導(dǎo)語(yǔ)--前面我們用了十二篇文章游覽了半導(dǎo)體的大部分基礎(chǔ)知識(shí)和分類研究。本篇文章我們將介紹半導(dǎo)體的最后一塊內(nèi)容-傳感器，與上篇文章一樣，我們?cè)噲D厘清幾個(gè)比較容易混淆的概念，讓我們一起開始吧。

傳感器是能敏銳的感知物理、化學(xué)、生物信息并將它們轉(zhuǎn)化為電信息的電子元件，主要應(yīng)用于工控、遙測(cè)、家電等領(lǐng)域，市場(chǎng)份額約占半導(dǎo)體總市場(chǎng)份額的3%。傳感器元件的組成有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和變換電路。敏感元件直接接觸外界進(jìn)行測(cè)量，并輸出與被測(cè)量有確定關(guān)系的物理量信號(hào)；轉(zhuǎn)換元件的作用是將敏感元件輸出的物理量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；變換電路負(fù)責(zé)對(duì)轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)制；轉(zhuǎn)換元件和變換電路一般還需要輔助電源供電。

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在一個(gè)系統(tǒng)中，傳感器是將目標(biāo)物信息收集、轉(zhuǎn)換、輸出的關(guān)鍵部件，核心價(jià)值在于在信息處理過(guò)程中獲取或擬合出準(zhǔn)確可靠的信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)，以人體的信息處理為例，傳感器可以類比為人的五官。

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傳感器的分類極其復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)上大部分文章都沒(méi)有給一個(gè)明晰的介紹，因此常常出現(xiàn)一些互相矛盾的數(shù)字， ???在此我們想先對(duì)這些不明確的地方做一個(gè)說(shuō)明，而后再繼續(xù)介紹傳感器的分類。

1.?互相矛盾的地方是，我們經(jīng)?？吹皆诮榻B半導(dǎo)體行業(yè)研究的文章中說(shuō)到根據(jù)WSTS分類，傳感器行業(yè)的全球市場(chǎng)規(guī)模在2020年約150億美元，而在介紹傳感器的文章中又說(shuō)根據(jù)賽迪顧問(wèn)數(shù)據(jù)，全球傳感器的市場(chǎng)規(guī)模在2020年達(dá)1606.3億美元，智能傳感器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到358.1億美元，占總體規(guī)模的22.3%。數(shù)據(jù)為何差異如此之大？主要的原因在于介紹半導(dǎo)體的文章中提到的傳感器是半導(dǎo)體傳感器，它只是傳感器的一個(gè)重要分類，如力敏傳感器很多應(yīng)用壓電材料的原理，氣體傳感器按照技術(shù)原理的不同可以劃分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器等。另一個(gè)原因就是CIS的分類歸屬，它雖然也屬于半導(dǎo)體傳感器的范疇，但我們?cè)谏弦黄恼隆栋雽?dǎo)體系列9-一文讀懂光電器件》中提到WSTS特別將CIS劃分到光電器件，因此實(shí)際上統(tǒng)計(jì)半導(dǎo)體傳感器規(guī)模時(shí)一般不包括CIS。

2.?比較凌亂的地方是，由于傳感器的分類方式眾多，很多文章或是混合介紹、或是僅介紹一部分，久而久之造成了認(rèn)識(shí)上的混亂。如MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器、激光雷達(dá)等，這兩個(gè)就是在兩種不同的分類方式下的名稱，MEMS指的是制造技術(shù)或者說(shuō)按傳感器的構(gòu)成給出的細(xì)分品類，如下圖組合型傳感器其實(shí)就是MEMS傳感器，激光雷達(dá)則是按照原理劃分的。事實(shí)上激光雷達(dá)根據(jù)結(jié)構(gòu)就可分為機(jī)械式激光雷達(dá)、混合固態(tài)激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)，其中混合固態(tài)就是MEMS。

