万字详解传感器产业链

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

此外文中部分突出观点有：

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；传感器开始从曾经的纯模拟工作方式转向数字传输方式；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；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；当半导体传感器厂商发展到较大规模后，一般会倾向于自建部分产能，形成“核心产品依靠IDM，边缘产品或产能调节依靠代工厂”的生产模式，既可以降低生产成本，又可以加固技术壁垒。；对知识产权的保护力度不足，导致消费电子传感器厂商普遍毛利较低，且容易到市场瓶颈；消费电子传感器的主要机会在于还未被市场验证、具有显著创新性的传感器……

晶圆级测试对传感器厂商来说实现难度较高，或者投入较大，一般可以交给代工厂完成。不过封装后的标定和测试一般由传感器厂商自己完成，这是由于传感器厂商对传感器的各种性能表现和调教有更深刻的理解，甚至很多厂商会自己开发专门的测试设备，以进一步提高测试效率。

消费电子传感器的主要机会在于还未被市场验证、具有显著创新性的传感器，在开发阶段便和下游厂商共同合作，建立起深入的关系绑定和显著的技术壁垒，并率先实现低成本量产，才能够最大可能避免后续的恶性竞争。

前文提到，传感器行业细分领域众多且割裂，更容易孵化出小而美的企业。

因此对于选择传感器赛道布局的投资者来说，其不得不面对一个问题：如何选择其中最具投资价值的赛道，在有限的精力下实现最高的效率？

我们认为，围绕以下三条主线进行梳理，基本能够覆盖当下传感器行业最具价值的投资赛道。

1.从电磁波图谱看传感器

电磁波是由变化的电场和磁场相互感生而产生的波，它们可以在真空或介质中以光速传播。电磁波的频率和波长是反比关系，即频率越高，波长越短。

电磁波主要被用于信号和能量的传输，其频率和波长决定了它们的物理性质和应用领域。根据不同的频率或波长，电磁波可以分为以下几个主要的频段：

图1 | 电磁波图谱

（来源：网络公开资料）

▶ 无线电波：频率从3Hz到3000GHz，波长从100km到0.1mm。无线电波主要用于各种无线通信和广播应用，如收音机、电视、手机、卫星、雷达等。无线电波又可以细分为以下几个子频段：

• 长波（LF）：频率从3kHz到30kHz，波长从100km到10km。长波可以沿着地球表面传播（地波），适用于远距离通信，如海洋导航、潜艇通信等。

• 中波（MF）：频率从30kHz到300kHz，波长从10km到1km。中波也可以沿着地球表面传播（地波），适用于中距离通信，如调幅广播（AM）、航空导航等。

• 短波（HF）：频率从3MHz到30MHz，波长从100m到10m。短波可以被大气层中的电离层反射回地面（天波），适用于长距离通信，如国际广播、业余无线电、军事通信等。

• 超短波（VHF）：频率从30MHz到300MHz，波长从10m到1m。超短波主要沿着直线传播（视距传播），适用于近距离通信，如调频广播（FM）、数字电视、移动电话等。

• 微波（UHF）：频率从300MHz到300GHz，波长从1m到1mm。微波也主要沿着直线传播（视距传播），适用于高速数据传输和高清图像传输，如雷达、卫星通信、GPS、Wi-Fi、蓝牙、5G等。

▶ 红外线：频率从300GHz到400THz，波长从1mm到750nm。红外线是由物体发出的热辐射，适用于热成像、遥控、夜视、光纤通信等。

▶ 可见光：频率从400THz到750THz，波长从750nm到400nm。可见光是人眼能够感知的电磁辐射，适用于光学仪器、激光、太阳能等。

▶ 紫外线：频率从750THz到30PHz，波长从400nm到10nm。紫外线是由太阳或其他高温物体发出的高能辐射，适用于杀菌消毒、荧光检测、紫外光谱等。

▶ X射线：频率从30PHz到30EHz，波长从10nm到0.01nm。X射线是由高速电子与物质相互作用产生的高能辐射，适用于医学诊断、工业检测、安检等。

▶ 伽马射线：频率高于30EHz，波长小于0.01nm。伽马射线是由原子核衰变或核反应产生的最高能的电磁辐射，适用于医学治疗、核能利用、天文观测等。

电磁波在实际应用时离不开传感器，只有依赖于传感器，电磁波信号才能被转化成人类可以理解的信息。与电磁波相关的传感器占据了整个传感器市场的半壁江山，这其中主要是光电传感器和微波探测传感器。

    1) 光电传感器

光电传感器是传感器中单一市场规模最大的细分方向，接收红外线、可见光、紫外线、X射线的探测器均可以统一划分至这个方向，整体市场规模在千亿元量级，这也是其受到关注的主要原因。其中主要包括：

