Взгляд на современный рынок автомобильных датчиков. Основные тенденции и важнейшие рыночные фигуры

Статья акцентирует внимание на анализе стратегических направлений автомобильного рынка датчиков. Выделены важнейшие тенденции, применения, ключевые фигуры и перспективные сенсорные технологии.

Впоследние годы электронное содержимое машин непрерывно увеличивается, поскольку все больше бортовых механических систем преобразуется в электрические, электронные и мехатронные системы. Это происходит как для максимальной оптимизации и координации работы двигателя и других автомобильных систем, ответственных за повышение топливной эффективности и снижение эмиссии, так и в связи с повышенным спросом на более комфортабельные автомобили, чья надежность определяется непрерывным ужесточением норм эмиссии, стандартов безопасности и влиянием рыночной ситуации.

Значительную часть автоэлектроники составляют датчики, необходимые для контроля корректного и согласованного функционирования автомобильных систем. И спрос на подобные устройства, отличающиеся точностью и надежностью, будет постоянно увеличиваться.

В конъюнктуре данного рынка датчики представляют важнейший сегмент, ежегодные объемы которого оцениваются в десятки миллиардов долларов и характеризуются устойчивым ростом. Например, согласно прогнозу исследовательской группы Freedonia, опубликованному в апреле 2006 года, рынок датчиков для OEM-систем, в 2005 году достигший $9,8 млрд, в 2010 году составит $14 млрд, с ежегодным приростом в 7,4%.

По мнению исследовательской группы Research and Market, число автомобильных датчиков, проданных в 2005 году в объеме 1,13 млрд единиц, увеличится в 2008 году до 1,49 млрд единиц, с ежегодным приростом в 10,02%.

Все эти датчики предназначены для основных территориальных рынков, среди которых, согласно маркетинговым исследованиям Freedonia, по существующим и потенциальным объемам продаж автомобильных датчиков за 2005 год выделяются: североамериканский (30%), европейский (27%), азиатско-тихоокеанский (33%), другие (10%).

Основную долю инновационных датчиков и систем автоэлектроники потребляют североамериканский (США) и европейский рынки. По прогнозу R&M, с ежегодным приростом в 9,95% продажи датчиков на этих рынках возрастут с $5,66 млрд в 2005 году до $7,53 млрд в 2008-м. Кроме того, одно из исследований Frost & Sullivan 2003 года показывает, что североамериканский рынок, составлявший $2,18 млрд в 2002 году, достигнет $4,15 млрд в 2009-м, а согласно прогнозу Freedonia, он достигнет $4,6 млрд уже в 2007 году.

Распределение продаж датчиков для современных североамериканских автомобилей уточняет опубликованный в начале 2004 года прогноз исследовательской группы Freedonia. Специалисты этой компании считают, что в 2002 году основные сегменты североамериканского рынка легковых автомобилей составили $3,1 млрд (рис. 1), в том числе:

• датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Engine & Drivetrain (датчики положения, давления, датчик концентрации кислорода, датчик массового расхода воздуха, датчик скорости автомобиля, датчики температуры, датчик детонации, датчики уровня жидкостей — топлива и масла, и некоторые другие), — 39%;
• датчики контроля эмиссии (датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, датчик газа (NOx), датчики температуры и давления отработавших газов и некоторые другие, например датчик концентрации мочевины и датчики для альтернативных двигателей) — 35%;
• датчики систем безопасности Safety&Security (акселерометры, гироскопы, датчики скорости колеса, датчики угла поворота и крутящего момента руля, датчики присутствия, положения и веса пассажиров, натяжения пристяжного ремня, определения препятствий, датчики давления подушек безопасности и накачки шин, ультразвуковые и лазерные радары и многие другие) — 24%;
• другие датчики (например, магнитные компасы для телематики или датчики дождя) — 2%.

Самая большая категория датчиков поставляет информацию для систем Powerdrivetrain, основными задачами которых являются повышение топливной эффективности и снижение эмиссии за счет оптимизации работы двигателя и связанных с ним систем. Поскольку действие систем Powerdrivetrain и контроль эмиссии взаимосвязаны, многие датчики одновременно работают на обе системы, в первую очередь датчик концентрации кислорода.

Хотя в течение предшествующих лет наблюдалось устойчивое развитие рынка автомобильной электроники, процентное соотношение датчиков для систем Powerdrivetrain и контроля эмиссии и, соответственно, датчиков, предназначенных для быстрорастущего сегмента систем безопасности, остается практически неизменным. Датчики положения, датчики скорости автомобиля, уровня и давления топлива, масла, воздуха или датчик температуры охладителя будут по-прежнему широко применяться и в новых автомобилях, несмотря на то, что используемые для их производства технологии претерпевают качественные изменения.

