與時俱進(jìn)，聚焦中國智造之光電芯

1   先進(jìn)制造心“芯”向榮的光電結(jié)合

中國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入由高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展新常態(tài)后，“中國制造”在向“中國智造”轉(zhuǎn)變，并驅(qū)動先進(jìn)制造領(lǐng)域的需求持續(xù)增長。《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《工業(yè)4.0 戰(zhàn)略實(shí)施計(jì)劃》等政策持續(xù)推動著工業(yè)生產(chǎn)自動化、關(guān)鍵環(huán)節(jié)數(shù)字化及產(chǎn)品生命周期企業(yè)集成化，核心部件國產(chǎn)化突破是工控領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)。

先進(jìn)制造核心離不開“精密”兩個字，精密加工意味著釘鉚之間、退進(jìn)之時必須分毫不差，這背后仰賴電腦中樞嚴(yán)密地發(fā)號施令，才能確保各部件運(yùn)動精確可控，其中至關(guān)重要的一個部件就是光電編碼器，而光電芯片就是它的核心。然而，該技術(shù)長期被國外公司壟斷，但是近年來國內(nèi)也開始多方嘗試推動國產(chǎn)化替代。通過與蘇州安必軒微電子有限公司董事長蔡激文訪談，我們了解到光電芯片國產(chǎn)化的前景廣闊。中國先進(jìn)制造的領(lǐng)域得到國家的全力支持，且發(fā)展國內(nèi)技術(shù)及外延式拓展也已經(jīng)取得階段性成果。

蔡激文談到，中國作為伺服系統(tǒng)制造大國，在高精度、強(qiáng)穩(wěn)定性、高響應(yīng)速度等技術(shù)方面與國際先進(jìn)水平存在差距，尚未成長為制造強(qiáng)國。伺服系統(tǒng)是由光電編碼器、伺服電機(jī)與驅(qū)動控制系統(tǒng)組成的，編碼器的精準(zhǔn)度直接決定伺服系統(tǒng)效果。其原理和應(yīng)用如圖1 所示。

圖1 光電編碼器芯片的原理及應(yīng)用

鑒于編碼器是一個集光、機(jī)、電三種技術(shù)于一體的精密設(shè)備，設(shè)計(jì)制造難度極高，導(dǎo)致其成本始終居高不下。盡管近年來國內(nèi)很多廠家投入了大量資金和人力使得編碼器價格逐漸趨低，但由于核心芯片長期被國外公司壟斷，編碼器價格還是處于高位?？上驳氖?，經(jīng)過幾年的不懈努力和嘗試，安必軒于2018 年成功研發(fā)出可以完全替代進(jìn)口編碼器核心芯片產(chǎn)品，使得百元級光電編碼器成為可能，完全消除了光電編碼器核心芯片被禁運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)。

安必軒的光電編碼器芯片解決了長期以來困擾編碼器的幾個問題：

①編碼器使用環(huán)境通常比較惡劣，面臨水汽、灰塵和油污逐漸沉積在碼盤上的狀況，影響編碼器的精度，甚至導(dǎo)致編碼器無法工作。

②傳統(tǒng)編碼器安裝調(diào)試需要有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員才可以完成，難以實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

③傳統(tǒng)編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高昂。在芯片設(shè)計(jì)和算法設(shè)計(jì)時，安必軒率先考慮了解決上述問題的具體辦法，其光電編碼器完美解決了上述問題。自從2018 年產(chǎn)品推出以來，其設(shè)計(jì)理念得到認(rèn)可，并已經(jīng)推出系列產(chǎn)品，開始批量應(yīng)用，得到客戶的絕對性認(rèn)可。

2   工業(yè)應(yīng)用煥然一“芯”的光電創(chuàng)新

光電編碼器芯片的應(yīng)用領(lǐng)域非常之廣，既有高精尖的航空航天和軍工裝備，也有高大上的精密數(shù)控機(jī)床和各種智能自動化設(shè)備，還擴(kuò)展到民用普及型產(chǎn)品。涉及高精度、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量都需要支持角位移、線位移信息的測量和傳遞，對光電編碼器芯片的需求就在于此。由于此類芯片屬于光敏器件，光電結(jié)合緊密且工藝特殊，對參數(shù)控制要求較高，需要在溫條件（如110℃）下持續(xù)工作7 天24 小時不間斷，還要保證信號形態(tài)正常，且電流輸出能力較大，有特殊的封裝工藝要求，是國產(chǎn)化的壁壘。

憑借對于行業(yè)應(yīng)用的深刻理解和經(jīng)驗(yàn)積累，以及深厚的光電集成化芯片技術(shù)積淀，安可軒完全掌握核心技術(shù)并擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，其光電傳感技術(shù)國際領(lǐng)先。蔡激文指出，正向設(shè)計(jì)是創(chuàng)新的關(guān)鍵，也是其成為國內(nèi)唯一能夠如此堅(jiān)持和堅(jiān)守的光電芯片公司，使得工藝不斷優(yōu)化，并參與封測工藝研發(fā)定型，以提高封裝良品率。圖2 為高端光電編碼器芯片框圖及產(chǎn)品形態(tài)。

芯片

圖2 高端光電編碼器芯片框圖及產(chǎn)品形態(tài)

