20年！從芯片貿(mào)易到自主研發(fā)，窺視國產(chǎn)傳感器如何困境突圍？（多項(xiàng)領(lǐng)先）

隨著中國半導(dǎo)體及傳感器產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，以及中國經(jīng)濟(jì)的升級和轉(zhuǎn)型，在過去10年，傳感器及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，有大量的貿(mào)易型企業(yè)，向自主研發(fā)轉(zhuǎn)型，通過擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感器芯片等高附加值、高技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)，向產(chǎn)業(yè)鏈上游進(jìn)軍，書寫中國智造傳奇。

圍繞傳感器及信號鏈，中國誕生了許多優(yōu)秀的IC芯片設(shè)計企業(yè)。目前中國傳感器芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？國產(chǎn)傳感器芯片企業(yè)面臨哪些困境？在傳感器IC上中國企業(yè)取得了哪些突破？國產(chǎn)傳感器與國際大廠傳感器差距在哪里？此前，在Sensor Shenzhen 2024上，記者采訪了國產(chǎn)傳感器IC設(shè)計公司——深圳市茂捷半導(dǎo)體有限公司（下文簡稱“茂捷半導(dǎo)體”）總經(jīng)理：王健，我們將從這家國產(chǎn)企業(yè)身上窺視中國傳感器產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級大發(fā)展。

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20年！從芯片貿(mào)易到自主研發(fā)，見證中國產(chǎn)業(yè)升級轉(zhuǎn)型發(fā)展，多項(xiàng)傳感器芯片技術(shù)全球領(lǐng)先獲國家專利！

縱觀中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多今日鼎鼎大名的芯片企業(yè)，均起家于電子器件、芯片貿(mào)易等代理業(yè)務(wù)，這些企業(yè)大部分在2000年左右成立，這與中國經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展的時代洪流息息相關(guān)。

譬如我國最大的傳感器企業(yè)、CMOS圖像傳感器公司韋爾股份，前身是成立于1998年的北京華清興昌科貿(mào)有限公司——以電子元器件分銷為主要業(yè)務(wù)，2007年華清興昌創(chuàng)始人虞仁榮才在上海成立半導(dǎo)體元器件設(shè)計公司——韋爾股份，最終韋爾股份在2019年收購豪威科技，一舉進(jìn)入全球CMOS圖像傳感器廠商前列，虞仁榮也成為中國芯片首富。

茂捷半導(dǎo)體也是如此，據(jù)王健介紹，茂捷半導(dǎo)體最早成立于2004年，以芯片貿(mào)易為主要業(yè)務(wù)。隨著業(yè)務(wù)的深入，為了有更好的企業(yè)發(fā)展空間，同時適應(yīng)國家經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的時代要求，2013年，在王健帶領(lǐng)下，茂捷半導(dǎo)體開始進(jìn)行芯片研發(fā)，轉(zhuǎn)型為一家Fabless芯片設(shè)計企業(yè)。目前，芯片貿(mào)易與IC設(shè)計，是茂捷半導(dǎo)體兩大業(yè)務(wù)板塊。

茂捷半導(dǎo)體的IC設(shè)計主要為純模擬電路和數(shù)模混合集成電路設(shè)計，產(chǎn)品為傳感器驅(qū)動IC、光電傳感器IC、電感式傳感器IC、感式編碼器IC、AC-DC等芯片產(chǎn)品，提供傳感器、信號鏈、電源管理等豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化傳感器、信息通訊及電源等消費(fèi)電子領(lǐng)域。

據(jù)王健介紹，茂捷半導(dǎo)體在工業(yè)自動化領(lǐng)域的專用傳感器芯片已經(jīng)深耕多年，對于感式測距、光電測距、感式測角、測距算法、高壓可靠性等業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的話題鉆研較深，申請了多項(xiàng)相關(guān)發(fā)明專利。