Параллельно возникают новые применения и типы датчиков — в ответ на новые требования функциональности, диктуемые рыночной ситуацией и государственными стандартами, особенно в сфере обеспечения безопасности и контроля эмиссии. В частности, рыночный рост объемов продаж датчиков определяется ужесточающимися стандартами на повышение топливной эффективности, уменьшение эмиссии для защиты окружающей среды, безопасность пассажиров и пешеходов, предотвращение аварий. В настоящее время в США действуют нормы эмиссии, соответствующие стандартам EPA Tier 1, а в Европе — нормам Евросоюза «Евро-4». Дорожная безопасность и топливная эффективность в США регулируются законодательными актами и федеральными стандартами FMVSS, разрабатываемыми Национальной администрацией шоссейного движения (NHTSA) и Институтом дорожной безопасности, в Европе — стандартами SAE.

В связи с расширением функциональности интеллектуальных систем управления DRIVE-BY-WIRE и помощи водителю (таких, как адаптивный круиз-контроль, электронная парковка) появляются новые датчики, обладающие еще более высоким уровнем интеллектуальности.

Поскольку соотношение «польза датчика/цена» на макроуровне автомобиля оказывается в среднем значительно больше единицы, современный рынок автоэлектроники становится чрезвычайно привлекательной нишей для различных OEM-производителей автомобильных датчиков и поставщиков систем с их использованием. Спрос на датчики стабильно поддерживается и частными потребителями — владельцами автомобилей, заинтересованными в уменьшении эксплуатационных издержек, большей безопасности и комфортабельности.

Согласно данным маркетинговых исследований компании BCC Inc, опубликованным в ноябре 2005 года, 10-миллиардный мировой автомобильный рынок датчиков характеризуется следующими основными тенденциями (рис. 2).

• Системы автомобильной безопасности останутся самым интенсивно развивающимся и стабильным рынком для сбыта датчиков. Это происходит главным образом благодаря влиянию национальных правительств, однако потребители и автоизготовители также стремятся покупать и производить более безопасные автомобили. По 2010 год данный сегмент будет показывать наибольший годовой прирост 13,7%, причем системы, расположенные в кабинах автомобиля, будут характеризоваться ежегодным приростом в 6,2%.
• До 2010 года включительно ежегодный прирост продаж датчиков давления и ускорения составит 5,6%; датчиков массового расхода воздуха, температуры, других типов датчиков — 4,5%.
• Датчики положения, скорости, концентрации кислорода (oxygen sensors) будут оставаться крупнейшим рыночным сегментом, объемы которого возрастут с $6,2 млрд в 2005-м до $8,6 млрд в 2010-м, с ежегодным приростом 6,7%.

По прогнозам BCC, общее увеличение мирового рынка датчиков между 2004 и 2010 годами составит 39% (со средним показателем годового прироста 6%) и достигнет $14,2 млрд в 2010 году.

Таким образом, современный рынок автоэлектроники характеризуется очень высокими и непрерывно увеличивающимися объемами промышленного производства и продаж датчиков, которые должны при этом отличаться низким уровнем стоимости и чрезвычайно высокой надежностью.

Современные условия предъявляют повышенные требования к автомобильным датчикам: в основном необходимы высокотемпературные компоненты, обеспечивающие функциональную точность в жестких условиях автомобильной окружающей среды: при вибрациях, ударах, перепадах питания,—а также устойчивые к электромагнитным помехам EMI и RFI (Radio Frequency Immunity).

Помимо снижения цены и повышения надежности, динамику рынка датчиков определяют такие промышленные тенденции, как миниатюризация, увеличение функциональности и повышение качества (уменьшение дефектных изделий в ppm), повышение точности, чувствительности, стабильности. В связи с этим конец ХХ и начало XXI века стали периодом кардинального изменения содержимого автомобильных датчиков: новые и наиболее востребованные для автомобильных применений сенсорные технологии по большей части используют технологию микросистем*, объединяющую передовые концепции MEMS, программируемых КМОП ИС и мультисенсорных интеллектуальных устройств.

Массовые объемы производства автомобильных датчиков создают огромные возможности для осуществления подобных инженерных инноваций, в то время как малые объемы продаж, как известно, значительно затормаживали развитие сенсорных технологий, поскольку цена НИОКР оказывалась слишком высокой. Еще один фактор, поддерживающий сенсорные инновации, — развитие самих электронных систем управления (например, Powerdrivetrain).

Такова общая картина мирового рынка автомобильных датчиков, основные рыночные и промышленные тенденции которого являются важнейшими факторами, управляющими рыночным позиционированием производителей, развивающих ключевые автомобильные применения сенсорных технологий и разрабатывающих новые маркетинговые фигуры. Безусловно, не полный список главных поставщиков автомобильных датчиков, которым принадлежат лидирующие позиции на автомобильном рынке, приведен в окончании данной статьи.

