汽車傳感器是傳感器的重要應用領域，也是未來汽車智能化的根基。
随着ADAS、智能座艙、汽車電氣化等趨勢在汽車上越來越顯現，汽車對傳感器的需求也以從未有過的曲線飛速上漲。從傳統上用的最多的壓力傳感器、溫度傳感器、氣體傳感器到支援自動駕駛能力的雷射雷達、毫米波雷達、高精度視覺傳感器……汽車對傳感器的渴望從未停止。
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先進駕駛輔助系統（Advanced Driver Assistant System），簡稱ADAS，是利用安裝于車上的各式各樣的傳感器， 在第一時間收集車内外的環境資料， 進行靜、動态物體的辨識、偵測與追蹤等技術上的處理， 進而能夠讓駕駛者在最快的時間察覺可能發生的危險， 以引起注意和提高安全性的主動安全技術。
汽車傳感器裝備的目的不同，可以分為提升單車資訊化水準的傳統微機電傳感器（MEMS）和為無人駕駛提供支援的智能傳感器兩大類。MEMS 在汽車各系統控制過程中進行資訊的回報，實作自動控制，是汽車的“神經元”。而智能傳感器則直接向外界收集資訊，是無人駕駛車輛的“眼睛”。
1、 汽車智能化的根基——傳感器
傳感器是汽車電子控制系統的資訊來源，是車輛電子控制系統的基礎關鍵部件。傳感器通常由敏感元件、轉換元件和轉換電路組成，其中敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，轉換元件是将上述非電量轉換成電參量，轉換電路的作用是将轉換元件輸出的電信号經過處理轉換成便于處理、顯示、記錄和控制的部分。從目前汽車傳感器裝備的目的不同，可以分為提升單車資訊化水準的傳統微機電傳感器和為無人駕駛提供支援的智能傳感器兩大類。
▲汽車傳感器的構成
傳統傳感器 ：各個系統控制過程依靠傳感器，進行資訊的回報，實作自動控制工作；是汽車的“神經元”。汽車傳統傳感器依照功能可以分為壓力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、角速度傳感器、流量傳感器、氣體濃度傳感器和液位傳感器等 8 類。
汽車傳感器主要應用于動力總成系統，車身控制系統以及底盤系統中。汽車傳感器在這些系統中擔負着資訊的采集和傳輸功用，它采集的資訊由電控單元進行處理後，形成向執行器發出的指令，完成電子控制。
▲傳統傳感器分類
智能傳感器 ：智能傳感器是無人駕駛車輛的“眼睛”。随着汽車無人駕駛技術的突破，汽車電子開始注重傳感器的智能化發展；汽車正在向一台安全聯網的自動駕駛機器人快速演進，進行環境感覺、規劃決策，最終實作安全抵達目的地。目前應用于環境感覺的主流傳感器産品主要包括雷射雷達、毫米波雷達、超音波雷達和攝像頭等四類。
▲智能傳感器分類
2、MEMS 傳感器：汽車微感官
MEMS 傳感器是在半導體制造技術基礎上發展起來，采用微電子和微機械加工技術制造出來的新型傳感器。MEMS 傳感器廣泛應用于電子車身穩定程式(ESP)、防抱死(ABS)、電控懸挂(ECS)、胎壓監控(TPMS) 等系統。其中，壓力傳感器、加速計、陀螺儀與流量傳感器是汽車中使用最多的 MEMS 傳感器，占汽車 MEMS 系統的 99%。
▲MEMS 應用廣泛
▲MEMS 傳感器價值較為集中
MEMS 具有較為明顯的優勢，是未來構築物聯網感覺層傳感器的主要選擇之一，其優勢主要展現在：1）微型化、2）矽基加工工藝、3）批量生産、4）內建化。
