方案（谷歌和百度公司）。

*2005年-2030年全球应用ADAS系统的传感器模块市场规模（单位：百万美元 ）

全球智能驾驶汽车中的传感器模块市场规模在2015年达到26亿美元；Yole Development 预测，2017年市场规模将超过50 亿美元，2030年360亿美元。

从传感器的类型来看，超声波传感器、360 度全景摄像头以及前置摄像头将一直是市场主流的传感器，2030年预计市场规模分别达到 120 亿美元、87 亿美元、69 亿美元；雷达从2015年开始应用于无人驾驶领域，技术壁垒较高，未来13年内开始“从零到一”的爆发式增长，到2030年达到129亿美元，其中远距雷达79亿美元，短距雷达50亿美元。

工业电子：机器的崛起

*2015年和2021年无人机和机器人在细分领域中的营收占比（单位： % ）

近几年来，机器人制造技术越来越成熟，商业进程加快，其核心器件智能传感器的市场空间也在不断扩大。根据Yole Development数据，2015年到2021年，机器人市场规模将从270亿美元增长到460亿美元，年均复合增长率9.4%。在所有类型的机器人中，应用于国防、工业、消费领域的机器人种类最多，相应领域营收占比也是最高的三项。

医疗电子：进口替代空间大

*2008年-2016年全国医疗器械市场规模（单位：亿元 ）

在医疗器械行业带动下，智能传感器的需求将会扩大。按照应用形式分类，医疗传感器可分为四类：植入式传感器、体外传感器、暂时植入体腔式传感器、用于外部设备的传感器。根据市场研究公司 Grand View Research 一份新的数据分析报告，2015年全球医疗传感器市场规模达到了 98 亿美元，预计到 2024 年市场规模可增至185亿美元。现在，我国在此领域的布局很少，大部分依赖进口，处于起步阶段，但是未来随着技术不断成熟，市场将迎来爆发式增长。

智东西认为 ，智能传感器是技术演进的结果，同时满足了万物互联对感知层提出的要求，预计将随着智能消费电子设备、（工业）物联网、车联网/自动驾驶、智慧城市、智能医疗等新兴理念迎来快速增长。从行业的角度来看，智能传感器的技术壁垒较高，细分环节多而分散，是有利于国内中小企业发展的，加上半导体、集成电路相关的利好政策频频推出加速产研结合，资金充足的条件下，暂时落后的智能传感器自主产业有望崛起，进行中高端升级，把握新兴应用市场。

附：智能传感器产业链八大环节的代表机构及公司

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