第二篇传感器
1.1 汽车传感器概论
汽车传感器是汽车电子控制系统的不可或缺的一部分，用以测量位置、压力、力矩、温度、角度、距离、加速度、空气流量等信息，并将这些信息转换成电信号作为输入给到汽车电子控制器。传感器的精确性、可靠性将直接影响汽车电子控制系统的控制效果。
图1：部分汽车传感器示意图
传感器在汽车上的应用主要有以下三大领域：动力系统、底盘、车身& 安全舒适领域。传感器种类很多，并且在不断丰富中。由于汽车的复杂工况和高可靠要求，要求传感器在-40℃ ~125℃温度下正常工作，误差范围1% 以内等，同时成本能够推广应用。
图2：汽车传感器的三大应用领域
汽车传感器在车上的应用越来越广泛，从刚开始的发动机用传感器拓展到底盘、车身等领域，数量和种类不断增加。汽车传感器按被测物理量可分为：压力传感器、温度传感器、流量传感器、速度传感器、加速度传感器等。按工作原理可分为：物理传感器、化学传感器、生物传感器。传感器一般由敏感元件和转换元件组成，需要感知被测量并按照一定规律转换成可用的电信号。传感器需要良好的灵敏性、精度和动态响应特性等。
图3：共轨压力传感器结构图
汽车传感器产业：
据初步估算，普通轿车一般安装有数十个传感器，高级车上可以达到上百个传感器。根据市场调研机构Strategy Analytics 报告，2010 年全球汽车传感器出货量达到21.9亿个，预测到2020 年全球传感器出货量达到55 亿个，年复合增长率约为10%，高于同期全球汽车销量增长率。
图4：全球传感器市场规模（亿个）
在汽车传感器几大应用领域中，由于油耗排放的法规日益严格，动力系统传感器用量最大，用以提高燃油效率、降低碳排放；其次是安全辅助类传感器，此类传感器增速最大，鉴于各国纷纷出台的交通安全法规以及智能网联化趋势，可预计安全辅助类传感器（摄像头、毫米波雷达等）市场前景广阔。
图5：几种安全辅助类传感器
根据市场调研机构Strategy Analytics 报告，全球汽车传感器市场将以6.8％的年复合增长率（CAGR）从2012 年的169 亿美元向2017 年235 亿美元迈进。汽车厂商对车辆安全性、排放和燃油经济性上的改进规划，将驱动汽车传感器全球市场规模在2020 年超过252 亿美元。
图6：全球传感器市场（亿美元）
汽车传感器作为一类高精密元器件，从研发到制造的各个环节，要求都为严格。汽车传感器厂家需要具备较高的技术研发能力和产业链管控能力。目前全球汽车先传感器企业主要有博世、大陆、森萨塔、英飞凌、霍尼韦尔、天合、德尔福等企业，这些企业传感器产品线较广，技术领先，客户众多，形成了较高的汽车传感器行业市场进入门槛。
图7：传感器产业链全景图
更进一步看，汽车传感器细分市场众多，不同的细分市场领先企业略有不同，呈现各领千秋的市场格局。
国内汽车传感器行业市场基本被外资公司垄断，国内汽车传感器领先企业主要有歌尔声学等。
汽车传感器行业驱动因素：
1、动力系统传感器的需求驱动因素：越来越严苛的油耗排放法规，需要动力系统满足低排放、提高燃油经济性要求，同时消费者对优秀驾驶操控性的追求都促使动力系统使用大量传感器，并不断提高相关传感器的性能。
2、底盘系统传感器的需求驱动因素：更安全行驶、汽车轻量化发展趋势以及像碰撞避免系统（如AEB）、胎压监测等安全法规的出台，这促进了速度传感器、陀螺仪、毫米波雷达、摄像头、胎压传感器、车高传感器等普及应用速度。
3、车身系统传感器的需求驱动因素：消费者日益看重的舒适、便利购车要求，以及越来越完善的被动安全系统驱动（前、后、侧边碰撞传感器，翻转传感器，乘员感应传感器等）。
4、摩尔定律：摩尔定律是电子工业一个很重要的驱动因素，每18 个月性能提高一倍，汽车电子将极大获益，可以提供更好的电子控制系统以及高性能汽车传感器。
发展趋势：智能化、集成化、传感器融合
技术趋势：