1）微型化：MEMS 器件體積小，單個尺寸以毫米甚至微米作為計量機關，重量輕，耗能低。MEMS 更高的表面體積比（表面積比體積）可以提高表面傳感器的敏感程度。
2）批量生産：以單個 5mm5mm 尺寸的 MEMS 傳感器為例，用矽微加工工藝在一片 8英寸的矽片晶元上可同時切割出大約 1000 個 MEMS 晶片，批量生産可大大降低單個MEMS 的生産成本 。
3）內建化：一般來說，單顆 MEMS 往往在封裝機械傳感器的同時，還會內建 ASIC晶片，控制 MEMS 晶片以及轉換模拟量為數字量輸出。
▲MEMS 與 ASIC 晶片內建化封裝
▲MEMS 可批量生産降低制造成本
國外大廠壟斷 MEMS 傳感器市場，市場集中度較高。根據 HIS Automotive 統計,2017年全球 MEMS 前三大供應商（博世、森薩塔、恩智浦）占據了 57%的市場佔有率，其中博世占據鳌頭，2017 年市占率達到 33.62%，森薩塔市占率達到 12.34%，恩智浦市占率達到 11.91%。電裝（8.94%）、亞德諾（8.51%）、松下（7.45%）、英飛淩（7.23%）等廠商也占有一定份額。
國外大廠産品線廣、技術領先、客戶衆多、形成較高的進入門檻。MEMS 傳感器的研發難度及其制造技術的複雜性是形成行業壁壘的主要原因。Invensense、英飛淩等國外廠商擁有 2 到 3 條産品線，博世、電裝、意法半導體等 MEMS 産品線超過 4 條。相比之下，小供應商很難在較短時間内實作大批量生産制造，是以排名靠前的大供應商市場佔有率相對穩定，市場集中度較高。
MEMS 傳感器裝配量和價值量與其裝配車型價位成正比。目前平均每輛汽車包含 24個 MEMS 傳感器，而在高檔汽車中，大約會采用 25-40 個 MEMS 傳感器。例如 BMW高端車型僅發動機就可以用到 20-40 個傳感器，而入門級車型僅 5 個左右。
常用 MEMS傳感器後裝單車價值在 2000-20000 元不等；合資車通常不低于 4000 元，而自主品牌僅 2000 元左右，高端車型約為 10000-20000 元。 預計到 2019 年 MEMS 傳感器市場規模可達到 420.13 億元；随着智能化和電動化的提升，2020 年和 2021 年市場規模可分别達到 446.21 億元，472.27 億元，2015-2021 年複合增速為 6.5%。
3、智能傳感器：自動駕駛核心
1、毫米波雷達:ADAS 系統核心傳感器
毫米波雷達是指利用波長 1-10nm,頻率 30GHZ-300GHZ 的毫米波，通過測量回波的時間差算出距離。毫米波雷達始用于軍事領域，随着技術水準的提升，開始逐漸應用于汽車領域。
毫米波雷達的優勢主要為以下 3 個方面：1）探測性能穩定、作用距離較長、環境适用性好。2）與超音波雷達相比，體積小、品質輕和空間分辨率高的特點。3）與光學傳感器相比，毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候全天時的特點。但也存在着成本較高，對行人的識别較為困難等不足之處。
▲毫米波雷達優劣勢
77 GHz 在性能和體積上都更具優勢。目前車載雷達的頻率主要分為 24GHZ 頻段和77GHZ 頻段。與 24GHz 毫米波雷達相比，77GHz 的距離分辨率更高，體積更是小了三分之一。2018 年，中國新車評價規程（C-NCAP）将自動緊急制動系統（AEBS）納入評分體系，進而将帶動 77GHz 毫米波雷達在未來的市場需求。而從長遠來看，77GHz毫米波雷達的體積更小、探距更長，使得其較 24GHz 毫米波雷達将具備更大的市場空間。
