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      意法半導體:應對汽車傳感器應用的第三次浪潮

      2020-10-22 19:17 來源:eechina 作者:

      汽車雖然并非新生事物,但這些年來造車市場卻熱鬧非常。搶眼的無疑是一大波成功或失敗的造車新勢力。而實際上,幻象背后的動因是汽車技術的快速演進。

      顯然,半導體廠商們不會缺席這場盛宴。汽車技術的更迭意味著龐大的市場機遇,尤其是當半導體技術成為主要驅動力的時候。近日,意法半導體(STMicroelectronics,簡稱ST)亞太區模擬器件、MEMS和傳感器事業部 (AMS) ,MEMS產品市場應用負責人Davide BRUNO先生向我們介紹了汽車技術發展的趨勢,以及ST的各類汽車傳感器技術及其應用。

      BRUNO先生介紹說,汽車電子發展的總體趨勢是,傳統汽車核心電子元器件的占比在減少,而用于電動化和數字化器件的比例在上升。如下圖所示,預計三五年后,后者的比例將上升到60%以上。半導體技術在汽車電動化的重要貢獻之一是碳化硅(SiC)器件的應用,而傳感器技術對汽車的數字化進程至關重要。

      意法半導體:應對汽車傳感器應用的第三次浪潮

      圖1:汽車系統中用于數字化與電動化電子器件占比在不斷上升

      汽車傳感器增長動能

      不論在傳統的還是新興的汽車電子系統中,傳感器的作用都舉足輕重。BRUNO先生介紹說,傳感器的市場機會主要體現在這幾方面的應用:共享汽車門禁、路噪抑制、車聯網和輔助駕駛。

      有機構預測,至2024年,全球共享汽車的占比將達到汽車總量的10%以上。雖然共享汽車在我國并不那么被看好,但這個市場還是會增長。共享汽車門禁需要加速度計,以確定汽車處于行駛還是靜止狀態。超低功耗特性至關重要,而ST的加速度計正具備這個特性。

      路噪抑制系統相對復雜,需要多顆傳感器:加速度計檢測車輪振動,麥克風感測車廂內的噪聲。許多OEM的解決方案有多達8個麥克風和4個加速度計。當然,ST是MEMS麥克風和加速度計的重要廠商。

      在車聯網方面,BRUNO說,ST一直是技術先驅。ST的TESEO汽車處理器,特別是MEMS和慣性測量單元,具有全套的開發工具。ST的6自由度慣性單元(6DOF模塊)將3軸加速度計和3軸陀螺儀集成在一起。內置測斜計用于汽車報警,也可能用于檢測汽車碰撞。

      再說輔助駕駛(ADAS),它實際上是自動駕駛的基礎。ADAS的關鍵器件是雷達和激光雷達。ST的傳感器在雷達生產過程中起到了關鍵作用。BRUNO說,汽車雷達的傾斜角和安裝方式非常重要,ST研發銷售專門用于汽車組裝生產線上檢測雷達傾斜度或穩定性的傳感器。

      接下來,BRUNO介紹了目前熱門的自動駕駛技術。自動駕駛分為5級,從輔助駕駛到全自動駕駛。五級自動駕駛技術預計在2040年普及,每輛汽車中需要使用的傳感器數量也多(30多個),如下圖所示。

      意法半導體:應對汽車傳感器應用的第三次浪潮

      圖2:全自動駕駛汽車需要多達30個傳感器

      三次浪潮

      前面講到了傳感器在各類汽車系統中的應用。實際上,這些傳感器并非一夜之間出現在您的車輛中。BRUNO說,汽車傳感器的應用可分為三次浪潮,如下圖所示。

      意法半導體:應對汽車傳感器應用的第三次浪潮

      圖3:汽車傳感器應用的三次應用浪潮

      汽車傳感器第一次應用浪潮始于1974年的安全氣囊開始。ST是安全氣囊市場參與者。然后,主動安全應用到來。再然后,信息娛樂系統出現,是為非安全應用。ST是全球公認的汽車非安全應用芯片第一大制造商。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。BRUNO說,ST正與所有一級和OEM汽車制造商一起謀劃這次應用浪潮。

      雖然汽車傳感器的第二次應用浪潮并未結束,例如側翻檢測傳感器目前只有50%左右的滲透率,但第三次浪潮無疑才是具市場潛力當然也是重要的。第三次浪潮的終 極目標是實現自動駕駛,而這對傳感器的性能要求是前 所 未有的。

      BRUNO介紹說,傳感器的精度、穩定性和線性度是3個重要參數,它們對汽車的自動駕駛意義重大。零級自動駕駛基本上不用傳感器。一級自動駕駛要求傳感器在30秒內提供定位數據,定位誤差小于50厘米。三級的準確度要求從50厘米變為10厘米。五級沒有定位誤差,也就不可能有定位錯誤。

      為解決這些問題,大多數OEM和一級廠商的做法是在慣性模塊或子系統中使用冗余配置,將幾個相同的傳感器安裝在一起。這種配置顯然成本高、結構復雜。未來的趨勢是只用一個多軸慣性測量系統加上功能安全模塊。ASIL安全標準有A、B、C、D 4個等級,D級要求嚴格。今天,大多數6軸慣性單元都是ASILB級。ST不久的將來要推出D級產品。

      目前,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、側翻檢測和穩定控制需求。ST的陶瓷封裝讓傳感器單元有更高的穩定性和更好的線性度,是汽車傳感器的未來。

      關于傳感器的精度,校準是一個非常重要的問題。傳感器校準時間與成本密切有關。例如,飛機的傳感器系統價值15萬美元,需要一周的時間逐一校準。相比之下,ST的傳感器校準只需幾秒鐘,因此成本可以大幅下降。ST不僅在公司內部團隊間通力合作,還與重要的封裝專家和領 先企業(其中許多來自中國)合作開發封裝技術,以制定校準測試方法。

      如下圖所示,ST的ASM330CHH慣性傳感器,其競品售價約10,000美元,校準需要1到2天的時間。圖表給出了偏移量和靈敏度誤差兩個參數。在許多參數比較中,ST的產品表現更好。

      意法半導體:應對汽車傳感器應用的第三次浪潮

      圖4:ST的慣性測量單元與價格上萬美元的競品性能對比

      BRUNO談到了激光雷達,這是自動駕駛的核心技術。激光雷達裝置里有反射鏡,這是用半導體制成的真實的小鏡子。ST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。ST在市場上推廣這個激光雷達解決方案,幫助激光雷達尺寸更小、成本更低。

      以上介紹了ST公司重要的汽車傳感器技術。實際上,ST提供的汽車傳感器產品還有很多,如檢測駕駛員狀態的圖像傳感器,它們有助于大幅降低事故發生率。未來汽車需要越來越多的傳感器,需要性能更高的傳感器,而ST正致力于以更高的性價比滿足市場的需求。

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