用“芯”感知世界，心系智能物聯(lián)

1   萬(wàn)物有靈“芯”時(shí)代的到來(lái)

當(dāng)人們擁有個(gè)人電腦PC 機(jī)時(shí)，因特網(wǎng) (internet) 時(shí)代的到來(lái)就成為必然；當(dāng)人們擁有多個(gè)便攜式IT 產(chǎn)品時(shí)，移動(dòng)互聯(lián)(mobile internet) 時(shí)代的到來(lái)就成為必然；而當(dāng)萬(wàn)事萬(wàn)物開(kāi)始具有數(shù)字信息化“靈性”時(shí)，就宣告物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT) 時(shí)代的到來(lái)。IoT，包括傳感、傳輸和應(yīng)用三層網(wǎng)絡(luò)，傳感位于其最末梢，以傳感器(sensor/transducer) 作為最直接的標(biāo)志。傳感器是可接收外界感應(yīng)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的檢測(cè)裝置，滿足信息傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示和控制等功能需求。傳感器由感知元件和轉(zhuǎn)換器件組成，由集成電路（IC）而芯片化，其高集成度、高精度、快響應(yīng)特色使傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化、小型化且低價(jià)格，在物聯(lián)網(wǎng)眾多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。那么，在國(guó)產(chǎn)化替代浪潮中，國(guó)產(chǎn)傳感器芯片所處技術(shù)水平如何？未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)如何？帶著這樣的問(wèn)題，我走進(jìn)了專(zhuān)注于智能傳感器研發(fā)的山東華科半導(dǎo)體研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)華科半導(dǎo)體）。在位于中關(guān)村數(shù)碼大廈的華科北京研發(fā)中心，我拜訪了負(fù)責(zé)研發(fā)的洪婷副總，通過(guò)交流，對(duì)這個(gè)市場(chǎng)所具有的巨大潛力和技術(shù)走向有所認(rèn)識(shí)。權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)傳感器市場(chǎng)規(guī)模2018 年突破人民幣2 000 億元，2019 年達(dá)到2 310 億元，2020 雖受疫情影響仍超過(guò)2 500 億元，未來(lái)年增長(zhǎng)將超過(guò)30%。傳感器芯片既承載核心技術(shù)又占據(jù)主要價(jià)值，然而以往國(guó)內(nèi)技術(shù)落后，難以自給自足。美國(guó)對(duì)“傳感器革命”認(rèn)識(shí)較早，因此產(chǎn)業(yè)支持力度很大，每年在傳感器領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)預(yù)算近七十億美元。日本意識(shí)到“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時(shí)代”，便持續(xù)進(jìn)行巨大投入。為改變中高端傳感器芯片被國(guó)外大公司壟斷的局面，《國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》強(qiáng)調(diào)提升智能傳感器產(chǎn)業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，為此國(guó)家工信部制定并發(fā)布了《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動(dòng)指南（2017-2019 年）》，各級(jí)政府足夠重視并予以政策支持。如沐春風(fēng)，眾多本土傳感器芯片新秀如雨后春筍，華科半導(dǎo)體便是其中佼佼者。華科半導(dǎo)體成立于2018年，雖然年輕，卻擁有探測(cè)、小信號(hào)放大、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)算法、傳感器標(biāo)定等多項(xiàng)核心技術(shù)以及發(fā)明專(zhuān)利，致力于研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先的高精度數(shù)字智能傳感器芯片并瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，旨在提高替代進(jìn)口能力以打破國(guó)外壟斷。如圖1 所示，為所涵蓋國(guó)計(jì)民生各種物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器芯片的眾多應(yīng)用領(lǐng)域

華科半導(dǎo)體積極參與建設(shè)中國(guó)（濟(jì)南）智能傳感谷，打造面向全國(guó)的智能化傳感器芯片設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)、標(biāo)定共享平臺(tái)，未來(lái)還將制定高精度數(shù)字智能傳感器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相信必將協(xié)同更多的國(guó)產(chǎn)傳感器芯片公司占據(jù)物聯(lián)網(wǎng)前沿傳感技術(shù)的制高點(diǎn)。

