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用“芯”感知世界,心系智能物联

作者:郑小龙(《电子产品世界》编委)时间:2021-10-22来源:电子产品世界收藏


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202110/429019.htm

1   万物有灵“芯”时代的到来

当人们拥有个人电脑PC 机时,因特网 (internet) 时代的到来就成为必然;当人们拥有多个便携式IT 产品时,移动互联(mobile internet) 时代的到来就成为必然;而当万事万物开始具有数字信息化“灵性”时,就宣告物联网(internet of things,IoT) 时代的到来。IoT,包括传感、传输和应用三层网络,传感位于其最末梢,以(sensor/transducer) 作为最直接的标志。是可接收外界感应并转换成电信号的检测装置,满足信息传输、处理、存储、显示和控制等功能需求。由感知元件和转换器件组成,由集成电路(IC)而芯片化,其高集成度、高精度、快响应特色使设计简单化、小型化且低价格,在物联网众多的领域得到广泛应用。那么,在国产化替代浪潮中,国产芯片所处技术水平如何?未来的发展趋势如何?带着这样的问题,我走进了专注于传感器研发的山东华科半导体研究院有限公司(以下简称华科半导体)。在位于中关村数码大厦的华科北京研发中心,我拜访了负责研发的洪婷副总,通过交流,对这个市场所具有的巨大潜力和技术走向有所认识。权威数据显示,中国传感器市场规模2018 年突破人民币2 000 亿元,2019 年达到2 310 亿元,2020 虽受疫情影响仍超过2 500 亿元,未来年增长将超过30%。传感器芯片既承载核心技术又占据主要价值,然而以往国内技术落后,难以自给自足。美国对“传感器革命”认识较早,因此产业支持力度很大,每年在传感器领域的研究和开发预算近七十亿美元。日本意识到“支配了传感器技术就能够支配新时代”,便持续进行巨大投入。为改变中高端传感器芯片被国外大公司垄断的局面,《国家集成电路产业发展推进纲要》强调提升传感器产业核心竞争力,为此国家工信部制定并发布了《传感器产业三年行动指南(2017-2019 年)》,各级政府足够重视并予以政策支持。如沐春风,众多本土传感器芯片新秀如雨后春笋,华科半导体便是其中佼佼者。华科半导体成立于2018年,虽然年轻,却拥有探测、小信号放大、模拟数字转换、校准算法、传感器标定等多项核心技术以及发明专利,致力于研发技术领先的高精度数字智能传感器芯片并瞄准国际先进水平,旨在提高替代进口能力以打破国外垄断。如图1 所示,为所涵盖国计民生各种物联网基础设施。

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图1 物联网传感器芯片的众多应用领域

华科半导体积极参与建设中国(济南)智能传感谷,打造面向全国的智能化传感器芯片设计、制造、封测、标定共享平台,未来还将制定高精度数字智能传感器行业标准,相信必将协同更多的国产传感器芯片公司占据物联网前沿传感技术的制高点。

2   百感交集“芯”感知的敏锐

随着5G 和物联网的发展,与我们日常生活最为贴近的计算机类、通信类、消费类电子产品,其核心器件处理速度越来越快,性能越来越强,功耗也随之增加,与此同时,这类产品对于温度管理和控制要求也日趋增强。为此华科半导体提供两个芯片系列,其一、精度为±1℃具有I2C 接口的HK1075。其二、精度为±0.5℃具有SPI接口的HK1001。如图2 所示为其典型的目标应用。

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HK1075 是一款内置带隙温度探测器和11 位模数转换器(ADC) 的数字温度传感器, 温度范围为-55 ℃ ~+125 ℃,分辨率达到0.125 ℃,提供过热预警功能 ;支持正常和低功耗两种工作模式,待机功耗小于1uA;通过双线串行I2C 总线接口与控制器通信,且总线部分与ADC 转换完全独立,访问器件不影响转换过程,可对标国外同类产品,易于实现国产化替代。HK1001 则是一款集成带隙温度探测器和13 位ADC 的数字温度传感器,温度分辨率可达0.03125 ℃,提供一组与SPI、QSPI、MICROWIRE 协议及DSP 兼容的串行接口,可与市场上多种MCU 通信,具有工作电压范围宽、工作电流低及多兼容性接口等特点。