1、集成化趋势: 利用半导体制造技术和微机械加工技术制造传感器，实现传感器集成化，便于传感器大规模批量化生产，降低传感器成本。
2、智能化趋势：将传传感器与微处理器结合，使传感器同时具有检测、信号处理和通信等功能，提高传感器再现性、适应性和可靠性。
汽车传感器使用较多的传感器类别为压力、温度、气体、运动类传感器。这些传感器逐渐向着MEMS 传感器方向发展，MEMS 传感器成为汽车传感器市场增长的驱动因素。同时由于汽车各个电子系统的协同工作、集成化发展，各类传感器的信息需要综合处理，传感器融合成为不可阻挡的趋势。
（1）MEMS 是汽车传感器重要发展方向
MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）传感器是在半导体制造技术基础上发展起来，将微电路和微机械按功能要求在芯片上集成，使一个毫米或微米级别的 MEMS系统具备精确而完整的电气、机械、光学等特性。
MEMS 传感器在汽车上应用较多的是压力传感器、加速度计以及陀螺仪。这三类传感器也是MEMS较为成熟的器件，其市场增长主要得益于汽车、消费电子市场的增长。未来随着集成化系统的趋势以及MEMS相关器件的研发，将会有更多种类、数量的MEMS传感器应用到汽车上。随着MEMS技术的成熟与成本的下降，越来越多的MEMS传感器应用于汽车。
MEMS市场格局：BOSCH在MEMS领域技术、产品领先，凭借其在汽车领域的深厚积累取得较大市场领先地位，紧接其后的是 STM、TI和AVAGO公司。中国MEMS领先厂家为瑞声声学和歌尔股份。其中博世、电装、霍尼韦尔、ADI 公司在汽车MEMS传感器产品线较广。
（2）传感器融合趋势：
不同的传感器有各自的优势和劣势，汽车电子控制系统的高安全、高可靠性要求系统有一定的冗余性，所以传感器各取所长，融合协同工作成为重要的安全设计思路。我们知道，毫米波雷达在速度测量、恶劣天气等环境下表现优势明显，但测量范围、分辨率略低；激光雷达可以360各类传感器优势可形成互补（如下表），传感器融合成为趋势。
2.1 常用传感器介绍
2.1.1 压力传感器
半导体压力传感器：压力作用在硅膜片上，膜片上有用微机械加工技术制造的压敏电阻，传感器与信号处理电路一般同置于一个壳体内。它们的尺寸非常紧凑，易于装配布局。常用逆向装配技术，将被测量的压力于传感器芯片。
2.1.2 转速传感器
空间的绝对转速和相对转速是有区别的。如绝对转速的例子是汽车绕其轴线的横摆率（横摆速度），这是汽车动力学必须的。相对转速的例子是曲轴和凸轮轴的速度，车轮速度（ABS/TCS 用），主要利用增量传感器系统（包含一个齿轮和一个转速传感器）来测定。
电磁感应式传感器是利用导体和磁场发生相对运动产生感应电动势，是一种机电能量变换型传感器。这类传感器具有电路简单、性能稳定、输出阻抗小且频率响应广等特点。
2.1.3 温度传感器
测量汽车上的温度几乎全利用热敏电阻材料对温度变化的敏感性来测量，电阻材料具有正（PTC）和负（NTC）的温度系数。将热敏电阻变化转换为模拟电压，几乎完全借助于温度呈中性或逆敏性的附加电阻来进行。
2.1.4 毫米波雷达
毫米波雷达是测量被测物体相对距离、现对速度、方位的高精度传感器，是支持安全驾驶的关键零部件。毫米波雷达主要有脉冲类型和连续波类型。其中连续波类型又可以分为CW( 恒频连续波)、FSK( 频移键控)、PSK（相移键控）、FMCW（调频连续波）等方式。FMCW 雷达是最常用的毫米波雷达。
FMCW 雷达系统主要包括收发天线、射频前端、调制信号、信号处理模块等。毫米波雷达通过接收信号和发射信号的相关处理实现对目标的探测距离、方位、相对速度。
毫米波雷达可全天候工作，相对于其它传感器，毫米波雷达在速度测量、恶劣天气等环境下表现优势明显，用于ACC、AEB、FCW 等系统，被称为汽车之眼。
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