用“芯”感知世界，心系智能物聯(lián)

1   萬物有靈“芯”時代的到來

當人們擁有個人電腦PC 機時，因特網(wǎng) (internet) 時代的到來就成為必然；當人們擁有多個便攜式IT 產(chǎn)品時，移動互聯(lián)(mobile internet) 時代的到來就成為必然；而當萬事萬物開始具有數(shù)字信息化“靈性”時，就宣告物聯(lián)網(wǎng)(internet of things，IoT) 時代的到來。IoT，包括傳感、傳輸和應用三層網(wǎng)絡(luò)，傳感位于其最末梢，以傳感器(sensor/transducer) 作為最直接的標志。傳感器是可接收外界感應并轉(zhuǎn)換成電信號的檢測裝置，滿足信息傳輸、處理、存儲、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、快響應特色使傳感器設(shè)計簡單化、小型化且低價格，在物聯(lián)網(wǎng)眾多的領(lǐng)域得到廣泛應用。那么，在國產(chǎn)化替代浪潮中，國產(chǎn)傳感器芯片所處技術(shù)水平如何？未來的發(fā)展趨勢如何？帶著這樣的問題，我走進了專注于智能傳感器研發(fā)的山東華科半導體研究院有限公司（以下簡稱華科半導體）。在位于中關(guān)村數(shù)碼大廈的華科北京研發(fā)中心，我拜訪了負責研發(fā)的洪婷副總，通過交流，對這個市場所具有的巨大潛力和技術(shù)走向有所認識。權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，中國傳感器市場規(guī)模2018 年突破人民幣2 000 億元，2019 年達到2 310 億元，2020 雖受疫情影響仍超過2 500 億元，未來年增長將超過30%。傳感器芯片既承載核心技術(shù)又占據(jù)主要價值，然而以往國內(nèi)技術(shù)落后，難以自給自足。美國對“傳感器革命”認識較早，因此產(chǎn)業(yè)支持力度很大，每年在傳感器領(lǐng)域的研究和開發(fā)預算近七十億美元。日本意識到“支配了傳感器技術(shù)就能夠支配新時代”，便持續(xù)進行巨大投入。為改變中高端傳感器芯片被國外大公司壟斷的局面，《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進綱要》強調(diào)提升智能傳感器產(chǎn)業(yè)核心競爭力，為此國家工信部制定并發(fā)布了《智能傳感器產(chǎn)業(yè)三年行動指南（2017-2019 年）》，各級政府足夠重視并予以政策支持。如沐春風，眾多本土傳感器芯片新秀如雨后春筍，華科半導體便是其中佼佼者。華科半導體成立于2018年，雖然年輕，卻擁有探測、小信號放大、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、校準算法、傳感器標定等多項核心技術(shù)以及發(fā)明專利，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國際先進水平，旨在提高替代進口能力以打破國外壟斷。如圖1 所示，為所涵蓋國計民生各種物聯(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用領(lǐng)域

華科半導體積極參與建設(shè)中國（濟南）智能傳感谷，打造面向全國的智能化傳感器芯片設(shè)計、制造、封測、標定共享平臺，未來還將制定高精度數(shù)字智能傳感器行業(yè)標準，相信必將協(xié)同更多的國產(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。

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近的計算機類、通信類、消費類電子產(chǎn)品，其核心器件處理速度越來越快，性能越來越強，功耗也隨之增加，與此同時，這類產(chǎn)品對于溫度管理和控制要求也日趨增強。為此華科半導體提供兩個芯片系列，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應用。

HK1075 是一款內(nèi)置帶隙溫度探測器和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 ℃，分辨率達到0.125 ℃，提供過熱預警功能 ；支持正常和低功耗兩種工作模式，待機功耗小于1uA；通過雙線串行I2C 總線接口與控制器通信，且總線部分與ADC 轉(zhuǎn)換完全獨立，訪問器件不影響轉(zhuǎn)換過程，可對標國外同類產(chǎn)品，易于實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。HK1001 則是一款集成帶隙溫度探測器和13 位ADC 的數(shù)字溫度傳感器，溫度分辨率可達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。