3.?傳感器分類如此繁多，可以按用途、按原理、按測(cè)量目（指被測(cè)量物質(zhì)的特性）、按作用形式（指是否主動(dòng)發(fā)探測(cè)信號(hào)）、按輸出信號(hào)等劃分，如果每一個(gè)都過(guò)一遍篇幅顯然是太過(guò)冗長(zhǎng)，既浪費(fèi)精力，又容易使讀者厭倦，并且大部分傳感器的細(xì)分分類僅從名稱就能知道其用途，未來(lái)有機(jī)會(huì)我們講產(chǎn)業(yè)鏈時(shí)也可以著重介紹。因此本篇介紹僅從原理和構(gòu)成的角度進(jìn)行大致介紹，這是因?yàn)橹懒嗽韺?duì)傳感器才會(huì)了解的更深刻，知道了構(gòu)成也能找到傳感器的發(fā)展脈絡(luò)。除了這兩個(gè)角度以外，我們也會(huì)補(bǔ)充按用途分類中比較重要的指紋識(shí)別傳感器。本篇文章不局限于半導(dǎo)體傳感器，因?yàn)榘褌鞲衅髯鳛橐粋€(gè)整體介紹顯然更有意義，讓我們繼續(xù)吧。

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按照工作原理，傳感器可以劃分為：

1.?振動(dòng)傳感器，原理主要是將機(jī)械量接收下來(lái)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的壓電陶瓷片加彈簧重錘構(gòu)造感受機(jī)械運(yùn)動(dòng)振動(dòng)的參量(如振動(dòng)速度、頻率、加速度等)，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是將原始要測(cè)的機(jī)械量做為振動(dòng)傳感器的輸入量，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，最后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來(lái)決定的。振動(dòng)傳感器的品種豐厚，依照工作原理的不同，能分為電渦流式振動(dòng)傳感器、電感式振動(dòng)傳感器、電容式振動(dòng)傳感器、壓電式振動(dòng)傳感器和電阻應(yīng)變式振動(dòng)傳感器等。

2.?溫敏傳感器，或者稱溫度傳感器，指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。溫度傳感器是溫度測(cè)量?jī)x表的核心部分，品種繁多。按測(cè)量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類。接觸式測(cè)溫傳感器有：熱膨脹式溫度傳感器，熱電勢(shì)溫度傳感器，PN結(jié)溫度傳感器，集成溫度傳感器等。非接觸式測(cè)溫傳感器有：光學(xué)高溫傳感器，熱輻射式溫度傳感器等。

3.?磁敏傳感器，是將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換成各種有用信號(hào)的裝置。它是各種測(cè)磁儀器的核心。為了檢測(cè)并利用磁碭，人們研制了各種測(cè)磁儀器。到目前為止，已形成了十多種常用的測(cè)磁方法，研制和生產(chǎn)出了幾十個(gè)大類上百種測(cè)磁儀器。磁敏傳感器按結(jié)構(gòu)主要分為體型和結(jié)型兩大類。前者的代表有霍爾傳感器、半導(dǎo)體磁阻傳感器（又稱MR元件），后者的代表有磁敏二極管、磁敏晶體管等。他們都是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)部的載流子隨磁場(chǎng)改變運(yùn)動(dòng)方向這一特性而制成的一種磁傳感器。另外還有利用電磁感應(yīng)原理制成的磁電式傳感器。

4.?氣敏傳感器，又稱氣體傳感器，用來(lái)檢測(cè)氣體濃度和成分的傳感器。氣敏傳感器在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以獲得準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化值。氣敏傳感器按照技術(shù)原理的不同可以劃分為半導(dǎo)體氣體傳感器、固體電解質(zhì)氣體傳感器、催化燃燒氣體傳感器、電化學(xué)氣體傳感器、光學(xué)氣體傳感器等。

5.?雷達(dá)傳感器，通過(guò)無(wú)線電的發(fā)射，并對(duì)收到回波進(jìn)行信息判斷，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定它們的空間位置，也被稱為“無(wú)線電定位”。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)已不僅僅可以測(cè)量目標(biāo)的距離、方位和仰角，還可以測(cè)量出目標(biāo)的速度，以及從目標(biāo)回波中獲取更多有關(guān)目標(biāo)的信息。雷達(dá)根據(jù)不同的分類方法（如雷達(dá)信號(hào)形式、角跟蹤方式、目標(biāo)測(cè)量參數(shù)、技術(shù)和信號(hào)處理方式、天線掃描方式、雷達(dá)頻段等），也存在多種雷達(dá)，常見的按雷達(dá)頻段可分為超視距雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等，根據(jù)結(jié)構(gòu)，激光雷達(dá)又可分為機(jī)械式激光雷達(dá)、混合固態(tài)激光雷達(dá)和固態(tài)激光雷達(dá)，以后有機(jī)會(huì)我們將詳細(xì)介紹。雖然種類繁多，但雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)統(tǒng)一，包括：發(fā)射裝備、接收裝備、處理裝備，完成整個(gè)雷達(dá)的工作過(guò)程。