其中，王健特別介紹了三種主要的專利技術(shù)產(chǎn)品，我們從中可以看到國產(chǎn)傳感器芯片企業(yè)的產(chǎn)品規(guī)劃策略和在技術(shù)突破上做出的努力。

一、行業(yè)首創(chuàng)：自動識別PNP型/NPN型負(fù)載輸出的光電感應(yīng)開關(guān)芯片

在工業(yè)自動化設(shè)備和流水線自動化檢測中，各種接近式傳感器十分常見，主要為了在不進(jìn)行物理接觸的情況下，感知物體或人體的存在或位置，以避免約束或限制所感知物體的移動——這對流水線運(yùn)轉(zhuǎn)和安全至關(guān)重要。

接近式傳感器包括電感式接近開關(guān)、安全防爆式接近開關(guān)、電感模擬量輸出接近開關(guān)、磁感應(yīng)接近開關(guān)、電容式接近開關(guān)等。無論哪種模式的接近式傳感器，一般包括三個部分，一是接收或者產(chǎn)生感應(yīng)信號部分的供電部分；二是識別處理的主電路部分；三是作為開關(guān)作用打開或者關(guān)閉的受控開關(guān)器件部分。

一般來說，根據(jù)受控開關(guān)器件的方式不同，可以分為NPN型接近開關(guān)和PNP型接近開關(guān)，目前的應(yīng)用方案必須在了解負(fù)載類型的基礎(chǔ)上，針對性的采用對應(yīng)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)，否則無法正常驅(qū)動工作。比如NPN型的負(fù)載結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的接近式開關(guān)驅(qū)動電路必須是NPN型的驅(qū)動電路，PNP型的負(fù)載結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的接近式開關(guān)驅(qū)動電路必須是PNP型的驅(qū)動電路，無法實(shí)現(xiàn)同一種電路可以兼容驅(qū)動兩種結(jié)構(gòu)的負(fù)載。

下圖為NPN型和PNP型兩種接近開關(guān)的接線圖示意：

王健敏銳地意識到傳統(tǒng)接近式傳感器在這方面的局限，于是帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出能夠自動識別PNP型/NPN型負(fù)載輸出的光電感應(yīng)開關(guān)芯片——同時支持PNP和NPN兩種接近式傳感器信號輸出，這讓下游傳感器客戶的使用更為方便，通過開辟這一細(xì)分市場，茂捷半導(dǎo)體獲得了豐厚的訂單。

“通過我們的專用芯片自動去識別，這樣幫助生產(chǎn)廠商減少備貨，減少庫存，也幫助客戶減少選擇，他們用起來會更方便，這是我們的一個優(yōu)勢。”

二、全球領(lǐng)先：接近傳感器溫度補(bǔ)償算法

接近傳感器在工作時的溫度變化會導(dǎo)致傳感器的電子元件和材料的性能發(fā)生變化，從而影響傳感器的靈敏度及檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在如工業(yè)自動化和機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用中，傳感器的穩(wěn)定性對于準(zhǔn)確感知目標(biāo)物體的位置和距離非常重要。而通過溫度補(bǔ)償，可以提高傳感器的穩(wěn)定性，減少由于溫度變化引起的誤差。

目前接近傳感器常用的補(bǔ)償方式為采用模擬電路進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式無法在成品級進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償，當(dāng)工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時其動作距離較常溫下會發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致準(zhǔn)確性無法得到保證,還會增加系統(tǒng)成本。

此外，還有相關(guān)芯片使用數(shù)字溫度補(bǔ)償?shù)姆绞?，其補(bǔ)償過程步驟繁瑣，且存在一致性較差的問題，生產(chǎn)效率低。

因此，茂捷半導(dǎo)體研發(fā)出研發(fā)出一種接近傳感器溫度自動調(diào)節(jié)方法，不僅節(jié)約了成本，同時適用范圍更廣、補(bǔ)償精度高，彌補(bǔ)了振蕩電路電壓隨溫度變化的缺陷，有效提高了接近傳感器在各溫度下測試距離的一致性，增加了傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。