2   百感交集“芯”感知的敏銳

隨著5G 和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，與我們?nèi)粘Ｉ钭顬橘N近的計(jì)算機(jī)類(lèi)、通信類(lèi)、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，其核心器件處理速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越強(qiáng)，功耗也隨之增加，與此同時(shí)，這類(lèi)產(chǎn)品對(duì)于溫度管理和控制要求也日趨增強(qiáng)。為此華科半導(dǎo)體提供兩個(gè)芯片系列，其一、精度為±1℃具有I²C 接口的HK1075。其二、精度為±0.5℃具有SPI接口的HK1001。如圖2 所示為其典型的目標(biāo)應(yīng)用。

HK1075 是一款內(nèi)置帶隙溫度探測(cè)器和11 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 的數(shù)字溫度傳感器， 溫度范圍為-55 ℃ ~+125 ℃，分辨率達(dá)到0.125 ℃，提供過(guò)熱預(yù)警功能 ；支持正常和低功耗兩種工作模式，待機(jī)功耗小于1uA；通過(guò)雙線串行I2C 總線接口與控制器通信，且總線部分與ADC 轉(zhuǎn)換完全獨(dú)立，訪問(wèn)器件不影響轉(zhuǎn)換過(guò)程，可對(duì)標(biāo)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，易于實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代。HK1001 則是一款集成帶隙溫度探測(cè)器和13 位ADC 的數(shù)字溫度傳感器，溫度分辨率可達(dá)0.03125 ℃，提供一組與SPI、QSPI、MICROWIRE 協(xié)議及DSP 兼容的串行接口，可與市場(chǎng)上多種MCU 通信，具有工作電壓范圍寬、工作電流低及多兼容性接口等特點(diǎn)。

面向在智能家電、冷鏈和儀表中的應(yīng)用，HK3015是一款集成溫度和濕度檢測(cè)的一體化傳感器芯片。獨(dú)特的電容式傳感器元件用于測(cè)量相對(duì)濕度，而溫度通過(guò)帶隙傳感器來(lái)測(cè)量，以保證可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。測(cè)溫范圍為–40 ℃ ~ 125 ℃，精度為±0.3 ℃；測(cè)濕范圍為0%RH ~ 100%RH，精度達(dá)到±2%RH 。采用14位ADC，溫度分辨率0.01 ℃，濕度分辨率0.05%RH。HK3015 具有良好的低功耗表現(xiàn)，在測(cè)量狀態(tài)下靜態(tài)電流為0.55 mA，休眠狀態(tài)下則為0.3 μA。HK3035 是面向智能供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或可穿戴設(shè)備應(yīng)用的又一款將溫度濕度檢測(cè)一體化的傳感器芯片，其突出特色是增強(qiáng)的信號(hào)處理能力和報(bào)警功能，通過(guò)內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)一步提高測(cè)量精度。同樣測(cè)溫和測(cè)濕范圍內(nèi)，測(cè)溫精度為±0.1°，測(cè)濕精度為±1.5%RH。用戶可選擇雙I2C 地址支持通信速度達(dá)1 MHz。 這些芯片都對(duì)標(biāo)和兼容國(guó)外產(chǎn)品，易于進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化替代。

對(duì)于智能儀器和檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，數(shù)字溫度傳感器的精度需求更高，對(duì)此華科半導(dǎo)體推出了可勝任的HK1020 傳感器芯片系列，其精度為±0.3℃，可以通過(guò)外部供電和寄生供電兩種模式工作，還可配置高低溫報(bào)警門(mén)限，通過(guò)單總線接口與MCU 通訊，或同時(shí)使用一個(gè)MCU 控制多個(gè)終端來(lái)實(shí)現(xiàn)大空間區(qū)域的溫度檢測(cè)。具有較寬的工作電壓范圍和較低功耗，適用于多種類(lèi)型的溫度控制系統(tǒng)。

面向更多更高精度數(shù)字溫度傳感器的需求，華科半導(dǎo)體還提供精度為±0.1℃，測(cè)溫分辨率0.0078 ℃的低功耗HK1017 系列，具有更高精度和更低功耗，適用于醫(yī)療健康和可穿戴設(shè)備。