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6.?真空傳感器，是工業(yè)實(shí)踐中常用的一種壓力傳感器，工作原理是介質(zhì)的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，和用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

7.?生物傳感器，是一種對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的傳感器，它與物理/化學(xué)傳感器的主要區(qū)別在于生物傳感器的識(shí)別元件是生物物質(zhì)或者是仿生物物質(zhì)。生物傳感器可以按生物敏感元件來(lái)分類：以抗體為識(shí)別單元的可稱為免疫傳感器（Immunosensor）；以酶為識(shí)別單元的可稱為酶?jìng)鞲衅鳎‥nzyme biosensors），如血糖測(cè)試條；以核酸作為生物識(shí)別物質(zhì)的則稱為核酸傳感器（Nucleic Acid-based Biosensors）。

按照工作原理，傳感器可以劃分為：

1.?基本型傳感器，也稱結(jié)構(gòu)性傳感器，是第一代傳感器，主導(dǎo)應(yīng)用時(shí)段在1950年~1970年間。結(jié)構(gòu)性傳感器是一種最基本的單個(gè)變換裝置，利用結(jié)構(gòu)參量對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和轉(zhuǎn)換如電阻式傳感器體重秤：通過(guò)體重導(dǎo)致金屬發(fā)生形狀變化，形狀的不同會(huì)引起電阻和電流的變化，這樣指針或者數(shù)字就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

2.?組合型傳感器，也稱固態(tài)傳感器，第二代傳感器，主導(dǎo)時(shí)段在1970年~2000年期間。固態(tài)傳感器利用特殊材料的特性進(jìn)行信號(hào)識(shí)別和轉(zhuǎn)換如半導(dǎo)體、磁性材料傳感器等：利用材料的特性制成相應(yīng)的聲學(xué)、力學(xué)、光學(xué)傳感器等。集成傳感器的作用就是一次實(shí)現(xiàn)上述單個(gè)傳感器可以實(shí)現(xiàn)的功能。

3.?應(yīng)用型傳感器，也稱智能傳感器，第三代傳感器，主導(dǎo)時(shí)段為2000年至今。智能傳感器是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使傳感器具有人工智能的特性集成傳感器是硬件性能的巔峰時(shí)代，智能傳感器則是將硬件傳感器和軟件技術(shù)結(jié)合。

如上所說(shuō)，MEMS傳感器是用制造技術(shù)命名的，智能傳感器著重強(qiáng)調(diào)傳感器信息處理的“智能化”，因此MEMS傳感器也可以是智能傳感器（即有些智能傳感器利用MEMS制造技術(shù)生產(chǎn)）。國(guó)內(nèi)的MEMS傳感器廠家就包括歌爾股份、漢威科技等。

此外，我們?cè)俸?jiǎn)單介紹一下指紋識(shí)別傳感器。它是利用傳感器、圖像處理、模式識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別兩個(gè)指紋是否一致的傳感器。指紋識(shí)別系統(tǒng)主要有三個(gè)模塊，分別為指紋采集模塊、特征提取模塊和匹配模塊。首先由傳感器得到指紋圖像，然后從圖像中提取一些顯著的特征（這些特征比較適合做識(shí)別任務(wù)），最后對(duì)指紋特征進(jìn)行匹配得出匹配分?jǐn)?shù)。指紋采集器作為第一個(gè)模塊，顯然對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。根據(jù)識(shí)別原理，指紋識(shí)別傳感器包括電容式、光學(xué)式、超聲波式等。國(guó)內(nèi)的匯頂科技就是指紋識(shí)別傳感器的頭部玩家。

至此，我們已經(jīng)完成了半導(dǎo)體所有四個(gè)大的細(xì)分行業(yè)的介紹，十三篇文章是一個(gè)漫長(zhǎng)的旅途，但我們堅(jiān)持并完成了它。悲觀者總是正確，但勝利最終屬于樂(lè)觀者，堅(jiān)持，就能看到曙光，祝我們的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)前途順利。

第一次寫作系列文章，有諸多不足，請(qǐng)大家多多包涵。下周我們將開始新的學(xué)習(xí)之旅。