原创 20年!从芯片贸易到自主研发,窥视国产传感器如何困境突围?(多项领先)

2024-5-21 17:36 170 2 2 分类: 消费电子

随着中国半导体及传感器产业的快速发展,以及中国经济的升级和转型,在过去10年,传感器及半导体产业,有大量的贸易型企业,向自主研发转型,通过拥有完全自主知识产权的传感器芯片等高附加值、高技术的产品研发,向产业链上游进军,书写中国智造传奇。

围绕传感器及信号链,中国诞生了许多优秀的IC芯片设计企业。目前中国传感器芯片设计产业现状如何?国产传感器芯片企业面临哪些困境?在传感器IC上中国企业取得了哪些突破?国产传感器与国际大厂传感器差距在哪里?此前,在Sensor Shenzhen 2024上,记者采访了国产传感器IC设计公司——深圳市茂捷半导体有限公司(下文简称“茂捷半导体”)总经理:王健,我们将从这家国产企业身上窥视中国传感器产业的转型升级大发展。

专家档案

茂捷半导体总经理 王健

20年!从芯片贸易到自主研发,见证中国产业升级转型发展,多项传感器芯片技术全球领先获国家专利!

纵观中国半导体产业的发展,许多今日鼎鼎大名的芯片企业,均起家于电子器件、芯片贸易等代理业务,这些企业大部分在2000年左右成立,这与中国经济、科技发展的时代洪流息息相关。

譬如我国最大的传感器企业、CMOS图像传感器公司韦尔股份,前身是成立于1998年的北京华清兴昌科贸有限公司——以电子元器件分销为主要业务,2007年华清兴昌创始人虞仁荣才在上海成立半导体元器件设计公司——韦尔股份,最终韦尔股份在2019年收购豪威科技,一举进入全球CMOS图像传感器厂商前列,虞仁荣也成为中国芯片首富。

茂捷半导体也是如此,据王健介绍,茂捷半导体最早成立于2004年,以芯片贸易为主要业务。随着业务的深入,为了有更好的企业发展空间,同时适应国家经济高质量转型发展的时代要求,2013年,在王健带领下,茂捷半导体开始进行芯片研发,转型为一家Fabless芯片设计企业。目前,芯片贸易与IC设计,是茂捷半导体两大业务板块。

茂捷半导体的IC设计主要为纯模拟电路和数模混合集成电路设计,产品为传感器驱动IC、光电传感器IC、电感式传感器IC、感式编码器IC、AC-DC等芯片产品,提供传感器、信号链、电源管理等丰富的半导体产品及解决方案,并被广泛应用于工业自动化传感器、信息通讯及电源等消费电子领域。

▲茂捷半导体IC设计产品种类,来源:茂捷半导体官网

经历10多年的发展,茂捷半导体在多项传感器芯片技术上获得突破。

据王健介绍,茂捷半导体在工业自动化领域的专用传感器芯片已经深耕多年,对于感式测距、光电测距、感式测角、测距算法、高压可靠性等业内普遍关注的话题钻研较深,申请了多项相关发明专利。

其中,王健特别介绍了三种主要的专利技术产品,我们从中可以看到国产传感器芯片企业的产品规划策略和在技术突破上做出的努力。

一、行业首创:自动识别PNP型/NPN型负载输出的光电感应开关芯片

在工业自动化设备和流水线自动化检测中,各种接近式传感器十分常见,主要为了在不进行物理接触的情况下,感知物体或人体的存在或位置,以避免约束或限制所感知物体的移动——这对流水线运转和安全至关重要。

接近式传感器包括电感式接近开关、安全防爆式接近开关、电感模拟量输出接近开关、磁感应接近开关、电容式接近开关等。无论哪种模式的接近式传感器,一般包括三个部分,一是接收或者产生感应信号部分的供电部分;二是识别处理的主电路部分;三是作为开关作用打开或者关闭的受控开关器件部分。

