汽车传感器科普

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先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistant System),简称ADAS,是利用安装于车上的各式各样的传感器, 在第一时间收集车内外的环境数据, 进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处理, 从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险, 以引起注意和提高安全性的主动安全技术。

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汽车传感器装备的目的不同,可以分为提升单车信息化水平的传统微机电传感器(MEMS)和为无人驾驶提供支持的智能传感器两大类。MEMS 在汽车各系统控制过程中进行信息的反馈,实现自动控制,是汽车的“神经元”。而智能传感器则直接向外界收集信息,是无人驾驶车辆的“眼睛”。

 

汽车智能化的根基——传感器

 

传感器是汽车电子控制系统的信息来源,是车辆电子控制系统的基础关键部件。传感器通常由敏感元件、转换元件和转换电路组成,其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分,转换元件是将上述非电量转换成电参量,转换电路的作用是将转换元件输出的电信号经过处理转换成便于处理、显示、记录和控制的部分。从目前汽车传感器装备的目的不同,可以分为提升单车信息化水平的传统微机电传感器和为无人驾驶提供支持的智能传感器两大类。

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▲汽车传感器的构成

传统传感器:各个系统控制过程依靠传感器,进行信息的反馈,实现自动控制工作,是汽车的“神经元”。汽车传统传感器依照功能可以分为压力传感器、位置传感器、温度传感器、加速度传感器、角速度传感器、流量传感器、气体浓度传感器和液位传感器等 8 类。汽车传感器主要应用于动力总成系统,车身控制系统以及底盘系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输功用,它采集的信息由电控单元进行处理后,形成向执行器发出的指令,完成电子控制。

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▲传统传感器分类

智能传感器:智能传感器是无人驾驶车辆的“眼睛”。随着汽车无人驾驶技术的突破,汽车电子开始注重传感器的智能化发展;汽车正在向一台安全联网的自动驾驶机器人快速演进,进行环境感知、规划决策,最终实现安全抵达目的地。目前应用于环境感知的主流传感器产品主要包括激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达和摄像头等四类。

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▲智能传感器分类

MEMS 传感器:汽车微感官

MEMS 传感器是在半导体制造技术基础上发展起来,采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。MEMS 传感器广泛应用于电子车身稳定程序(ESP)、防抱死(ABS)、电控悬挂(ECS)、胎压监控(TPMS) 等系统。其中,压力传感器、加速计、陀螺仪与流量传感器是汽车中使用最多的 MEMS 传感器,占汽车 MEMS 系统的 99%。

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▲MEMS 应用广泛

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▲MEMS 传感器价值较为集中

MEMS 具有较为明显的优势,是未来构筑物联网感知层传感器的主要选择之一,其优势主要体现在:1)微型化、2)硅基加工工艺、3)批量生产、4)集成化。

1)微型化:MEMS 器件体积小,单个尺寸以毫米甚至微米作为计量单位,重量轻,耗能低。MEMS 更高的表面体积比(表面积比体积)可以提高表面传感器的敏感程度。

2)批量生产:以单个 5mm5mm 尺寸的 MEMS 传感器为例,用硅微加工工艺在一片 8英寸的硅片晶元上可同时切割出大约 1000 个 MEMS 芯片,批量生产可大大降低单个MEMS 的生产成本 。

3)集成化:一般来说,单颗 MEMS 往往在封装机械传感器的同时,还会集成 ASIC芯片,控制 MEMS 芯片以及转换模拟量为数字量输出。

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▲MEMS 与 ASIC 芯片集成化封装

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▲MEMS 可批量生产降低制造成本

 

国外大厂垄断 MEMS 传感器市场,市场集中度较高。根据 HIS Automotive 统计,2017年全球 MEMS 前三大供应商(博世、森萨塔、恩智浦)占据了 57%的市场份额,其中博世占据鳌头,2017 年市占率达到 33.62%,森萨塔市占率达到 12.34%,恩智浦市占率达到 11.91%。电装(8.94%)、亚德诺(8.51%)、松下(7.45%)、英飞凌(7.23%)等厂商也占有一定份额。

国外大厂产品线广、技术领先、客户众多、形成较高的进入门槛。MEMS 传感器的研发难度及其制造工艺的复杂性是形成行业壁垒的主要原因。Invensense、英飞凌等国外厂商拥有 2 到 3 条产品线,博世、电装、意法半导体等 MEMS 产品线超过 4 条。相比之下,小供应商很难在较短时间内实现大批量生产制造,因此排名靠前的大供应商市场份额相对稳定,市场集中度较高。

 

MEMS 传感器装配量和价值量与其装配车型价位成正比。目前平均每辆汽车包含 24个 MEMS 传感器,而在高档汽车中,大约会采用 25-40 个 MEMS 传感器。例如 BMW高端车型仅发动机就可以用到 20-40 个传感器,而入门级车型仅 5 个左右。常用 MEMS传感器后装单车价值在 2000-20000 元不等;合资车通常不低于 4000 元,而自主品牌仅 2000 元左右,高端车型约为 10000-20000 元。 预计到 2019 年 MEMS 传感器市场规模可达到 420.13 亿元;随着智能化和电动化的提升,2020 年和 2021 年市场规模可分别达到 446.21 亿元,472.27 亿元,2015-2021 年复合增速为 6.5%。

 

 

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