Далее приведена структурная классификация, отображающая конъюнктуру рынка автомобильных датчиков, которая включает технологии, системы (применения), перечень основных типов датчиков по их назначению и актуальным технологиям.

Среди актуальных технологий, общих для автомобильных датчиков, выделяются:

• датчики на основе MEMS-технологий;
• датчики на основе ИС;
• КМОП-датчики;
• мультисенсорные модули;
• программируемые датчики;
• интеллектуальные датчики;
• датчики со сниженным энергопотреблением.

В зависимости от принадлежности к конкретной автомобильной системе и применению автомобильные датчики классифицируются следующим образом.

1. Датчики систем управления двигателем и основными узлами и агрегатами, обеспечивающими передвижение автомобиля Powerdrivetrain:

• датчики топливной системы двигателя, зажигания и трансмиссии;
• датчики бортовой диагностики ONBOARD DIAGNOSTICS (OBD) в системах POWER TRAIN.

В эту группу входят датчики положения — например, распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, педали акселератора, датчик массового расхода воздуха, датчик давления воздуха во впускном патрубке, датчик скорости автомобиля, датчики температуры (в частности, температуры охладителя), датчик детонации, датчики уровня топлива и масла. Кроме того, в указанную группу входят и новые типы, например многопараметрические и мультисенсорные датчики контроля процесса горения в цилиндрах (давления и температуры) или состояния масла двигателя (рис. 3).

2. Датчики систем контроля эмиссии, к которым относятся: датчик концентрации кислорода, датчик положения клапана системы рециркуляции отработавших газов, датчик эмиссии летучих паров, датчик газа, датчик температуры отработавших газов и некоторые другие. Среди новых применений — датчик концентрации мочевины, которая помогает в очистке выхлопов дизеля (рис. 4).
3. Датчики систем контроля корпуса и колес:

• полуактивная или активная подвеска;
• электронно контролируемая подвеска ECS (ELECTRONICALLY CONTROLLED SUSPENSION);
• АБС, TPMS (TIRE PRESSURE MONITORING SYSTEM) — система контроля давления шин;
• электронные системы контроля доступа в кабину;
• контроль положения окон, дверей, сидений, солнечной крыши, стеклоочистителей, зеркал.

К этой группе относятся датчик положения подвески, датчик давления воздуха в амортизаторах, активные и пассивные дверные ключи, датчик тока батареи, датчик доступа к двери без ключа, датчик скорости колеса, датчик силы торможения, датчики положения и некоторые другие (рис. 5).

4. Датчики систем пассивной и активной безопасности SAFETY и SECURITY.

Ключевые области их применения:

• фронтальные подушки безопасности;
• боковые подушки безопасности;
• активное рулевое управление;
• системы контроля динамики ESC (Electronic Stability Control), ESP (ELECTRONIC STABILITY PROGRAM);
• АБС в машинах с четырехколесным приводом 4WD ABS (FOUR-WHEEL DRIVE ANTI-SKID BRAKES);
• системы контроля сцепления TCS (Traction Control System), противобуксровочная система;
• системы наблюдения давления в шинах TPMS (системы прямого измерения);
• системы предотвращения столкновений:
• системы переднего обозрения Forward Looking Systems;
• адаптивный круиз-контроль;
• отклонение от полосы/дороги;
• предупреждение о возможности переднего столкновения Forward Collision Warning;
• системы обнаружения задних объектов:
• помощь при парковке;
• обнаружение сзади идущего транспортного средства;
• боковые системы обнаружения:
• предупреждение об остановке;
• предупреждение об изменении полосы;
• предупреждение о движении на пересечение;
• системы помощи водителю Driver Assistance Systems;
• противоугонные системы.

Системы безопасности включают датчики инерции (акселерометры, гироскопы), датчики скорости колеса, датчики угла поворота и крутящего момента руля, датчики присутствия, положения, веса пассажиров, определения объектов, датчики давления подушек безопасности и накачки шин, датчик положения (наклона) фар, ультразвуковые и лазерные радары и многие другие датчики (рис. 6).

Описание актуальных технологий автомобильных датчиков по типу — назначению и технологии — продолжает следующая структурная классификация:

1. Датчики положения POSITION SENSORS:

• линейного или углового положения, абсолютные или инкрементальные энкодеры, многооборотные абсолютные энкодеры:
• потенциометры;
• датчики Холла;
• АМР;
• ГМР;
• индуктивные;
• оптические;
• магнитостриктивные датчики.

Датчики положения индицируют положение различных систем, сообщая информацию модулю контроля двигателем ECU и другим электронным системам, что заменяет механические связи в автомобилях. Наиболее популярные из них — датчик положения дроссельной заслонки, рулевого колеса, педали акселератора и т. д.