一般来说,根据受控开关器件的方式不同,可以分为NPN型接近开关和PNP型接近开关,目前的应用方案必须在了解负载类型的基础上,针对性的采用对应的驱动结构的电路结构,否则无法正常驱动工作。比如NPN型的负载结构,对应的接近式开关驱动电路必须是NPN型的驱动电路,PNP型的负载结构,对应的接近式开关驱动电路必须是PNP型的驱动电路,无法实现同一种电路可以兼容驱动两种结构的负载。

下图为NPN型和PNP型两种接近开关的接线图示意:

▲来源:网络

王健敏锐地意识到传统接近式传感器在这方面的局限,于是带领团队研发出能够自动识别PNP型/NPN型负载输出的光电感应开关芯片——同时支持PNP和NPN两种接近式传感器信号输出,这让下游传感器客户的使用更为方便,通过开辟这一细分市场,茂捷半导体获得了丰厚的订单。

“通过我们的专用芯片自动去识别,这样帮助生产厂商减少备货,减少库存,也帮助客户减少选择,他们用起来会更方便,这是我们的一个优势。

▲茂捷半导体光电感应开关芯片介绍及结构图,来源:国家知识产权局

二、全球领先:接近传感器温度补偿算法

接近传感器在工作时的温度变化会导致传感器的电子元件和材料的性能发生变化,从而影响传感器的灵敏度及检测结果的准确性。

在如工业自动化和机器人领域的应用中,传感器的稳定性对于准确感知目标物体的位置和距离非常重要。而通过温度补偿,可以提高传感器的稳定性,减少由于温度变化引起的误差。

目前接近传感器常用的补偿方式为采用模拟电路进行补偿,这种方式无法在成品级进行温度漂移补偿,当工作环境温度发生变化时其动作距离较常温下会发生较大的变化,导致准确性无法得到保证,还会增加系统成本。

此外,还有相关芯片使用数字温度补偿的方式,其补偿过程步骤繁琐,且存在一致性较差的问题,生产效率低。

因此,茂捷半导体研发出研发出一种接近传感器温度自动调节方法,不仅节约了成本,同时适用范围更广、补偿精度高,弥补了振荡电路电压随温度变化的缺陷,有效提高了接近传感器在各温度下测试距离的一致性,增加了传感器的可靠性和稳定性。

王捷认为该接近传感器温度补偿算法全球领先的,且传感器精度和性能比欧美大厂都要好:

我们里面有一个温度补偿的一个算法。我们的这个算法目前是全球领先的,整个我们产品方案做出来的精度的话,会比目前欧洲的这些大厂做的性能会更好,这个是我们觉得比较骄傲的。”

▲茂捷半导体接近传感器温度补偿算法介绍及结构图,来源:国家知识产权局

三、国内领先:光电传感器同频光干扰算法

光电传感器在日常应用中,一个影响传感器灵敏度和稳定性的关键因素,在于周围环境中各种光在漫反射过程中产生的干扰,其中以同频光干扰最为严重。

处理同频光干扰,能有效减弱环境光、太阳光以及其它可能的触发接收感应的光干扰,减少应用中误动作的出现概率,对光电传感器在工业生产中的应用至关重要。

因此,茂捷半导体研发了一套光电传感器同频光干扰算法,据王健介绍,该算法处于国内领先、国际顶尖的水平

“同频光的这个干扰,国内目前处理的话是比较困难的,没有一家企业能很好的可以把这个问题解决。在这一块,我们自己研发了一套算法,可以很好的去把这个同频光的干扰滤掉。在国内来讲是属于比较领先的,无论是国内来讲还是国际上来讲,这个算法都是比较顶尖的。

此外,王健也强调,茂捷定义的芯片产品虽然在性能上对标国外友商,但是不对友商的产品做pin-to-pin兼容,而是有自己特有的应用方案。并且在众多下游客户的支持下,新增了不少特色功能通过特有方案+特色功能的策略,茂捷半导体有效提升了客户对于公司产品的粘性。

差距10年!为什么中国传感器与国际领先水平差距大?