▲毫米波雷達 24GHz 和 77GHz 比較
24GHz 與 77GHz 毫米波雷達兼備于 ADAS 的長短距檢測。毫米波雷達因其硬體體積小，且不受惡劣天氣影響，被廣泛應用在 ADAS 系統之中。
24GHz 目前大量應用于汽車的盲點監測、變道輔助。雷達安裝在車輛的後保險杠内，用于監測車輛後方兩側的車道是否有車、可否進行變道。
77GHz 雷達在探測精度與距離上優于 24GHz 雷達，主要用來裝配在車輛的前保險杠上，探測與前車的距離以及前車的速度，實作的主要是緊急制動、自動跟車等主動安全領域的功能。
完全實作 ADAS 各項功能一般需要“1長+4 中短”5 個毫米波雷達，奧迪 A8 搭載 5 個毫米波雷達（1LRR+4MRR），奔馳 S 級搭載 6 個毫米波雷（1LRR+6SRR）。目前 77GHz 的毫米波雷達系統單價在 1000元左右，24GHz 毫米波雷達單價在 500 元左右。
▲毫米波雷達在 ADAS 系統中的應用
毫米波雷達關鍵技術被外商壟斷，集中度較高。在全球毫米波雷達市場上，占主導地位的是德國、美國、日本等國家。目前毫米波雷達技術主要由大陸、博世、電裝、奧托立夫、Denso、德爾福等傳統零部巨頭所壟斷；其中，77GHz 毫米波雷達技術被壟斷于博世、大陸、德爾福、電裝、TRW、富士通天、Hitachi 等公司手中。
2016年，博世和大陸全球毫米波雷達市場占有率均為 17%，并列第一；電裝、海拉并列第二，市場佔有率為 11%，采埃孚占據 8%，德爾福占據 6%，奧托立夫占據 4%。前七大供應商巨頭市場占有率達到 73%。
▲毫米波雷達海外主要供應商及産品
國内毫米波雷達依賴進口，受限國外技術封鎖，24GHz 毫米波雷達是主流方向。目前中國市場中高端汽車裝配的毫米波雷達傳感器全部都依賴國外進口，市場被美、日、德企業壟斷，價格昂貴，并采取了技術封鎖，自主可控迫在眉睫。國内自主車載毫米波雷達産品總體仍處于研制階段。考慮到研發成本和 77GHz 開發技術受限，目前國内廠商對于毫米波雷達的研發方向集中于 24GHz。
國内市場上，24GHz 毫米波雷達的産品體系已經相對成熟，供應鍊已經相對穩定，24GHz 的核心晶片能從英飛淩、飛思卡爾等晶片供應商獲得。據麥姆斯咨詢研究表明，2016 年中國汽車預裝毫米波雷達的數量達到 105 萬個，其中 24GHz 雷達占比 63.8%，77GHz 雷達占比 36.2%。
根據測算，毫米波雷達 2019、2020 年以及 2025 年市場規模可以達到 4.7 億元、36億元、80 億元。2017-2025 複合增長率達到 58%左右。
2、雷射雷達：L3-L5 自動駕駛中的關鍵
雷射雷達是一種綜合的光探測與測量系統，通過發射接受雷射束，分析雷射遇到目标對象後的折返時間，計算出目标對象與車的相對距離。目前常見的有 8 線、16 線、32 線雷射雷達。
雷射雷達線束越多，測量精度越高，安全性越高。雷射雷達并不是新鮮事物，早已在航空航天、測繪等領域進行了應用。随着汽車智能化的發展，L3 級别自動駕駛中開始應用雷射雷達，由于其高精度、實時 3D 環境模組化的特點将成為 L3-L5 階段中最為關鍵的傳感器。
▲雷射雷達工作原理
▲Velodyne HDL-64E 雷射雷達 3D 呈像
雷射雷達固态化是未來趨勢，存在小型化、低成本優勢。業内降低雷射雷達成本主要有兩個方式：