王捷認(rèn)為該接近傳感器溫度補(bǔ)償算法全球領(lǐng)先的，且傳感器精度和性能比歐美大廠都要好：

“我們里面有一個溫度補(bǔ)償?shù)囊粋€算法。我們的這個算法目前是全球領(lǐng)先的，整個我們產(chǎn)品方案做出來的精度的話，會比目前歐洲的這些大廠做的性能會更好，這個是我們覺得比較驕傲的。”

三、國內(nèi)領(lǐng)先：光電傳感器同頻光干擾算法

光電傳感器在日常應(yīng)用中，一個影響傳感器靈敏度和穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，在于周圍環(huán)境中各種光在漫反射過程中產(chǎn)生的干擾，其中以同頻光干擾最為嚴(yán)重。

處理同頻光干擾，能有效減弱環(huán)境光、太陽光以及其它可能的觸發(fā)接收感應(yīng)的光干擾，減少應(yīng)用中誤動作的出現(xiàn)概率，對光電傳感器在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用至關(guān)重要。

因此，茂捷半導(dǎo)體研發(fā)了一套光電傳感器同頻光干擾算法，據(jù)王健介紹，該算法處于國內(nèi)領(lǐng)先、國際頂尖的水平：

“同頻光的這個干擾，國內(nèi)目前處理的話是比較困難的，沒有一家企業(yè)能很好的可以把這個問題解決。在這一塊，我們自己研發(fā)了一套算法，可以很好的去把這個同頻光的干擾濾掉。在國內(nèi)來講是屬于比較領(lǐng)先的，無論是國內(nèi)來講還是國際上來講，這個算法都是比較頂尖的。”

此外，王健也強(qiáng)調(diào)，茂捷定義的芯片產(chǎn)品雖然在性能上對標(biāo)國外友商，但是不對友商的產(chǎn)品做pin-to-pin兼容，而是有自己特有的應(yīng)用方案。并且在眾多下游客戶的支持下，新增了不少特色功能。通過特有方案+特色功能的策略，茂捷半導(dǎo)體有效提升了客戶對于公司產(chǎn)品的粘性。

差距10年！為什么中國傳感器與國際領(lǐng)先水平差距大？

茂捷半導(dǎo)體在國產(chǎn)工業(yè)傳感器領(lǐng)域耕耘多年，作為我國工業(yè)傳感器企業(yè)中流砥柱中的一員，茂捷半導(dǎo)體對國產(chǎn)傳感器與國際先進(jìn)水平的差距和優(yōu)劣勢，有著自己的看法，在這里，我們也可以窺視國產(chǎn)傳感器企業(yè)在面對國際廠商競爭中的發(fā)展戰(zhàn)略思考。

王健認(rèn)為，目前中國國內(nèi)在傳感器核心芯片上的研發(fā)比較落后，從其所屬工業(yè)傳感器細(xì)分領(lǐng)域來看，整體上大概有5到10年左右的差距。國產(chǎn)的工業(yè)傳感器研發(fā)生產(chǎn)主要集中在中低端產(chǎn)品，相對于國外的產(chǎn)品售價低，品質(zhì)性能相對較差，中國傳感器廠商所占的份額也比較低。

那么，在工業(yè)傳感器領(lǐng)域，什么原因造成國內(nèi)外差距較大呢？

王健稱，主要有三方面的原因：

1、歐美日在全球搞工業(yè)自動化，積累了大量的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

2、基于具體應(yīng)用的需求，研發(fā)每家專用的傳感器方案芯片

3、參數(shù)指標(biāo)冗余度高。

王健舉例了工業(yè)傳感器龍頭企業(yè)德國Sick、日本松下、歐姆龍等企業(yè)的情況：

“它們公司內(nèi)部都有專門的芯片研發(fā)部門，所有的核心芯片都是自研自銷，自研以后自己用的，不對外進(jìn)行銷售的。而國內(nèi)的廠商基本上都是用分離器件去搭的傳感器電路，他們的這種國際大廠的集成度就非常高，集成度高，采用的元器件少，那么它的可靠性就上去了。國內(nèi)的用各種元器件去搭的電路，它的性能因?yàn)樗鼪]有采用專用的方案，性能肯定會弱一些，可靠性也會弱一些。這個就是目前國內(nèi)廠商和國際廠商的，存在比較大品質(zhì)上的差距的根本原因之一。”