茂捷半导体在国产工业传感器领域耕耘多年,作为我国工业传感器企业中流砥柱中的一员,茂捷半导体对国产传感器与国际先进水平的差距和优劣势,有着自己的看法,在这里,我们也可以窥视国产传感器企业在面对国际厂商竞争中的发展战略思考。

王健认为,目前中国国内在传感器核心芯片上的研发比较落后,从其所属工业传感器细分领域来看,整体上大概有5到10年左右的差距。国产的工业传感器研发生产主要集中在中低端产品,相对于国外的产品售价低,品质性能相对较差,中国传感器厂商所占的份额也比较低。

那么,在工业传感器领域,什么原因造成国内外差距较大呢?

王健称,主要有三方面的原因:

1、欧美日在全球搞工业自动化,积累了大量的应用经验

2、基于具体应用的需求,研发每家专用的传感器方案芯片

3、参数指标冗余度高。

王健举例了工业传感器龙头企业德国Sick、日本松下、欧姆龙等企业的情况:

“它们公司内部都有专门的芯片研发部门,所有的核心芯片都是自研自销,自研以后自己用的,不对外进行销售的。国内的厂商基本上都是用分离器件去搭的传感器电路,他们的这种国际大厂的集成度就非常高,集成度高,采用的元器件少,那么它的可靠性就上去了。国内的用各种元器件去搭的电路,它的性能因为它没有采用专用的方案,性能肯定会弱一些,可靠性也会弱一些。这个就是目前国内厂商和国际厂商的,存在比较大品质上的差距的根本原因之一。

随着近年来国家对MEMS智能传感器及半导体产业的重视,我国许多企业如茂捷半导体等,正在缩小这个差距,更多更优的传感器芯片方案,帮助中国工业传感器厂商赶超国际水平。

困境突围!面对国内外竞争,工业传感器如何提高可靠性?如何提高竞争力?如何满足客户需求?

在传感器领域,国产传感器产品在国际厂商面前,往往处于劣势,尤其是对传感器可靠性、稳定性要求较高的工业、医疗、汽车等领域,更是如此。

在工业生产中,生产线的可靠胜过一切。譬如,一条汽车生产线启动,停工1分钟就相当于损失1辆车,停产超过半小时,无异于一次重大事故。

过往,国产传感器的稳定性、可靠性较差,在工业生产中往往得不到甲方的认可,即使国外传感器贵上10倍、用户支持周期漫长,为了稳定性考虑,许多工厂选择将国产传感器拒之门外。

作为国产工业传感器芯片厂商,茂捷半导体在开拓国内工业传感器市场的过程中,也历尽艰辛,那么其怎么保证产品的稳定性和可靠性?

王健介绍,茂捷半导体主要通过三方面控制其传感器芯片产品的质量:

1、工业级、车规级芯片设计工艺,茂捷半导体所有芯片采用工业级和车规级的晶圆设计工艺,保证芯片从一开始就满足工业、车规的相关要求。

2、传感器芯片性能指标冗余度高,在产品设计中,通过高余量的参数设计,保证后期使用中芯片指标符合要求。

3、测试标准全覆盖,在产品测试中,茂捷半导体通过结合国际、国内厂商的测试标准,并跟进终端用户的最新需求标准,整理出独有的、严格的产品测试体系,保证产品全面覆盖用户的各种工况需求。

在面对国外企业的竞争中,国产传感器厂商天然地处于弱势地位,因此除了保证产品的稳定性、可靠性外,国产传感器需要在产品特色、性能上,也需要极具竞争力,才能取得认可。

在这方面,王健认为茂捷半导体相比其他传感器厂商,确保了三方面的优势,这也值得许多国产传感器企业学习。

首先,茂捷半导体研发的芯片相对于国内外的方案集成度更高,外围所需元器件会更少。通过高集成度的芯片方案,客户的生产难度将大幅降低,最终产品的可靠性得到较大的提升,王健称“这样子下来的话,我们的这个产品和国际厂商相比较,它的竞争力就上去了。这个是我们目前,我认为是对整个行业最大的一个贡献。”

其次,对各种技术方案的创新改进。王健认为,国内企业有后发优势,茂捷半导体在研发上,基于市面上现有传感器芯片方案的优缺点,进行了许多改进,譬如上文中提及的自动识别PNP型/NPN型负载输出的光电感应开关芯片,有效解决许多传感器客户的选型痛点。

