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)

當人們擁有個(gè)人電腦PC 機時(shí)，因特網(wǎng) (internet) 時(shí)代的到來(lái)就成為必然；當人們擁有多個(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；而當萬(wàn)事萬(wàn)物開(kāi)始具有數字信息化“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換成電信號的檢測裝置，滿(mǎn)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計簡(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(lái)的發(fā)展趨勢如何？帶著(zhù)這樣的問(wèn)題，我走進(jìn)了專(zhuān)注于智能傳感器研發(fā)的山東華科半導體研究院有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)華科半導體）。在位于中關(guān)村數碼大廈的華科北京研發(fā)中心，我拜訪(fǎng)了負責研發(fā)的洪婷副總，通過(guò)交流，對這個(gè)市場(chǎng)所具有的巨大潛力和技術(shù)走向有所認識。權威數據顯示，中國傳感器市場(chǎng)規模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(guò)2 500 億元，未來(lái)年增長(cháng)將超過(guò)30%。傳感器芯片既承載核心技術(shù)又占據主要價(jià)值，然而以往國內技術(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(kāi)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(shí)代”，便持續進(jìn)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(jìn)綱要》強調提升智能傳感器產(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(dòng)指南（2017-2019 年）》，各級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、模擬數字轉換、校準算法、傳感器標定等多項核心技術(shù)以及發(fā)明專(zhuān)利，致力于研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先的高精度數字智能傳感器芯片并瞄準國際先進(jìn)水平，旨在提高替代進(jìn)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)基礎設施。

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計、制造、封測、標定共享平臺，未來(lái)還將制定高精度數字智能傳感器行業(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(zhù)5G 和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，與我們日常生活最為貼近的計算機類(lèi)、通信類(lèi)、消費類(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，功耗也隨之增加，與此同時(shí)，這類(lèi)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(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應用。

HK1075 是一款內置帶隙溫度探測器和11 位模數轉換器(ADC) 的數字溫度傳感器， 溫度范圍為-55 ℃ ~+125 ℃，分辨率達到0.125 ℃，提供過(guò)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(guò)雙線(xiàn)串行I2C 總線(xiàn)接口與控制器通信，且總線(xiàn)部分與ADC 轉換完全獨立，訪(fǎng)問(wèn)器件不影響轉換過(guò)程，可對標國外同類(lèi)產(chǎn)品，易于實(shí)現國產(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(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(guò)帶隙傳感器來(lái)測量，以保證可靠性和長(cháng)期穩定性。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，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(fēng)與空氣調節、環(huán)境監測系統或可穿戴設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(guò)內置數字信號處理模塊對測試數據進(jìn)行校準，進(jìn)一步提高測量精度。同樣測溫和測濕范圍內，測溫精度為±0.1°，測濕精度為±1.5%RH。用戶(hù)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(jìn)行國產(chǎn)化替代。

對于智能儀器和檢測系統的應用，數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(guò)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(mén)限，通過(guò)單總線(xiàn)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)現大空間區域的溫度檢測。具有較寬的工作電壓范圍和較低功耗，適用于多種類(lèi)型的溫度控制系統。

面向更多更高精度數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，適用于醫療健康和可穿戴設備。

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(lái)的產(chǎn)業(yè)鏈基礎設施尤為重要。在產(chǎn)業(yè)布局中，上游屬于傳感器芯片設計，要由專(zhuān)家級研究和專(zhuān)業(yè)開(kāi)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(jìn)設備晶圓來(lái)完成，主要集中在進(jìn)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、醫用、壓力、流量、水敏、光敏、氣敏等類(lèi)型傳感器產(chǎn)品，還將擴大到物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)系統集成應用。華科半導體以高精度傳感器芯片為物聯(lián)網(wǎng)系統賦能，突破CMOS+MEMS 集成工藝和核心算法，擁有低功耗設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、電路設計、封裝設計、可靠性設計電路測試與試驗、應用驗證的完整的傳感器芯片技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺，并在此基礎上打造業(yè)界獨一無(wú)二的傳感器芯片中測和成測校準平臺，以及完善測試系統，獨有的傳感器標定、校準電路和測試程序設計開(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(lái)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)于國內外同類(lèi)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(jìn)水平，就可持續占據優(yōu)勢地位；從市場(chǎng)方面來(lái)看，確保最廣泛的應用方向，能夠完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，滿(mǎn)足下游主流客戶(hù)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?xún)r(jià)比，銷(xiāo)售價(jià)格具有較強市場(chǎng)競爭力，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)驗的集成電路設計開(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)運營(yíng)、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(yíng)和管理經(jīng)驗的資深人士。從技術(shù)專(zhuān)利方面來(lái)看，中國自主創(chuàng )新的高精度數字智能傳感器芯片技術(shù)業(yè)已處于國際行業(yè)先進(jìn)、國內行業(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、模擬數字轉換、校準算法等多項核心技術(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，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(lái)”作為對于物聯(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）