汽车MEMS传感器的国产化替代,仅仅靠低成本?

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20世纪60年代,汽车主要配备机油压力、油量和水温传感器等。70年代,为治理排放问题,增加了控制动力系统的传感器。20世纪90年代,MEMS在汽车工业中应用,成为MEMS传感器应用高潮推动者。

起初,MEMS广泛用于安全气囊,后来被大量应用于汽车各领域。作为智能汽车的关键部件之一,汽车MEMS传感器不仅可以实时监测车辆的状态和环境信息,还可以通过数据分析和处理提供智能驾驶、安全防护和能源管理等服务。随着智能化和电动化的加速发展,汽车MEMS传感器市场也呈现出快速增长的趋势。

在这个领域,国内外多家企业通过技术研发和产业布局,积极开展市场拓展和竞争。在日前举行的传感器展上,与非网记者采访到了ADI、美泰电子、矽睿以及芯感智等汽车传感器领域的知名企业,共同深入探讨了汽车传感器的行业现状、全面解析了汽车传感器市场的现状和未来发展方向。

MEMS汽车传感器市场

主要玩家

微机电系统 (MEMS) 是一种微型设备技术,尤其是那些带有机械运动部件的设备,以及用于各种汽车应用的电子元件。按具体产品类型划分,主要分为轮胎压力传感器、发动机机油传感器、燃烧传感器、燃油喷射和燃油泵传感器等类型,通过各种供应商向全球提供解决方案和产品。特别是MEMS陀螺仪在提高车辆安全性能方面发挥着至关重要的作用。随着自动驾驶的发展,对于基于安全的应用,对这种传感器的需求预计将成倍增长,并在市场上创造机会。

传感器

MEMS 汽车传感器市场的主要参与者

来源 | Mordor Intelligence

根据调研机构Mordor Intelligence的数据,MEMS汽车传感器市场在2018年至2028年研究期内呈现持续增长。未来5年,该市场预计将以14.61%的复合年增长率增长。在各地区中,亚太地区在2018年至2028年期间的复合年增长率最高,且在2021年占有最大市场份额。该市场的主要参与者包括STMicroelectronics NV、Panasonic Corporation、Robert Bosch GmbH、Analog Devices Inc.和Infineon Technologies AG等公司。这些公司在MEMS汽车传感器领域具有显著的市场份额和影响力。在国内市场,尤其是低端产品领域,许多国内企业凭借价格优势迅速崛起,逐渐在市场份额上占据一定地位。然而,高端产品市场仍然被国外企业所主导,他们在技术和品质上占据绝对优势。此外,新兴市场对汽车传感器的需求不断扩大,给行业带来了更多的商机。不少企业国内企业如美泰电子、矽睿以及芯感智等正逐步在国内市场崭露头角。

2019 年 3 月,欧盟委员会宣布修订《通用安全条例》,将自动驾驶安全技术作为欧洲制造车辆的强制性要求,以降低该地区的事故水平。严格的法规正在推动汽车供应商实施最新的 MEMS 陀螺仪系统。这为市场创造了机会。

与分立式传感器等效物相比,MEMS 传感器通常尺寸更小、成本更低、功耗更低。此外,它们可以将信号调节电路集成在同一个半导体封装中。从全球MEMS的应用领域来看,MEMS市场主要依赖占总市场62%的消费应用和占总市场16%的汽车产业。在汽车领域,受到汽车电动化、网联化、智能化和共享化的影响,原来70万人民币等级的燃油车才会搭载的电控悬挂,一套系统要搭载3~5颗的加速度传感器,在5年之内可以下沉到20万级,这一个很大的增量。此外,电动车对舒适性的应用要求普遍很高,搭载欲望更大,所以某种程度上会带来更多的增量。