1）取消機械旋轉結構、采用固态化技術根本性降低雷射雷達成本。固态雷射雷達體積更小，友善內建，并且系統可靠性提升，是以雷射雷達有向固态發展的趨勢。
2）降低雷射雷達線數，組合使用多個低線數雷射雷達。從機械旋轉式過渡到混合固态再到純固态雷射雷達，随着量産規模的擴大、技術疊代更新，成本不斷降低，雷射雷達也在不斷向小型化、低功耗、內建化發展。
▲Quanergy S3 固态雷射雷達
雷射雷達的核心技術主要掌握在 Velodyne、Ibeo、Quanergy 三家企業中。美國Velodyne 的機械式雷射雷達起步較早，技術領先，最新已推出 128 線原型産品VLS-128，同時與谷歌、通用汽車、福特、Uber、百度等全球自動駕駛領軍企業建立了合作關系，占據了車載雷射雷達大部分的市場佔有率。
Google、百度、福特、奧迪、寶馬等各企業相繼采用雷射雷達的感覺解決方案。寶馬聲明聯手雷射雷達創企 Innoviz 研發無人駕駛汽車，預計 2021 年推出。根據個公司官網雷射雷達産品價格，單車雷射雷達傳感器價值在 3~8 萬美元之間。
短期内雷射雷達不會大規模應用于汽車領域。盡管自動駕駛加速發展給雷射雷達行業創造了較好的應用前景，但是雷射雷達自身發展的諸多痛點卻限制了其在自動駕駛汽車上的應用。
限制因素主要有三個方面：
1）成本高昂。雷射雷達龍頭 Velodyne16線産品 0.8 萬美元，32 線産品 4 萬美元，64 線産品約 8 萬美元。高昂的産品價格也抑制了雷射雷達在自動駕駛車輛中的應用。
2）難以量産、交貨周期長。Velodyne64線産品生産周期要 4-8 周，32 線和 16 線也要 2-4 周，為了保證雷射雷達傳遞接受信号的精準性，其複雜的組裝和調校過程拉大了其交貨周期。
3）缺乏相關車規。目前自動駕駛隻是一個前瞻性的概念，具體還沒有實踐，沒有相應的政策法規的強制性要求，這在一定程度上也限制了雷射雷達在自動駕駛領域的普及。
3、超音波雷達：自動泊車系統的主流傳感器
超音波雷達的工作原理是通過超音波發射裝置向外發出超音波，到通過接收器接收到發送過來超音波時的時間差來測算距離。超音波雷達在自動駕駛中，其基礎應用為泊車輔助預警以及汽車盲區碰撞預警功能。
超音波雷達成本低，短距離測量中具有優勢，探測範圍在 0.1-3 米之間，而且精度較高，是以非常适合應用于泊車。但測量距離有限，且很容易受到惡劣天氣的影響。
▲超音波雷達工作原理
自動泊車普及激發超音波雷達需求。超音波雷達一般安裝在汽車的保險杠或者側面，前者稱為 UPA，一般用于測量汽車前後障礙物，後者稱為 APA，用于測量側方障礙物。APA 超音波傳感器是自動泊車輔助系統的核心部件，探測距離較遠，可用作探測車位寬度，獲得車位尺寸及車輛的位置資訊。
超音波雷達主要應用于倒車雷達，以及自動泊車系統中近距離障礙監測。倒車雷達已經由高端車型下沉到中低端車型，滲透率較高，前裝率達 80%左右。倒車雷達系統通常需要 4 個 UPA 超音波雷達，自動泊車雷達系統需要 6-12 個超音波雷達，典型配置是 8 個 UPA+4 個 APA。
▲超音波雷達在汽車中的應用
▲UPA、APA 超音波雷達比較
超音波雷達技術方案各有優劣，模拟式雷達占據主要市場。超音波雷達的技術方案，一般有模拟式、四線式數位、二線式數位、三線式主動數位四種，其在信号幹擾的處理效果上依次提升。
四種技術方案在技術難度、裝配以及價格上各有優劣。目前市場上使用較多的是“模拟式”技術路線，其優點為産品成本低，但易受外界環境幹擾。未來智能化趨勢下，“數位式”技術路線會更受歡迎。