光電編碼器單片系統(tǒng)（SoC）具有很高的集成度，其微控制器（MCU） 核心為RISC-V，還集成了數(shù)字信號處理器（DSP）單元、高速高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、低噪聲運(yùn)算放大器，還有高靈敏度光電感應(yīng)陣列。中國是一個規(guī)模可以達(dá)到每年1000萬套的市場，低端產(chǎn)品的國產(chǎn)化基本實(shí)現(xiàn)，而高端產(chǎn)品則需要挑戰(zhàn)日本和德國兩家公司。所幸安可軒量產(chǎn)芯片以更高的集成度超過國外競品性能，這源于核心芯片和算法均為自主研發(fā)，可以確保整機(jī)性能優(yōu)異而成本較低，裝配難度小，性價比高。相比國外公司，由于芯片和算法都為自用，所以價格居高不下，雖然整機(jī)性能不錯，但整機(jī)成本較高，裝配難度大，性價比很低。通過高性價比解決方案實(shí)現(xiàn)下游客戶需要的功能參數(shù)是編碼器行業(yè)打破競爭壁壘，更好地響應(yīng)客戶需求，以差異化、定制化服務(wù)客戶的關(guān)鍵?？蛻粢坏┏晒Σ捎媒鉀Q方案，后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)便可標(biāo)準(zhǔn)化輸出，黏性較強(qiáng)。而后進(jìn)入者如要搶占份額，不僅需要合格的產(chǎn)品服務(wù)，更需要較長的產(chǎn)品論證周期?？偠灾瑖a(chǎn)化光電編碼芯片將有助于提升整體先進(jìn)制造行業(yè)的效益。

國內(nèi)首創(chuàng)的特殊生產(chǎn)工藝保證安必軒的光電芯片產(chǎn)品性能超群，其所擁有的多項(xiàng)發(fā)明專利更是使技術(shù)保持優(yōu)勢的根本，其中包括首創(chuàng)的自動校準(zhǔn)單元，以顯著提高編碼器精度、獨(dú)創(chuàng)快速迭代算法達(dá)到解碼速度快準(zhǔn)穩(wěn)，新型結(jié)構(gòu)減少裝配誤差并提高裝配速度，云端自動校準(zhǔn)支持客戶零基礎(chǔ)生產(chǎn)。下游行業(yè)對高精密設(shè)備需求不斷提升，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，倒逼產(chǎn)品性能提升。光電編碼芯片高端應(yīng)用包括精密機(jī)床、注塑機(jī)、高端機(jī)器人、風(fēng)電設(shè)備、3D 打印機(jī)、醫(yī)療設(shè)備等；中端應(yīng)用有電梯、數(shù)控機(jī)床、角度測試儀、無人機(jī)吊艙、電力系統(tǒng)、汽車、太陽能平臺等；低端應(yīng)用包含工業(yè)應(yīng)用的紡織機(jī)器、工業(yè)機(jī)械臂、傳送帶、軌交閘機(jī)等，以及民用的掃地機(jī)器人、安防監(jiān)控?cái)z像頭、旋鈕等。

3   集成電路隨“芯”所遇的光電情結(jié)

任何一個產(chǎn)品的成功都離不開天時、地利、人和，對此蔡激文頗有感慨。

“天時”就是趕上中國先進(jìn)制造突飛猛進(jìn)的潮流，是進(jìn)行專屬技術(shù)創(chuàng)新和開拓一個行業(yè)細(xì)分市場的最佳機(jī)遇。2019 年成立之初，安必軒產(chǎn)品就列入《中國制造2025》的國家行動綱領(lǐng)，面對巨大的市場需求。據(jù)QYResearch 預(yù)測，2025 年將達(dá)到140 億美元（1 美元約為人民幣6.5 元），而這也是國際形勢推動進(jìn)口替代的絕佳機(jī)會。

“地利”就是得到地方政府給予創(chuàng)新型高科技企業(yè)全方位支持，以及區(qū)域性產(chǎn)業(yè)鏈的配套優(yōu)勢。安必軒選擇落戶在蘇州高新區(qū)，最重要的原因就是當(dāng)?shù)卣畬呻娐樊a(chǎn)業(yè)的支持，政府提供研發(fā)補(bǔ)貼、設(shè)備補(bǔ)貼、流片補(bǔ)貼、銷售獎勵和地方貢獻(xiàn)獎勵?！短K州高新區(qū)關(guān)于鼓勵企業(yè)上市（掛牌）的若干意見的通知》也為未來的企業(yè)上市鋪平了道路。一系列人才支持政策充分體現(xiàn)了以人為本的關(guān)愛。

“人和”就是解決光電芯片行業(yè)發(fā)展所受人才制約。國內(nèi)芯片行業(yè)設(shè)計(jì)能力雖沒有落后，由于國外對手太多，國內(nèi)光電芯片涉足較少，人才稀缺。蔡激文作為強(qiáng)有力的領(lǐng)軍人物，一手打造他的“夢之隊(duì)”。核心團(tuán)隊(duì)學(xué)歷背景全部碩士以上，由美國硅谷海歸領(lǐng)銜，清華與上海交大精英為團(tuán)隊(duì)班底，科班出身帶著強(qiáng)大且專業(yè)的學(xué)術(shù)背景，并一直從事集成電路行業(yè)；精通各類IC 設(shè)計(jì)方案；熟圖3悉全球流片封測產(chǎn)線；有完整的 IC產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn)。

圖3 光電傳感技術(shù)的延申及拓展應(yīng)用

“安必軒已經(jīng)在光電編碼器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，達(dá)到國內(nèi)唯一、國際領(lǐng)先水平”，蔡激文說：“作為光電傳感技術(shù)全場景解決方案提供商，安必軒肯定不會停留在光電編碼器這一個產(chǎn)品線，未來安必軒會充分發(fā)揮已經(jīng)取得的成功經(jīng)驗(yàn)，逐步進(jìn)入其他光電芯片的細(xì)分領(lǐng)域，如光電隔離驅(qū)動、光電隔離放大、單芯片接近開關(guān)、心率監(jiān)測、血氧監(jiān)測、距離檢測等，打開千億市場版圖，并立志成為行業(yè)的領(lǐng)頭羊，為中國‘智’造貢獻(xiàn)力量”。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）