车规级MEMS的国产替代现状

图源 | memchina.cn

随着自动驾驶和智能网联汽车的高速发展,MEMS传感器逐渐成为汽车传感器的主要部件。在自动驾驶领域,安全和可靠性至关重要,而MEMS惯性传感器(IMU)在这方面发挥着重要作用。IMU主要用于检测加速度和旋转运动,包括加速度计和角速度计(陀螺仪)。提高陀螺仪精度和降低成本是传感器行业的目标。自动驾驶车辆定位精度要求很高,需要精确的IMU性能,尤其是在Z轴或偏航陀螺仪方面。

IMU是自动驾驶应用中关键的传感器之一,可测量运动、加速度和旋转速度,不受信号干扰和环境条件影响。IMU传感器集成了多种元件来测量运动和方向,其技术进步可提高自动驾驶车辆的定位精度和安全性。目前,国产MEMS IMU传感器和融合算法不断提升,缩小与国外产品的差距,大规模商业化部署指日可待。

自动驾驶系统中,IMU数据与GPS、视觉等系统融合可填补GPS更新间隙,保障车辆安全运行。IMU数据始终可用,是自主车辆系统的重要组成部分,可应对具有挑战性的环境。

“在去年我们这款六轴的IMU,出货量已经达到上百万,去年大概70多万套,目前国内主流车厂自动驾驶高精度定位模块,基本上90%以上都是我们做的。” 美泰电子市场经理张星辉表示,IMU是美泰电子第一款涉足汽车领域的产品,主要应用于高精度的定位模块。在此之前车厂都是用价格昂贵的高精度光纤陀螺来做,不具备量产条件。用MEMS来做有体积小、价格低、批量化的优势,相对来说缺点就是精度较低。后来这种模块逐渐融合了车辆的行驶数据以及惯性的六轴IMU逐渐变成了组合导航,凭借其优势在2020年迎来了爆发。张星辉表示,未来汽车惯性传感器趋势包括数据共享、传感器融合、集成化和小型化。车厂希望做传感器融合,将多个功能的惯性传感器替换为集成式六轴IMU,实现功能不减少的情况下,降低数量、提高可靠性。他同时认为,未来整车价值量不会改变,而是将多个传感器的功能集成到高精度六轴IMU上,降低数量并实现信号共享。

在汽车领域,上海矽睿科技的产品主要包括磁角度传感器,电流传感器和霍尔开关三个产品线。其中矽睿在磁角度传感器领域有5年的主机厂量产经验,覆盖电子换挡器,电子节气门,EGR, 油门踏板,车身高度,SAS,EPS电机位置等主流细分应用,是目前国产汽车角度传感器种最大的供应商。在电流传感器部分,矽睿在国内新能源汽车头部主机厂OBC应用上占据了60%以上的市场份额。在电机主驱逆变器应用上,矽睿是国内唯一一家能提供C-CORE和IMC两种类型的电流传感器供应商。

无锡芯感智半导体有限公司凭借技术实力和创新能力迅速崛起,逐步扩展到红外、流量、气体、转速、电流等产品系列,并设立汽车事业部专门负责汽车相关传感器应用开发。芯感智针对传统燃油车和新能源车开发了多款传感器产品系列,包括燃油蒸汽压力、发动机转速、进气压力等传感器。新能源车方面,产品包括电池包失热压力监测、热管理压力传感器、电池电流传感器等。芯感智在新能源车领域也重点研发推出CO2气体模组和电流传感器,关注新能源相关应用。已推出GZP6181A液冷压力变送器、GZC6201电流传感器等产品,并计划未来两年内实现大幅度增长。公司汽车研发团队规模已达30余人。为提高产能和降低成本,创建了三个子公司分别负责研发、封测和模组全产业链运作,以快速响应市场需求并优化工艺。

汽车电池安全检测

压力还是烟雾传感器?