3   千載機(jī)遇“芯”產(chǎn)業(yè)的奠定

要使中國(guó)的傳感器芯片產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，打造面向未來(lái)的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)設(shè)施尤為重要。在產(chǎn)業(yè)布局中，上游屬于傳感器芯片設(shè)計(jì)，要由專(zhuān)家級(jí)研究和專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，并提高強(qiáng)大的技術(shù)支持。中游憑借資深半導(dǎo)體制造、封裝和測(cè)試團(tuán)隊(duì)及相關(guān)的先進(jìn)設(shè)備晶圓來(lái)完成，主要集中在進(jìn)行中測(cè)標(biāo)定、芯片封裝、成品測(cè)試標(biāo)定。下游則是各種傳感器應(yīng)用，包括溫度、環(huán)境、醫(yī)用、壓力、流量、水敏、光敏、氣敏等類(lèi)型傳感器產(chǎn)品，還將擴(kuò)大到物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)集成應(yīng)用。華科半導(dǎo)體以高精度傳感器芯片為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)賦能，突破CMOS+MEMS 集成工藝和核心算法，擁有低功耗設(shè)計(jì)和軟硬件一體化測(cè)試標(biāo)定平臺(tái)核心技術(shù)，具有全套器件建模、流片工藝、電路設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)電路測(cè)試與試驗(yàn)、應(yīng)用驗(yàn)證的完整的傳感器芯片技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上打造業(yè)界獨(dú)一無(wú)二的傳感器芯片中測(cè)和成測(cè)校準(zhǔn)平臺(tái)，以及完善測(cè)試系統(tǒng)，獨(dú)有的傳感器標(biāo)定、校準(zhǔn)電路和測(cè)試程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法，自主研發(fā)出系列高性能智能傳感器芯片產(chǎn)品，并已走向市場(chǎng)化?！鞍倌晡从小敝笞兙直厝慌c“千載難逢”的機(jī)遇相關(guān)。由于國(guó)際形勢(shì)變幻莫測(cè)，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)國(guó)產(chǎn)化自主創(chuàng)新勢(shì)在必行。從產(chǎn)品方面來(lái)看，傳感器芯片產(chǎn)品與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，只要在測(cè)量精度和可靠性方面均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類(lèi)競(jìng)品，且具有對(duì)主流產(chǎn)品的兼容性，自主研發(fā)產(chǎn)品在多項(xiàng)性能指標(biāo)上均保持行業(yè)先進(jìn)水平，就可持續(xù)占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位；從市場(chǎng)方面來(lái)看，確保最廣泛的應(yīng)用方向，能夠完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，滿足下游主流客戶的應(yīng)用需求。在保證產(chǎn)品高性能的前提下，產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比，銷(xiāo)售價(jià)格具有較強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，能夠快速打開(kāi)銷(xiāo)售市場(chǎng)以提升市場(chǎng)份額；從人才方面來(lái)看，需要不斷集聚具有多年行業(yè)資深工作經(jīng)驗(yàn)的集成電路設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)工藝制造和管理人員，在市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、品質(zhì)管理等團(tuán)隊(duì)的核心人員也需要擁有多年行業(yè)工作經(jīng)歷且積累豐富的運(yùn)營(yíng)和管理經(jīng)驗(yàn)的資深人士。從技術(shù)專(zhuān)利方面來(lái)看，中國(guó)自主創(chuàng)新的高精度數(shù)字智能傳感器芯片技術(shù)業(yè)已處于國(guó)際行業(yè)先進(jìn)、國(guó)內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先水平，打破國(guó)外壟斷志在必得。以華科半導(dǎo)體為例，目前擁有探測(cè)、小信號(hào)放大、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)算法等多項(xiàng)核心技術(shù)和專(zhuān)利，期待將來(lái)將有更加豐碩的成果。用芯片可以感知一個(gè)全新的世界，這就是物聯(lián)網(wǎng)的魅力所在；用心智可以創(chuàng)造一個(gè)健全的智能化世紀(jì)，這就是物聯(lián)網(wǎng)的功業(yè)所存。最后以華科半導(dǎo)體的企業(yè)口號(hào)“用芯連接世界，創(chuàng)造美好未來(lái)”作為對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的憧憬！

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）