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面向在智能家电、冷链和仪表中的应用,HK3015是一款集成温度和湿度检测的一体化传感器芯片。独特的电容式传感器元件用于测量相对湿度,而温度通过带隙传感器来测量,以保证可靠性和长期稳定性。测温范围为–40 ℃ ~ 125 ℃,精度为±0.3 ℃;测湿范围为0%RH ~ 100%RH,精度达到±2%RH 。采用14位ADC,温度分辨率0.01 ℃,湿度分辨率0.05%RH。HK3015 具有良好的低功耗表现,在测量状态下静态电流为0.55 mA,休眠状态下则为0.3 μA。HK3035 是面向智能供热通风与空气调节、环境监测系统或可穿戴设备应用的又一款将温度湿度检测一体化的传感器芯片,其突出特色是增强的信号处理能力和报警功能,通过内置数字信号处理模块对测试数据进行校准,进一步提高测量精度。同样测温和测湿范围内,测温精度为±0.1°,测湿精度为±1.5%RH。用户可选择双I2C 地址支持通信速度达1 MHz。 这些芯片都对标和兼容国外产品,易于进行国产化替代。

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对于智能仪器和检测系统的应用,数字温度传感器的精度需求更高,对此华科半导体推出了可胜任的HK1020 传感器芯片系列,其精度为±0.3℃,可以通过外部供电和寄生供电两种模式工作,还可配置高低温报警门限,通过单总线接口与MCU 通讯,或同时使用一个MCU 控制多个终端来实现大空间区域的温度检测。具有较宽的工作电压范围和较低功耗,适用于多种类型的温度控制系统。

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面向更多更高精度数字温度传感器的需求,华科半导体还提供精度为±0.1℃,测温分辨率0.0078 ℃的低功耗HK1017 系列,具有更高精度和更低功耗,适用于医疗健康和可穿戴设备。

3   千载机遇“芯”产业的奠定

要使中国的传感器芯片产业做大做强,打造面向未来的产业链基础设施尤为重要。在产业布局中,上游属于传感器芯片设计,要由专家级研究和专业开发团队,并提高强大的技术支持。中游凭借资深半导体制造、封装和测试团队及相关的先进设备晶圆来完成,主要集中在进行中测标定、芯片封装、成品测试标定。下游则是各种传感器应用,包括温度、环境、医用、压力、流量、水敏、光敏、气敏等类型传感器产品,还将扩大到物联网相关系统集成应用。华科半导体以高精度传感器芯片为物联网系统赋能,突破CMOS+MEMS 集成工艺和核心算法,拥有低功耗设计和软硬件一体化测试标定平台核心技术,具有全套器件建模、流片工艺、电路设计、封装设计、可靠性设计电路测试与试验、应用验证的完整的传感器芯片技术开发平台,并在此基础上打造业界独一无二的传感器芯片中测和成测校准平台,以及完善测试系统,独有的传感器标定、校准电路和测试程序设计开发方法,自主研发出系列高性能智能传感器芯片产品,并已走向市场化。“百年未有”之大变局必然与“千载难逢”的机遇相关。由于国际形势变幻莫测,中国物联网国产化自主创新势在必行。从产品方面来看,传感器芯片产品与国民经济息息相关,只要在测量精度和可靠性方面均优于国内外同类竞品,且具有对主流产品的兼容性,自主研发产品在多项性能指标上均保持行业先进水平,就可持续占据优势地位;从市场方面来看,确保最广泛的应用方向,能够完全替代进口产品,满足下游主流客户的应用需求。在保证产品高性能的前提下,产品具有较高的性价比,销售价格具有较强市场竞争力,能够快速打开销售市场以提升市场份额;从人才方面来看,需要不断集聚具有多年行业资深工作经验的集成电路设计开发、生产工艺制造和管理人员,在市场营销、生产运营、品质管理等团队的核心人员也需要拥有多年行业工作经历且积累丰富的运营和管理经验的资深人士。从技术专利方面来看,中国自主创新的高精度数字智能传感器芯片技术业已处于国际行业先进、国内行业领先水平,打破国外垄断志在必得。以华科半导体为例,目前拥有探测、小信号放大、模拟数字转换、校准算法等多项核心技术和专利,期待将来将有更加丰硕的成果。用芯片可以感知一个全新的世界,这就是物联网的魅力所在;用心智可以创造一个健全的智能化世纪,这就是物联网的功业所存。最后以华科半导体的企业口号“用芯连接世界,创造美好未来”作为对于物联网的憧憬!

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年10月期)



关键词: 202110 智能 传感器

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