图源 | preciseley.com

在新能源汽车领域,电池安全监测成为了一个重要的话题,以往各厂商大多采用压力传感器来进行电池检测。在传统燃油车中,MEMS压力传感器被广泛应用于变速箱和发动机的变速箱压力检测等方面。这些传感器可以通过精准的压力测量和监控,确保发动机和变速箱的顺畅运行,提高整个车辆的性能和耐用性。

在新能源车领域,MEMS压力传感器的应用也日益重要。比如,热泵空调压力温度复合传感器,可以精准地监测热泵的压力和温度,确保热泵系统的正常运行。此外,MEMS压力传感器还可以应用于电池管理系统中的压力检测。这些传感器可以用来监测电池中的气体压力,及时发现和解决潜在的故障和危险,确保电池系统的安全稳定运行。

目前美泰电子的压力传感器主要针对两个检测方向,一个是燃油车变速箱和发动机的变速箱压力;另一个是新能源车的热泵空调压力温度复合传感器。相对来说,胎压检测由于目前成本已经做到非常低,竞争非常激烈,美泰电子目前并没有涉足该领域。

与其它友商不同,ADI主要通过采用烟雾传感技术等方法来解决电池安全问题。ADI工业自动化行业市场经理祝臻表示,电池安全是不可回避的话题,迟早是要找出各种方法。传感技术可以用来监测电池的压力、温度、湿度、烟雾等多种因素,及时发现电池异常并采取相应措施。对于电池的安全性检测,以前主要采用的是压力传感器,因为在热失控异常的时候,电池会释放大量的气体,压力传感器可以监测这种情况。但是随着磷酸铁锂电池的广泛应用,压力传感器未必能够监测得到电池异常情况,因为磷酸铁锂电池在热失控异常时,它的释放压力过程是非常缓慢的。因此,ADI寻找了另外一种解决方案,即采用烟雾传感器监测电池的异常情况。在热失控时,电池会产生烟雾,不管是微小的烟雾,还是大量的烟雾,ADI都可以通过信号调理等技术手段,快速地监测出来并及时汇报给车主或者做集中控制的过程,从而保障了电池的安全性。

除了电池安全,传感技术在汽车领域还有其他应用。比如,雷达技术可以用于汽车的自动驾驶,以便更精准地感知周围环境和障碍物,从而实现更高效和安全的行驶。在汽车的连接方面,ADI也做了很多工作。汽车中有很大一块是金属线和控制线,以前比较多的是一些专用的线,后来ADI通过解决音频/视频信号传输方案,包括有线和无线的,使得汽车上的连接更加高效和智能化。

结语

国产替代的机会和挑战

通过此次采访,笔者发现到国内厂商已经逐渐渗透MEMS传感器的各个领域,并对国外品牌实现了部分国产替代。在某些领域如IMU、压力传感器国产品牌已经实现了大规模的替代。究其原因,近年来随着市场竞争的加剧,车厂对于成本控制的要求越来越高。另一方面,国产MEMS传感器的技术和指标上升也很快。

不过相对来说,车厂最关心的一个是价格,另一个则是装车经历,这方面对国产厂商是一大挑战。

“从0到1是最难的,因为每一个车厂都会问你:在哪里装过,你有什么装车经历,你只能说我的装车经历是0或者在哪里还正在验证,这时候通常车厂会拒绝和你继续沟通。”对于国产传感器厂商来说,实现第一次装车往往是最难的。好在随着前两年汽车供应链的紧缺,无奈之下,车厂给了大量国产传感器厂商从0到1的机会。

另一方面,国产传感器的可靠性和品质的提升,也得益于大部分采用自建产线的IDM模式,自建产线可以让企业更好地控制生产过程,提高生产效率和产品质量。同时,自建产线还有助于保护企业的技术秘密,防止核心技术外泄。对于汽车传感器企业来说,如何选择自建产线和代工合作取决于企业的发展战略、市场需求和成本控制需求。建议企业在权衡各种因素后,选择适合自身发展的产线模式。

最后,随着无人驾驶、电动汽车等新兴技术的兴起,汽车传感器行业将迎来更广泛的应用场景。未来的趋势将是传感器的高集成度、小型化、多功能化和低功耗化。汽车传感器行业的发展前景广阔,但挑战和机遇并存。只有抓住市场机遇,不断创新,积极应对挑战,才能在汽车传感器行业中脱颖而出。

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审核编辑 黄宇

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