與時俱進，聚焦中國智造之光電芯

1   先進制造心“芯”向榮的光電結合

中國經(jīng)濟進入由高速增長轉向高質量發(fā)展新常態(tài)后，“中國制造”在向“中國智造”轉變，并驅動先進制造領域的需求持續(xù)增長?！丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《工業(yè)4.0 戰(zhàn)略實施計劃》等政策持續(xù)推動著工業(yè)生產(chǎn)自動化、關鍵環(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)化突破是工控領域發(fā)展的重點。

先進制造核心離不開“精密”兩個字，精密加工意味著釘鉚之間、退進之時必須分毫不差，這背后仰賴電腦中樞嚴密地發(fā)號施令，才能確保各部件運動精確可控，其中至關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，該技術長期被國外公司壟斷，但是近年來國內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。中國先進制造的領域得到國家的全力支持，且發(fā)展國內技術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、強穩(wěn)定性、高響應速度等技術方面與國際先進水平存在差距，尚未成長為制造強國。伺服系統(tǒng)是由光電編碼器、伺服電機與驅動控制系統(tǒng)組成的，編碼器的精準度直接決定伺服系統(tǒng)效果。其原理和應用如圖1 所示。

圖1 光電編碼器芯片的原理及應用

鑒于編碼器是一個集光、機、電三種技術于一體的精密設備，設計制造難度極高，導致其成本始終居高不下。盡管近年來國內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?？上驳氖牵?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的風險。

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，甚至導致編碼器無法工作。

②傳統(tǒng)編碼器安裝調試需要有經(jīng)驗的技術人員才可以完成，難以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

③傳統(tǒng)編碼器結構復雜，加工成本高昂。在芯片設計和算法設計時，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，其設計理念得到認可，并已經(jīng)推出系列產(chǎn)品，開始批量應用，得到客戶的絕對性認可。

2   工業(yè)應用煥然一“芯”的光電創(chuàng)新

光電編碼器芯片的應用領域非常之廣，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)控機床和各種智能自動化設備，還擴展到民用普及型產(chǎn)品。涉及高精度、閉環(huán)調速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的轉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)應用的深刻理解和經(jīng)驗積累，以及深厚的光電集成化芯片技術積淀，安可軒完全掌握核心技術并擁有自主知識產(chǎn)權，其光電傳感技術國際領先。蔡激文指出，正向設計是創(chuàng)新的關鍵，也是其成為國內唯一能夠如此堅持和堅守的光電芯片公司，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)字轉換器（ADC）、低噪聲運算放大器，還有高靈敏度光電感應陣列。中國是一個規(guī)?？梢赃_到每年1000萬套的市場，低端產(chǎn)品的國產(chǎn)化基本實現(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，雖然整機性能不錯，但整機成本較高，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，更好地響應客戶需求，以差異化、定制化服務客戶的關鍵。客戶一旦成功采用解決方案，后續(xù)產(chǎn)品設計便可標準化輸出，黏性較強。而后進入者如要搶占份額，不僅需要合格的產(chǎn)品服務，更需要較長的產(chǎn)品論證周期?？偠灾?，國產(chǎn)化光電編碼芯片將有助于提升整體先進制造行業(yè)的效益。

國內首創(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，其所擁有的多項發(fā)明專利更是使技術保持優(yōu)勢的根本，其中包括首創(chuàng)的自動校準單元，以顯著提高編碼器精度、獨創(chuàng)快速迭代算法達到解碼速度快準穩(wěn)，新型結構減少裝配誤差并提高裝配速度，云端自動校準支持客戶零基礎生產(chǎn)。下游行業(yè)對高精密設備需求不斷提升，伺服系統(tǒng)的應用范圍在不斷擴大，倒逼產(chǎn)品性能提升。光電編碼芯片高端應用包括精密機床、注塑機、高端機器人、風電設備、3D 打印機、醫(yī)療設備等；中端應用有電梯、數(shù)控機床、角度測試儀、無人機吊艙、電力系統(tǒng)、汽車、太陽能平臺等；低端應用包含工業(yè)應用的紡織機器、工業(yè)機械臂、傳送帶、軌交閘機等，以及民用的掃地機器人、安防監(jiān)控攝像頭、旋鈕等。

3   集成電路隨“芯”所遇的光電情結

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”就是趕上中國先進制造突飛猛進的潮流，是進行專屬技術創(chuàng)新和開拓一個行業(yè)細分市場的最佳機遇。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，面對巨大的市場需求。據(jù)QYResearch 預測，2025 年將達到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口替代的絕佳機會。

“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?shù)卣畬呻娐樊a(chǎn)業(yè)的支持，政府提供研發(fā)補貼、設備補貼、流片補貼、銷售獎勵和地方貢獻獎勵。《蘇州高新區(qū)關于鼓勵企業(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。國內芯片行業(yè)設計能力雖沒有落后，由于國外對手太多，國內光電芯片涉足較少，人才稀缺。蔡激文作為強有力的領軍人物，一手打造他的“夢之隊”。核心團隊學歷背景全部碩士以上，由美國硅谷海歸領銜，清華與上海交大精英為團隊班底，科班出身帶著強大且專業(yè)的學術背景，并一直從事集成電路行業(yè)；精通各類IC 設計方案；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。

圖3 光電傳感技術的延申及拓展應用

“安必軒已經(jīng)在光電編碼器領域實現(xiàn)突破，達到國內唯一、國際領先水平”，蔡激文說：“作為光電傳感技術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，逐步進入其他光電芯片的細分領域，如光電隔離驅動、光電隔離放大、單芯片接近開關、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)的領頭羊，為中國‘智’造貢獻力量”。

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）