半导体传感器什么样（半导体系列13-半导体行业研究）

导语--前面我们用了十二篇文章游览了半导体的大部分基础知识和分类研究。本篇文章我们将介绍半导体的最后一块内容-传感器，与上篇文章一样，我们试图厘清几个比较容易混淆的概念，让我们一起开始吧。

传感器是能敏锐的感知物理、化学、生物信息并将它们转化为电信息的电子元件，主要应用于工控、遥测、家电等领域，市场份额约占半导体总市场份额的3%。传感器元件的组成有敏感元件、转换元件和变换电路。敏感元件直接接触外界进行测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号；转换元件的作用是将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制；转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电。

在一个系统中，传感器是将目标物信息收集、转换、输出的关键部件，核心价值在于在信息处理过程中获取或拟合出准确可靠的信息数据，为后续数据处理奠定基础，以人体的信息处理为例，传感器可以类比为人的五官。

传感器的分类极其复杂，网络上大部分文章都没有给一个明晰的介绍，因此常常出现一些互相矛盾的数字， 在此我们想先对这些不明确的地方做一个说明，而后再继续介绍传感器的分类。

1. 互相矛盾的地方是，我们经常看到在介绍半导体行业研究的文章中说到根据WSTS分类，传感器行业的全球市场规模在2020年约150亿美元，而在介绍传感器的文章中又说根据赛迪顾问数据，全球传感器的市场规模在2020年达1606.3亿美元，智能传感器市场规模达到358.1亿美元，占总体规模的22.3%。数据为何差异如此之大？主要的原因在于介绍半导体的文章中提到的传感器是半导体传感器，它只是传感器的一个重要分类，如力敏传感器很多应用压电材料的原理，气体传感器按照技术原理的不同可以划分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器等。另一个原因就是CIS的分类归属，它虽然也属于半导体传感器的范畴，但我们在上一篇文章《半导体系列9-一文读懂光电器件》中提到WSTS特别将CIS划分到光电器件，因此实际上统计半导体传感器规模时一般不包括CIS。

2. 比较凌乱的地方是，由于传感器的分类方式众多，很多文章或是混合介绍、或是仅介绍一部分，久而久之造成了认识上的混乱。如MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统）传感器、激光雷达等，这两个就是在两种不同的分类方式下的名称，MEMS指的是制造技术或者说按传感器的构成给出的细分品类，如下图组合型传感器其实就是MEMS传感器，激光雷达则是按照原理划分的。事实上激光雷达根据结构就可分为机械式激光雷达、混合固态激光雷达和固态激光雷达，其中混合固态就是MEMS。

3. 传感器分类如此繁多，可以按用途、按原理、按测量目（指被测量物质的特性）、按作用形式（指是否主动发探测信号）、按输出信号等划分，如果每一个都过一遍篇幅显然是太过冗长，既浪费精力，又容易使读者厌倦，并且大部分传感器的细分分类仅从名称就能知道其用途，未来有机会我们讲产业链时也可以着重介绍。因此本篇介绍仅从原理和构成的角度进行大致介绍，这是因为知道了原理对传感器才会了解的更深刻，知道了构成也能找到传感器的发展脉络。除了这两个角度以外，我们也会补充按用途分类中比较重要的指纹识别传感器。本篇文章不局限于半导体传感器，因为把传感器作为一个整体介绍显然更有意义，让我们继续吧。

按照工作原理，传感器可以划分为：

1. 振动传感器，原理主要是将机械量接收下来，经过内部的压电陶瓷片加弹簧重锤构造感受机械运动振动的参量(如振动速度、频率、加速度等)，并转换为与之成比例的电量。振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械振动信号，最后由机电变换部分再将变换为电量。因此一个传感器的工作性能是由机械接收部分和机电变换部分的工作性能来决定的。振动传感器的品种丰厚，依照工作原理的不同，能分为电涡流式振动传感器、电感式振动传感器、电容式振动传感器、压电式振动传感器和电阻应变式振动传感器等。

2. 温敏传感器，或者称温度传感器，指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。接触式测温传感器有：热膨胀式温度传感器，热电势温度传感器，PN结温度传感器，集成温度传感器等。非接触式测温传感器有：光学高温传感器，热辐射式温度传感器等。