第三,参数指标设计的高冗余。无论任何时候,参数指标是一个传感器最基础的竞争力,在工业自动化的高速发展中,对传感器提出了更多更高的要求,为了适应新的应用,确保传感器不那么快被时代淘汰,在设计之初传感器的参数指标就要留有较高的冗余度。

从确保传感器芯片的可靠性、稳定性,到打造传感器产品的优势和特有竞争力,茂捷半导体不断巩固自身的竞争优势。

然而,在高度竞争、充满内卷的市场中,光产品实力还不行,还需要比拼服务——这也侧面折射出广大国产传感器企业的艰辛。

在此前对多家国际传感器企业的专访中,频频提及国产传感器企业在快速响应上,具有国际企业无法比拟的优势。

王健也强调,快速响应和快速服务,是茂捷半导体赢得客户的一个关键原因之一,这基于其积累的、丰富的具有自主知识产权的IP。

在这里,王健举了一个令人印象深刻的例子:

“当我们的客户有新的需求的时候,我们会快速的响应,用最短的时间可以整合出我们客户想要的产品。比如说昨天我们在展会上,就有客户上门来,希望我们去定制一款芯片,因为目前他所要的这个功能的芯片只有一家欧洲厂商有做,国内这边是完全没有的。但是这个需求对我们来讲的话,没有任何的难度。原因很简单,因为我们主要的IP都已经积累出来了。那么我们开发的这个速度就会非常快,能够灵活的满足我们的客户的需求。”

芯片IP,在集成电路设计中,指经过验证的、可重复使用且具备特定功能的集成电路模块,通过成熟稳定的IP模块设计,能够快速输出芯片解决方案。这就像西装定制,通过积累大量的版型、衣袖、衣身、裤腿等模块,针对不同身材的客户都能快速经济的给出适配的方案。

“我们公司的芯片产品并非单个单个的进行设计,而是在一开始就同时考虑光感式、光电、高压等芯片产品的普遍共性问题,既定义了芯片产品也定义了功能IP模块。有了这些模块才能满足不同客户需求。基于我们长时间的IP研发积累,基本能满足客户个性的定制需求。”

全球唯一全门类工业体系国家!中国为国产工业传感器企业提供发展沃土

据联合国工业发展组织的统计显示,中国是世界上唯一一个拥有全门类工业体系的国家!工业门类分为39个大类,191个中类,525个小类,中国是世界上唯一一个拥有全门类、独立、完整工业体系的国家。

中国庞大的工业体系基础,也为国产传感器企业提供了发展的沃土,这是其他国家所没有的优势。

“中国的制造业在全球占比很高,“世界工厂”的名头实至名归,天然就对工业自动化有大量需求。本土自动化厂商更贴近制造业客户,更熟悉和理解他们的烦恼,更能及时响应他们的召唤。其次,在招工难、招工贵的今天,采用更多自动化设备降本增效也是众多制造业厂商客观的、迫切的需求。三是国内大力倡导的“工业4.0”包含智能工厂、智能生产、智能物流等三大方面,这三方面都离不开工业自动化。

基于以上理由,我们认为国内制造业和工业自动化专业厂商都将迎来大发展,制造业大国终将成为制造业强国。

结语

从芯片贸易到自主研发,是包括传感器在内的许多中国高科技产业的发展规律,通过贸易积累资本,通过资金进行技术研发,这也是时代大势的必然。

从技术的创新突破、产品质量的控制到IP的积累,在茂捷半导体身上,我们能看到许多国产传感器企业锐意进取的身影。

虽然目前中国传感器产业仍然落后,但在这片全球仅有的工业沃土上,在许多国产传感器企业的共同努力下,国产传感器未来可期!


作者: 传感器专家网, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-4014477.html

版权声明:本文为博主原创,未经本人允许,禁止转载!

文章评论0条评论)

登录后参与讨论
EE直播间
更多
我要评论
0
2
关闭 站长推荐上一条 /7 下一条