“數位式”技術路線下，信号數字化，可以極大程度地提高雷達的抗幹擾能力，但成本較高，技術難度大，現階段的工藝水準隻能多數采取四線式做法。
▲超音波雷達 4 種技術路線方案
超音波雷達市場主要由博世（BOSCH）、日本村田（Murata）、日本尼賽拉（Nicera）等占據，國内奧迪威和同緻電子具有較高的競争力。
奧迪威是國内領先的超音波傳感器生産商，2016 年奧迪威車載超音波傳感器的銷量為 2627 萬個，全球車載超音波傳感器的市場容量約 27400 萬個，奧迪威的車載超音波傳感器占全球乘用車市場佔有率的 9%。奧迪威的第一大客戶是台灣同緻電子。台灣同緻電子其核心産品為倒車雷達，2016 年其市場佔有率位居亞洲第一。
超音波中短期市場有望繼續提升，長期可能會受到其他雷達傳感器的替代壓力。目前，後向的超音波雷達搭載率最高，達到 45.2%，“前向+後向雷達”搭載率為 28.3%，不搭載占比 26.5%。随着自動化駕駛的發展，“前向+後向”雷達有望成為搭載标配。
是以，預計中短期内，超音波雷達市場滲透率将繼續提升，但長期來看，未來搭載進階别自動駕駛車型中，部分或者全部的超音波雷達會被綜合性能更好的毫米波雷達、雷射雷達等替代。
根據測算，2019、2020 年、2025 年超音波雷達的市場規模分别将達到 42億元，87 億元，192 億元。2016-2025 年複合增長率達到 38%左右。
4、攝像頭：ADAS 系統主要視覺傳感器
車載攝像頭是 ADAS 系統的主要視覺傳感器，是最為成熟的車載傳感器之一。借由鏡頭采集圖像後，攝像頭内的感光元件電路及控制元件對圖像進行處理并轉化為電腦能處理的數字信号，進而實作感覺車輛周邊的路況情況。攝像頭主要應用在 360全景影像、前向碰撞預警、車道偏移報警和行人檢測等 ADAS 功能中。
▲攝像頭檢測道路行人
▲攝像頭在全景泊車系統中的應用
ADAS 系統配套 6 個以上攝像頭。根據不同 ADAS 功能的需要，攝像頭的安裝位置也有不同。主要分為前視、後視、側視以及内置。實作自動駕駛時全套 ADAS 功能将安裝 6 個以上攝像頭，前視攝像頭因需要複雜的算法和晶片，單價在 1500 元左右，後視、側視以及内置攝像頭單價在 200 元左右。ADAS 的普及應用為車載攝像頭傳感器帶來了巨大的市場空間。
▲攝像頭安裝位置及特點
短期内單目攝像頭為主流技術路線。前視攝像頭 ADAS 系統可分為搭載單目攝像頭和搭載雙目攝像頭兩種技術路線。
相比單目攝像頭，雙目攝像頭的功能更加強大，測度更加精準，但成本比較高，是以多搭載于高檔汽車。雙目攝像頭的方案在成本、制造技術、可靠性、精确度等綜合因素的制約下，導緻其難以在市場上推廣，而單目攝像頭低成本可靠性的解決方案，搭配其他傳感器，完全可以滿足 L1,L2,以及部分 L3 場景下的功能。是以在現有的市場環境下，單目攝像頭的解決方案依然會是主流。
攝像頭主要作為雷達輔助傳感器。雖然攝像頭分辨率高、可以探測到物體的質地與顔色，但在逆光或者光影複雜的情況下視覺效果較差，極易受惡劣天氣影響，是以攝像頭擷取的圖像資訊将主要負責交通标志識别等少數領域，作為雷射雷達和毫米波雷達的補充。
攝像頭産業鍊可以大緻劃分為上遊元件生産、中遊模組封裝內建、下遊産品應用三部分：
1）上遊元件主要包括 CMOS 傳感器、鏡頭組、DSP 等,上遊市場中 CMOS 傳感器以及 DSP 主要被索尼、三星、TI、安森美等國外企業壟斷，國内企業在鏡頭組生産方面具有優勢，其中自主品牌舜宇光學等具有較高的競争力；
