2019年的新冠疫情重創(chuàng)了汽車市場的短期產量汽車產量,據多機構預測,2020年預計比2019年降低20%。然而COVID-19疫情全球蔓延并沒有阻止傳統(tǒng)汽車向電動汽車轉型趨勢,汽車電動化在疫情期間仍在加速,汽車市場復蘇可期。
意法半導體亞太區(qū)模擬器件、MEMS和傳感器事業(yè)部(AMS),MEMS產品市場應用負責人Davide Bruno表示,2019年的汽車電子市場總規(guī)模在350億美元區(qū)間,其中傳統(tǒng)汽車核心電子元器件約占65%,數字化與電動化占35%。如果要是按照10到20年前的發(fā)展節(jié)奏,改變這兩個比例可能需要15到20年的時間,甚至更長。但現在因為新項目、新產品和新技術的發(fā)展速度非??欤瑪底只碗妱踊急葘⑦_到60%以上,而傳統(tǒng)汽車核心電子將降至40%以下。從現在起3到5年后,這個預測將會變?yōu)楝F實。
除此之外,有兩種新的趨勢即將強勢來襲,一是共享汽車和汽車聯(lián)網正在成為一種社交需求,其中共享汽車將占10%以上,這將為包括ST在內的公司提供很多機會;再就是經濟型自動駕駛技術將不斷賦能新型出行服務,例如自動駕駛出租車。
所有這些都顯示出汽車工業(yè)轉型正在明顯加速,不斷順應交通工具新趨勢。而在整個汽車電子應用中,從當下爆火的SiC,到ADAS機器視覺、ADAS雷達、車聯(lián)網和5G技術,都能看到ST的身影。ST認為,隨著自動駕駛水平提高,預計整車半導體占比將明顯提高,而傳感器尤為突出。
傳感器登上汽車舞臺
我們都知道,一輛汽車上有多個不同的組件,從宏觀來看,有攝像頭、激光雷達、長距離雷達、近距離雷達和汽車超聲波雷達,在這些宏觀系統(tǒng)的子系統(tǒng)中,我們又能看到哪些傳感器?首先是運動傳感器,它從40年前就開始用于嵌入式安全;再就是環(huán)境傳感器和麥克風傳感器,這兩者都是相對較新的新事物,但也因此這兩類傳感器沒有明確的技術標準,Davide Bruno認為這是個復雜的問題。同時隨著汽車的電動化的發(fā)展,許多子系統(tǒng)需要彼此通信,多傳感器數據融合也是一個非常重要的課題。
那么汽車傳感器有哪些增長動能驅使呢?ST認為主要有四大類,分別是共享汽車門禁,路噪抑制,5G網絡帶來的網聯(lián)汽車以及輔助駕駛。
而這每個增長點又對應不同的技術需求,汽車門禁對低功耗要求較高,在這方面,ST擁有功耗最低的加速度計,從而可以實現無鑰匙門禁等汽車應用;路噪抑制則相對復雜些,它需要多顆傳感器來協(xié)同合作,融合震動傳感器和聲學傳感器數據,提升車內靜謐性體驗 (尤其是電動汽車);而對于車輛V2X/TBOX/ CAR ALARM等網聯(lián)汽車方面,ST一直是這些技術的先驅,如TESEO汽車處理器,特別是MEMS和慣性測量單元,ST都具有全套的開發(fā)工具,還有針對緊急電話救援服務應用的內置測斜計的汽車警報器。
真正改變游戲規(guī)則的是輔助駕駛。輔助駕駛的重點是各種系統(tǒng)的融合,其中包括新老型激光雷達和攝像頭。汽車雷達的傾斜角和安裝方式非常重要,ST對此專門研發(fā)了專門用于在汽車組裝生產線上檢測雷達傾斜度或穩(wěn)定性的傳感器。除此之外手機中的屏幕方向檢測或相機防抖功能有75%的幾率是采用ST的芯片,ST是相機光學防抖系統(tǒng)OIS的市場領導者。
過去的汽車沒有自動駕駛功能,自動駕駛級別為0,汽車完全由駕駛員操控。1級自動駕駛不是今天開始有的,而早在18年前就出現了。2級是從2015年開始的。3級到來是在2022年,5級是在2040年到來。Davide Bruno也指出,這個預測可能會相對保守些,還需要考慮居住環(huán)境道路的影響,舉例來說,與缺乏基礎設施或沒有全自動駕駛道路的地區(qū)相比,東京這樣的城市可能更快看到4級和5級自動駕駛的到來。但總體來看,到2040年,大多數汽車將實現全自動駕駛。
信息來源: SAE standard J3016
ST認為,2021年生產的汽車中有33%的比例將是2級和3級自動駕駛。不同的自動駕駛級別都會用到超聲雷達、長距離雷達、近距離雷達和激光雷達等傳感器。為了達到5級無人駕駛,汽車需要30多種傳感器協(xié)同工作。
傳感器在汽車的應用中有三次浪潮,汽車傳感器第一次應用浪潮是從1974年的發(fā)動機進氣壓力傳感器開始的。然后,所謂的主動安全應用到來。當汽車變得更豪華或者有很大的屏幕時,信息娛樂系統(tǒng)出現,需要使用更多的傳感器,我們將其稱為非安全應用。主動安全和非安全應用之間這段時間,稱為第二次浪潮。第三次浪潮始于主動安全,因為主動安全是自動駕駛汽車的一部分。ST正與所有一級和OEM汽車制造商一起謀劃這次應用浪潮,Davide Bruno講到。