3. 磁敏传感器，是将磁场信息转换成各种有用信号的装置。它是各种测磁仪器的核心。为了检测并利用磁砀，人们研制了各种测磁仪器。到目前为止，已形成了十多种常用的测磁方法，研制和生产出了几十个大类上百种测磁仪器。磁敏传感器按结构主要分为体型和结型两大类。前者的代表有霍尔传感器、半导体磁阻传感器（又称MR元件），后者的代表有磁敏二极管、磁敏晶体管等。他们都是利用半导体材料内部的载流子随磁场改变运动方向这一特性而制成的一种磁传感器。另外还有利用电磁感应原理制成的磁电式传感器。

4. 气敏传感器，又称气体传感器，用来检测气体浓度和成分的传感器。气敏传感器在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。气敏传感器按照技术原理的不同可以划分为半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、催化燃烧气体传感器、电化学气体传感器、光学气体传感器等。

5. 雷达传感器，通过无线电的发射，并对收到回波进行信息判断，发现目标并测定它们的空间位置，也被称为“无线电定位”。随着雷达技术的发展，雷达已不仅仅可以测量目标的距离、方位和仰角，还可以测量出目标的速度，以及从目标回波中获取更多有关目标的信息。雷达根据不同的分类方法（如雷达信号形式、角跟踪方式、目标测量参数、技术和信号处理方式、天线扫描方式、雷达频段等），也存在多种雷达，常见的按雷达频段可分为超视距雷达、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达等，根据结构，激光雷达又可分为机械式激光雷达、混合固态激光雷达和固态激光雷达，以后有机会我们将详细介绍。虽然种类繁多，但雷达的结构相对统一，包括：发射装备、接收装备、处理装备，完成整个雷达的工作过程。

6. 真空传感器，是工业实践中常用的一种压力传感器，工作原理是介质的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。

7. 生物传感器，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的传感器，它与物理/化学传感器的主要区别在于生物传感器的识别元件是生物物质或者是仿生物物质。生物传感器可以按生物敏感元件来分类：以抗体为识别单元的可称为免疫传感器（Immunosensor）；以酶为识别单元的可称为酶传感器（Enzyme biosensors），如血糖测试条；以核酸作为生物识别物质的则称为核酸传感器（Nucleic Acid-based Biosensors）。

按照工作原理，传感器可以划分为：

1. 基本型传感器，也称结构性传感器，是第一代传感器，主导应用时段在1950年~1970年间。结构性传感器是一种最基本的单个变换装置，利用结构参量对信号进行识别和转换如电阻式传感器体重秤：通过体重导致金属发生形状变化，形状的不同会引起电阻和电流的变化，这样指针或者数字就会产生相应的变化。

2. 组合型传感器，也称固态传感器，第二代传感器，主导时段在1970年~2000年期间。固态传感器利用特殊材料的特性进行信号识别和转换如半导体、磁性材料传感器等：利用材料的特性制成相应的声学、力学、光学传感器等。集成传感器的作用就是一次实现上述单个传感器可以实现的功能。

3. 应用型传感器，也称智能传感器，第三代传感器，主导时段为2000年至今。智能传感器是微型计算机技术与检测技术相结合的产物，使传感器具有人工智能的特性集成传感器是硬件性能的巅峰时代，智能传感器则是将硬件传感器和软件技术结合。

如上所说，MEMS传感器是用制造技术命名的，智能传感器着重强调传感器信息处理的“智能化”，因此MEMS传感器也可以是智能传感器（即有些智能传感器利用MEMS制造技术生产）。国内的MEMS传感器厂家就包括歌尔股份、汉威科技等。

此外，我们再简单介绍一下指纹识别传感器。它是利用传感器、图像处理、模式识别技术自动识别两个指纹是否一致的传感器。指纹识别系统主要有三个模块，分别为指纹采集模块、特征提取模块和匹配模块。首先由传感器得到指纹图像，然后从图像中提取一些显著的特征（这些特征比较适合做识别任务），最后对指纹特征进行匹配得出匹配分数。指纹采集器作为第一个模块，显然对于整个系统至关重要。根据识别原理，指纹识别传感器包括电容式、光学式、超声波式等。国内的汇顶科技就是指纹识别传感器的头部玩家。

至此，我们已经完成了半导体所有四个大的细分行业的介绍，十三篇文章是一个漫长的旅途，但我们坚持并完成了它。悲观者总是正确，但胜利最终属于乐观者，坚持，就能看到曙光，祝我们的半导体产业前途顺利。

第一次写作系列文章，有诸多不足，请大家多多包涵。下周我们将开始新的学习之旅。