隨著近年來國家對MEMS智能傳感器及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重視，我國許多企業(yè)如茂捷半導(dǎo)體等，正在縮小這個差距，更多更優(yōu)的傳感器芯片方案，幫助中國工業(yè)傳感器廠商趕超國際水平。

困境突圍！面對國內(nèi)外競爭，工業(yè)傳感器如何提高可靠性？如何提高競爭力？如何滿足客戶需求？

在傳感器領(lǐng)域，國產(chǎn)傳感器產(chǎn)品在國際廠商面前，往往處于劣勢，尤其是對傳感器可靠性、穩(wěn)定性要求較高的工業(yè)、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域，更是如此。

在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)線的可靠勝過一切。譬如，一條汽車生產(chǎn)線啟動，停工1分鐘就相當(dāng)于損失1輛車，停產(chǎn)超過半小時，無異于一次重大事故。

過往，國產(chǎn)傳感器的穩(wěn)定性、可靠性較差，在工業(yè)生產(chǎn)中往往得不到甲方的認(rèn)可，即使國外傳感器貴上10倍、用戶支持周期漫長，為了穩(wěn)定性考慮，許多工廠選擇將國產(chǎn)傳感器拒之門外。

作為國產(chǎn)工業(yè)傳感器芯片廠商，茂捷半導(dǎo)體在開拓國內(nèi)工業(yè)傳感器市場的過程中，也歷盡艱辛，那么其怎么保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性？

王健介紹，茂捷半導(dǎo)體主要通過三方面控制其傳感器芯片產(chǎn)品的質(zhì)量：

1、工業(yè)級、車規(guī)級芯片設(shè)計工藝，茂捷半導(dǎo)體所有芯片采用工業(yè)級和車規(guī)級的晶圓設(shè)計工藝，保證芯片從一開始就滿足工業(yè)、車規(guī)的相關(guān)要求。

2、傳感器芯片性能指標(biāo)冗余度高，在產(chǎn)品設(shè)計中，通過高余量的參數(shù)設(shè)計，保證后期使用中芯片指標(biāo)符合要求。

3、測試標(biāo)準(zhǔn)全覆蓋，在產(chǎn)品測試中，茂捷半導(dǎo)體通過結(jié)合國際、國內(nèi)廠商的測試標(biāo)準(zhǔn)，并跟進(jìn)終端用戶的最新需求標(biāo)準(zhǔn)，整理出獨(dú)有的、嚴(yán)格的產(chǎn)品測試體系，保證產(chǎn)品全面覆蓋用戶的各種工況需求。

在面對國外企業(yè)的競爭中，國產(chǎn)傳感器廠商天然地處于弱勢地位，因此除了保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性外，國產(chǎn)傳感器需要在產(chǎn)品特色、性能上，也需要極具競爭力，才能取得認(rèn)可。

在這方面，王健認(rèn)為茂捷半導(dǎo)體相比其他傳感器廠商，確保了三方面的優(yōu)勢，這也值得許多國產(chǎn)傳感器企業(yè)學(xué)習(xí)。

首先，茂捷半導(dǎo)體研發(fā)的芯片相對于國內(nèi)外的方案集成度更高，外圍所需元器件會更少。通過高集成度的芯片方案，客戶的生產(chǎn)難度將大幅降低，最終產(chǎn)品的可靠性得到較大的提升，王健稱“這樣子下來的話，我們的這個產(chǎn)品和國際廠商相比較，它的競爭力就上去了。這個是我們目前，我認(rèn)為是對整個行業(yè)最大的一個貢獻(xiàn)?！?/strong>