而在這三次浪潮中,ST又是如何緊跟潮流發(fā)展的?從第一次浪潮轉到第二浪潮,ST是安全氣囊市場參與者。ST也是全球公認的汽車非安全應用芯片第一大制造商,非安全應用包括遠程信息處理、定位導航、無鑰匙門禁等。
“我認為麥克風是一個很有意思的汽車產品。首先,汽車行業(yè)沒有麥克風技術標準。ST是探索汽用麥克風性能的先驅之一。今天,我們清楚地看到有4種應用在推動對汽車麥克風的需求。首先是免提電話,其次是使用多個麥克風抑制路噪的降噪系統(tǒng),緊急呼叫,最后是車內通話應用。MP23DB01HP是我們提供給合作伙伴和客戶的工業(yè)級產品。”Davide Bruno談到。
鑒于汽車安全功能用慣性傳感器的市場滲透率越來愈大,ST也正在打入安全應用市場,尤其是翻車檢測和ADAS /自動駕駛。雖然ST在傳感器安全應用市場的剛起步,但Davide Bruno認為,智能手機中使用的慣性測量單元與安裝在5級自動駕駛汽車中的傳感器沒有太大區(qū)別。主要不同之處是汽車傳感器的更具挑戰(zhàn)性的技術要求:準確度、線性度和穩(wěn)定性。那么ST又將如何解決和應對這些需求呢?
2018 – 2023年汽車安全功能用慣性傳感器市場滲透率
汽車市場需要成本更低的MEMS傳感器
在安全控制方面,很多年前汽車就已經安裝了ESC(電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)),該系統(tǒng)能夠糾正我們的駕駛失誤,避免發(fā)生事故。今天,除了ESC,汽車制造商更加關注翻車檢測和穩(wěn)定控制。而MEMS傳感器不僅是防止側翻和加強汽車穩(wěn)定性控制的安全核心,還是駕駛員監(jiān)測系統(tǒng)的核心。
現在的航空器已經完全是4級或5級自動駕駛,飛行員實際上什么也沒做。但是,要啟用這樣的功能,你需要購買一套價值15萬美元的系統(tǒng),還需要一周的時間完成傳感器校準。這種傳感器本身與標準傳感器沒有太大區(qū)別。但是,校準意味著需要調校傳感器、ASIC芯片和全部固件,關鍵是要逐一校準。校準過程需要長達一周的時間。然而即使是戰(zhàn)略級的IMU其成本仍高達10,000美元。顯然,以入門級經濟汽車為例,假設其慣性模塊系統(tǒng)的成本是10,000美元,那么汽車的售價可能是12,000美元或15,000美元。因此,需要把這個成本降下來。
ST最新推出的慣性傳感器ASM330CHH,其最佳競品售價約10,000美元,校準需要1到2天的時間。調校好的ST 慣性傳感器和競爭對手A的高端慣性傳感器(售價約10,000美元)對比評測,在[-10..50]°C 溫度下,ST的慣性傳感器計算殘余偏移量和靈敏度誤差表現更好。
ST已經為客戶提供3/4/5自由度的慣性模塊或整合多個不同自由度的解決方案,以解決ESC系統(tǒng)、側翻檢測和穩(wěn)定控制需求。但是僅有機械感測單元還是不行的,封裝也是汽車MEMS傳感器的另一個重要部分。ST認為,陶瓷封裝將是汽車的未來,陶瓷封裝讓傳感器單元有更高的穩(wěn)定性和更好的線性度。
另外,在安全方面,ST還推出了一個全新的圖像傳感器系列產品,有兩種分辨率160萬和230萬像素,配合適合的信息處理系統(tǒng),攝像頭可以根據眼睛和面部表情判斷駕駛者的注意力。因此,當我們已無法很好控制自己但還必須操控汽車時,駕駛監(jiān)測系統(tǒng)將會提示我們把車停到路邊休息,這是一個非常有意義的應用。
另外,Davide Bruno還介紹了意法半導體為激光雷達市場做出的貢獻,ST MEMS微鏡可以顯著降低激光雷達成本。ST正在與知名科技公司Leddartech合作,為他們提供由MEMS微鏡和光學元件組成的激光雷達子系統(tǒng)?!拔㈢R不是傳感器,而是致動器或執(zhí)行器,這仍然屬于我們的開發(fā)領域,它們在總體上被視為MEMS傳感器?!盌avide Bruno解釋到。
今天,僅在消費電子市場,ST已銷售了數百萬顆MEMS傳感器,而截止去年為止,ST MEMS傳感器的總銷量已累計超過170億顆。ST的傳感器校準只需幾秒鐘。消費級傳感器的售價僅幾美元,甚至更低。
結語
未來,汽車將需要越來越多的傳感器,也需要集成度更高的運動傳感器,車廂內檢測需要高靈敏度的影像傳感器,但這不一定意味著需要研發(fā)新的傳感器,而是將現有傳器以新的方式應用在在汽車中。