▶ 红外探测器，主要的应用场景包括热成像、光通信、激光雷达等。

▶ 可见光探测器，即图像传感器，最主要的应用场景是各类可见光成像，广泛应用于摄影摄像、监控安防、机器视觉等。

▶ 紫外线及X射线探测器，主要应用于各种医疗和工业场景。

    2) 微波探测传感器

严格意义上的微波探测传感器是指微波雷达，即通过发射微波信号并接收反射信号进行探测的传感器，常见的包括有军工探测雷达、气象雷达、车载毫米波雷达、路测感知雷达、智能家居感知雷达等。宽泛意义上的微波探测传感器也可以包括各类微波通信模组，微波通信本质上就是发射/接收微波信号并将其转换成信息的过程，因此包括于5G、WiFi、卫星通信等等均可以计入其中。

微波探测传感器的投资机会可以覆盖整个产业链，包括前端射频天线、射频芯片器件、基带芯片、整机系统、测试设备、设计及仿真软件等。从细分市场来看，传统通信的市场机会已经不大，未来更多机会在于民用雷达、小基站、卫星通信市场。

    3) 投资方向思考

值得关注的具体方向可以用以下三个关键词来总结：

表1 | 主要关注方向

（来源：信熹资本整理）

2. 从MEMS工艺看传感器

    1) MEMS传感器简介

MEMS传感器是指采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器，其全称是微型电子机械系统（Micro-Electro Mechanical System），微机电系统是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等集成于一块或多块芯片上的微型器件或系统。

从理论上说，MEMS只是一种传感器的工艺实现方式，多数类型的传统传感器通过专门的结构设计，实现MEMS化。

MEMS传感器一般具有以下特点：

▶ 微型化：MEMS传感器的尺寸在1微米到100微米量级，可以大大节省空间和材料，提高灵敏度和响应速度。

▶ 集成化：MEMS传感器可以将多种功能集成在同一芯片上，实现多参数检测和智能控制，提高系统性能和可靠性。

▶ 智能化：MEMS传感器可以实现自校准、自诊断、自适应等功能，提高系统的智能水平和用户体验。

▶ 成本低：MEMS传感器可以利用成熟的半导体工艺进行批量生产，降低生产成本和单价，提高市场竞争力。

▶ 效能高：MEMS传感器可以实现高精度、高稳定性、高分辨率、低功耗、低噪声等优良性能，满足各种应用需求。

根据统计，MEMS传感器的全球市场规模预计会从2020年的90亿美元提升至2026年的128亿美元，年均复合增长率为6.1%。对应的，国内市场规模约占全球市场的30%-40%，当前对应约从250亿元增长到约400亿元人民币。如果考虑到模组的价值，那这一数字将超过千亿元人民币。

    2) 投资方向思考

随着国内厂商技术的进步，“国产替代”的趋势日益明显，中低端传感器的国产化率逐渐提升，MEMS传感器的投资机会也在发生转变。

第一，关注竞争格局尚不确定的细分行业，本质上还是关注于“国产替代”。当细分行业已经孵化出龙头公司后，业内其他公司的存活将更加艰难，龙头公司在技术、资金和客户关系的同时加持下，横向扩展和纵向扩展均具有显著优势。举例来看，近年来中美贸易战带来的“国产替代”的逻辑已经助力数家国内厂商发展起来，尤其是在技术壁垒较低的细分方向上，国内企业的竞争已经十分拥挤，“国产替代”的红利已经消亡。国内头部公司开始显现，例如MEMS麦克风（以歌尔微电子和敏芯微电子为代表）、MEMS加速度计（以矽睿科技、美泰电子为代表），其他创业公司的发展只能依靠于“替代国产”，但事实往往是各家之间的技术并无明显差别，竞争方式只能是不可持续的价格竞争。

因此关注技术壁垒较高、目前国内尚无明显龙头公司的细分行业，是更有性价比的选择，“国产替代”的红利在这些领域中依然存在，例如量产难度极高的陀螺仪、对可靠性要求极高的各类车规级MEMS传感器、高精度压力传感器等等。

第二，关注传统传感器的MEMS进程，即随着技术进步，该类传感器可以通过MEMS工艺实现，例如MEMS气体传感器取代传统陶瓷气体传感器，MEMS微透镜取代传统光学镜头，PMUT/CMUT（超声换能器）取代传统超声传感器，MEMS光谱调制取代传统分光光谱成像系统等。这些传感器的MEMS化带来的主要好处便是成本的降低和体积的减小，其进一步带来的好处包括能够使其可应用领域扩大而带来市场规模的提升，例如之前单颗传感器的售价为数千元元，只有高端工业需求才能够负担得起；当其价格降低到数十元甚至更低，中低端工业需求和消费级需求将开始尝试应用。其次，从单一传感器走向阵列传感器成为可能，传感单元呈现出指数级上升，同等价格下可以实现更高的性能，例如MEMS光谱成像相对于传统分光光谱成像，在同体积和价格下可以翻倍提升，再例如MEMS气体传感器阵列可以实现“电子鼻”功能，单一传感器可以对多种气体同时进行识别，极大增加了使用的便利程度。这都有望颠覆现有的应用场景，开辟出新的需求。

