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。

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。

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。