面向在智能家電、冷鏈和儀表中的應用，HK3015是一款集成溫度和濕度檢測的一體化傳感器芯片。獨特的電容式傳感器元件用于測量相對濕度，而溫度通過帶隙傳感器來測量，以保證可靠性和長期穩(wěn)定性。測溫范圍為–40 ℃ ~ 125 ℃，精度為±0.3 ℃；測濕范圍為0%RH ~ 100%RH，精度達到±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與空氣調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)或可穿戴設(shè)備應用的又一款將溫度濕度檢測一體化的傳感器芯片，其突出特色是增強的信號處理能力和報警功能，通過內(nèi)置數(shù)字信號處理模塊對測試數(shù)據(jù)進行校準，進一步提高測量精度。同樣測溫和測濕范圍內(nèi)，測溫精度為±0.1°，測濕精度為±1.5%RH。用戶可選擇雙I2C 地址支持通信速度達1 MHz。 這些芯片都對標和兼容國外產(chǎn)品，易于進行國產(chǎn)化替代。

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

面向更多更高精度數(shù)字溫度傳感器的需求，華科半導體還提供精度為±0.1℃，測溫分辨率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   千載機遇“芯”產(chǎn)業(yè)的奠定

要使中國的傳感器芯片產(chǎn)業(yè)做大做強，打造面向未來的產(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，要由專家級研究和專業(yè)開發(fā)團隊，并提高強大的技術(shù)支持。中游憑借資深半導體制造、封裝和測試團隊及相關(guān)的先進設(shè)備晶圓來完成，主要集中在進行中測標定、芯片封裝、成品測試標定。下游則是各種傳感器應用，包括溫度、環(huán)境、醫(yī)用、壓力、流量、水敏、光敏、氣敏等類型傳感器產(chǎn)品，還將擴大到物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)系統(tǒng)集成應用。華科半導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)計和軟硬件一體化測試標定平臺核心技術(shù)，具有全套器件建模、流片工藝、電路設(shè)計、封裝設(shè)計、可靠性設(shè)計電路測試與試驗、應用驗證的完整的傳感器芯片技術(shù)開發(fā)平臺，并在此基礎(chǔ)上打造業(yè)界獨一無二的傳感器芯片中測和成測校準平臺，以及完善測試系統(tǒng)，獨有的傳感器標定、校準電路和測試程序設(shè)計開發(fā)方法，自主研發(fā)出系列高性能智能傳感器芯片產(chǎn)品，并已走向市場化?！鞍倌晡从小敝笞兙直厝慌c“千載難逢”的機遇相關(guān)。由于國際形勢變幻莫測，中國物聯(lián)網(wǎng)國產(chǎn)化自主創(chuàng)新勢在必行。從產(chǎn)品方面來看，傳感器芯片產(chǎn)品與國民經(jīng)濟息息相關(guān)，只要在測量精度和可靠性方面均優(yōu)于國內(nèi)外同類競品，且具有對主流產(chǎn)品的兼容性，自主研發(fā)產(chǎn)品在多項性能指標上均保持行業(yè)先進水平，就可持續(xù)占據(jù)優(yōu)勢地位；從市場方面來看，確保最廣泛的應用方向，能夠完全替代進口產(chǎn)品，滿足下游主流客戶的應用需求。在保證產(chǎn)品高性能的前提下，產(chǎn)品具有較高的性價比，銷售價格具有較強市場競爭力，能夠快速打開銷售市場以提升市場份額；從人才方面來看，需要不斷集聚具有多年行業(yè)資深工作經(jīng)驗的集成電路設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)工藝制造和管理人員，在市場營銷、生產(chǎn)運營、品質(zhì)管理等團隊的核心人員也需要擁有多年行業(yè)工作經(jīng)歷且積累豐富的運營和管理經(jīng)驗的資深人士。從技術(shù)專利方面來看，中國自主創(chuàng)新的高精度數(shù)字智能傳感器芯片技術(shù)業(yè)已處于國際行業(yè)先進、國內(nèi)行業(yè)領(lǐng)先水平，打破國外壟斷志在必得。以華科半導體為例，目前擁有探測、小信號放大、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換、校準算法等多項核心技術(shù)和專利，期待將來將有更加豐碩的成果。用芯片可以感知一個全新的世界，這就是物聯(lián)網(wǎng)的魅力所在；用心智可以創(chuàng)造一個健全的智能化世紀，這就是物聯(lián)網(wǎng)的功業(yè)所存。最后以華科半導體的企業(yè)口號“用芯連接世界，創(chuàng)造美好未來”作為對于物聯(lián)網(wǎng)的憧憬！

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）