相较于上一条的“国产替代”，那这一条则是关注于“全球创新”。当前这些领域正处于日新月异的发展过程中，技术路线百花齐放，甚至未来能够广泛应用的技术路线目前仍处在实验室的襁褓之中，当下正是早期布局的时机。诚然投资的风险会更高，但是也更有希望孵化出一家影响人类文明进程的全球性的技术公司。

3. 传感器的智能化

随着下游应用要求越来越高，单依靠于传感器的传统功能已经无法满足各种应用的需求，传感技术开始向智能化发展，即传感器的智能化。目前主要表现出两种技术路径：

▶ 一是在传统传感器功能的基础上，增加更多记忆能力和智能算法，或者又可以被称为“感存算一体”，例如语音识别、图像识别、自然语言处理等技术，将信息进一步提升到可认知的层次，如记忆、理解、规划、决策等；

▶ 二是多传感器数据融合，既可以是多个同类型传感器的数据融合，也可以是多个不同种类的传感器的数据融合，通过将更多数据融合到一起进行计算处理，更有利于发挥智能算法的计算能力，提升系统的认知力。

     1) 单传感智能化

单传感智能化是指在传统的传感器基础上，增加了信号处理、数据转换、通信接口、微处理器等功能模块，使得传感器具有更高的精度、可靠性、自适应性、性价比和功能多样性。

这一理念和几年前火热的“边缘计算”、“感存算一体”概念不谋而合。虽然单传感的智能化可以在中央处理器中实现，但是这会对中央处理器的处理能力带来较大压力，因此传感端开始集成更多定制化的功能实现，以通过增加部分前端成本的代价，提升数据处理效率、降低系统级功耗和成本。

当前比较典型的单传感智能化便是事件相机，传统图像传感器的输出结果是按照预定逻辑的不断数据读出的结果，事件相机则致力于仅输出图像的变化结果，实现保证同等数据信息条件下降低数据传输压力，进一步地，甚至可以输出动作识别等结果，避免使用中央处理器进行视觉处理。

单传感的智能化，不仅需要技术人员对传感器输出数据的逻辑有深刻的认知，同时需要硬件设计能力配合实现，这便是技术壁垒所在。随着市场需求的变化，我们认为各类传感器都将走向智能化，创业公司也将有望利用此机会在部分市场颠覆传统巨头。

    2) 多传感融合

多传感器数据融合是20世纪80年代诞生的信息处理技术，主要解决多传感器信息处理问题，多传感器数据融合研究如何充分发挥各个传感器的特点，把分布在不同位置的多个同类或不同类型传感器所提供的局部、不完整的观察信息加以综合，利用其互补性、冗余性，克服单个传感器的不确定性和局限性，提高整个传感器系统的有效性能，以形成对系统环境相对完整一致的感知描述，提高测量信息的精度和可靠性，从而提高智能识别系统识别、判断、决策、规划、反应的快速性和准确性，同时也降低其决策风险。

多传感融合是必然趋势，尤其是近年来关于自动驾驶传感技术的争论日益激烈，但是多传感融合基本已经成为公式。行业目前对此依然处于探索阶段，可实现的技术路径多样，既包括前端原始数据软融合，也包括后端结果软融合，甚至也有前端硬件直接融合的方式。但是各种技术路径目前各有优劣，有分别适合的应用场景，且均不够成熟，依然需要对各技术路径的发展阶段保持持续关注。正是由于技术路线众多，潜在应用市场广泛，且行业巨头之前在该领域积累也有限，未来大概率将出现优秀的创业公司。

中国的传感器事业正加速步入发展的黄金时代，这背后离不开两大因素的推动：第一，出于供应链安全的考虑，下游用户对国产传感器的接受度明显提高，甚至某些用户已经对国产化率提出要求；第二，智能感知正处于快速发展的过程中，对传感器的需求量明显提升，同时新型传感器的应用机会也在扩大。

如果说投资于“国产替代”是布局当下，那么投资于“智能感知”则是押注未来。成熟技术的追赶固然重要，但是前沿技术产业化的潜在价值更高，但必然也要承担更高的风险。好在我们已经看到，即使风险更高，越来越多中国的创业者和投资者愿意拥抱新技术，建立新生态，这将有望孵化出属于中国的国际传感器巨头。