2）中遊封裝內建包括模組封裝和系統內建兩部分。模組封裝以及內建工藝複雜，市場被外企壟斷，主要廠商有 Panasonic、索尼、法雷奧等企業。
3）下遊産品應用于整車廠、4S 店。
車載攝像頭産業制作工藝要求高，認證周期長。相對于手機攝像頭，車載攝像頭所面臨的工況更加惡劣，需要滿足耐高溫、抗震、防磁、穩定等多項要求。特别是應用于 ADAS 系統的前視攝像頭，涉及行車安全，對可靠性的要求必須非常高，是以車載攝像頭的制作工藝要求非常高。
企業在成為整車廠商的一級供應商之前，需要經過大量不同種類的嚴格測試，一旦進入整車廠商的供應體系就會形成很高的壁壘，很難被替代，替換成本也非常高。例如，國外視覺傳感器龍頭 Mobileye 用了 8 年的時間從研發進入到前裝市場。
根據測算，預計攝像頭傳感器 2019 年攝像頭市場規模達到 150 億元，進入 L3 階段，2020 年和 2025 年市場規模可以達到 205 億元和 315 億元，2016-2025 年複合增長率達到 17%左右。
4、多傳感器融合是必然趨勢
ADAS 融合多種傳感器，帶動傳感器市場發展。随着未來智能汽車比重的提升，ADAS市場将加速成長。根據高盛全球投資研究部門研究，目前全球 ADAS 滲透率普遍不高，歐美日滲透率隻有 8%-12%。根據蓋世汽車研究院測算，我國 ADAS 的滲透率在 2%-5%左右；從生命周期上判斷，ADAS 已經實作從導入期到成長期的跨越。
總體來看，智能駕駛、無人駕駛浪潮下，汽車電子化、智能化水準不斷提升，ADAS 具有很大的成長空間。環境感覺作為 ADAS 的硬體基礎，傳感器的應用必不可少，ADAS 滲透率的提升将帶動車載傳感器需求量的大幅增加，未來傳感器的市場規模将會進一步擴大。
▲ADAS 融合多種傳感器
環境感覺傳感器是汽車的眼睛，毫米波雷達綜合優勢突出。智能化時代背景下，環境感覺顯得尤為重要，不同傳感器的原理和功能各不相同，在不同的場景裡發揮各自的優勢，難以互相替代。毫米波雷達綜合優勢突出，有望率先成為 ADAS 系統主力傳感器。
▲各種傳感器優劣勢比較
▲毫米波雷達綜合優勢突出
單種傳感器特性突出，均不能形成完全資訊覆寫，多傳感器融合是未來發展必然趨勢。并且為Level3-Level5 級自動駕駛方案的實作提供了必要的技術儲備。目前自動駕駛環境感覺的技術路線主要有兩種：一種是以特斯拉為代表的視覺主導的多傳感器融合方案，另一種是以低成本雷射雷達為主導，典型代表如谷歌Waymo。
國外主流車企如特斯拉、奧迪、通用等均釋出了其自動駕駛汽車多傳感器規劃。多傳感器融合對于保證車輛對周邊環境的全局定位和了解是至關重要的。
ADAS 采用的傳感器主要有攝像頭、雷達、雷射和超音波等，可以探測光、熱、壓力或其它用于監測汽車狀态的變量， 通常位于車輛的前後保險杠、側視鏡、駕駛杆内部或者擋風玻璃上。
ADAS内每一類子系統在運作時，都離不開資訊的搜集、處理與判斷，以及判斷完畢後系統給予車體指令，使汽車進行不同動作等各階段。在這樣的流程中，雷達和攝影機等傳感器，以及MCU或影像處理IC等處理器，就成了最主要的使用元件。在通往L5級别自動駕駛的道路上，ADAS系統的成熟與完善是基本保障。
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來源：智東西
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