2. Датчики скорости SPEED SENSORS и цифровые датчики положения:

• индуктивные Variable Reluctance;
• датчики Виганда;
• датчики Холла;
• МР;
• АМР;
• ГМР.

Самые распространенные типы датчиков скорости — датчик скорости автомобиля, датчик частоты вращения колес; цифровых датчиков положения — датчик фазы (распределительного вала) и коленчатого вала (угла и скорости).

3. Датчики концентрации кислорода OXYGEN SENSORS (или датчики газа Gas Sensors — oxygen и NOx sensors).

Сегодня актуальны следующие технологии датчиков oxygen sensors и NOx sensors:

• электрически нагреваемые датчики на основе диоксида циркония ZrO₂ (датчики с диоксидом циркония ZrO₂, нагреваемые выхлопным газом, в настоящее время не актуальны);
• электрически нагреваемые планарные датчики с малой термической массой на основе керамики ZrO₂;
• электрически нагреваемые датчики на основе диоксида титана TiO₂;
• электрически нагреваемые, планарные датчики с малой термической массой, двухкамерные датчики на основе ZrO₂;
• двухкамерные датчики на основе ZrO₂.

Эти датчики определяют состав выхлопных газов, гарантируя, что он остается в пределах норм, и подают сигналы обратной связи к системам контроля двигателя — для регулирования соотношения ТВС с целью оптимизации сгорания топлива и минимизации эмиссии.

4. Микромеханические датчики массового расхода воздуха MASS AIRFLOW SENSORS (для регулирования ТВС).
5. Датчики температуры TEMPERATURE SENSORS:

• термисторы с отрицательным или положительным температурным коэффициентом;
• резистивные датчики температуры (пленочные платиновые датчики);
• платиновые термопары;
• бесконтактные инфракрасные датчики.

Указанные датчики посылают информацию автомобильному компьютеру об окружающей температуре в различных частях автомобиля. Кроме измерения температуры в салоне, они измеряют температуру масла, воздуха, охлаждающей жидкости — во впускном патрубке, коробке передач, на коленчатом валу и других частях автомобиля, а также детектируют присутствие или положение пассажира.

6. Датчики давления Pressure Sensors применяют следующие актуальные технологии:

• пьезорезистивные микромеханические датчики;
• пьезорезистивные поликремниевые модули на стали;
• емкостные микромеханические датчики;
• емкостные керамические модули.

В автомобиле среди множества других выделяются два основных типа датчиков давления: manifold air pressure sensor, для регулирования соотношения ТВС в системах powertrain, и датчик проверки оптимального давления в шинах tire pressure sensor.

7. Акселерометры ACCELEROMETERS (датчики линейного ускорения) и инклинометры.

В настоящее время актуальны следующие технологии MEMS-акселерометров, включая находящиеся на стадии разработки:

• емкостные микромеханические объемные и поверхностные датчики;
• пьезоэлектрические;
• пьезорезистивные микромеханические датчики;
• тепловые;
• электромагнитные;
• туннельные;
• оптические.

Выделяются также low-g и high-g-акселерометры, инклинометры.

Основные применения: обнаружение и прогноз аварийных ситуаций для накачивания подушек безопасности, обнаружение крена машины и боковых опрокидываний (Rollover), системы контроля динамики, инклинометры навигационных и противоугонных систем, блоки инерциальных измерений inertial measurement unit (IMU) и другие.

8. Датчики угловой скорости — гироскопы ANGULAR и YAW RATE SENSORS.

Ключевые сферы применения, для которых разрабатываются новые гироскопы, — обнаружение крена машины и боковых опрокидываний (Rollover), навигационные системы (GPS и другие), контроль динамики автомобиля ESC, а также ABC и IMU.

Основные технологии, реализуемые в гироскопах:

• камертонные гироскопы Tuning Fork Gyroscope;
• полусферические резонансные гироскопы Wine Glass Resonator Gyroscopes;
• кольцевой резонатор — гироскоп Ring Resonator Gyroscope;
• вибрирующее колесо — гироскоп Vibrating Wheel;
• вращающееся колесо — гироскоп Spinning Wheel Gyroscope;
• микрооптические электромеханические гиросистемы Micro-Optical-Electromechanical Systems (MOEMS) Gyros;
• интерферометрические MOEMS-гироскопы.

9. К другим типам автомобильных датчиков (рис. 1) обычно относят (рис. 7):

• датчик детонации;
• оптические детекторы солнечного света, сумерек и бликов;
• датчики влажности;
• датчики дождя;
• датчики уровня топлива level sensors (их основное назначение — измерение уровня топлива в бензобаке, новые применения — измерение уровня гидравлических и других жидкостей):
• поплавковые датчики float and arm sensor, включая электронные датчики на основе толстых и тонких пленок;
• проводные датчики сопротивления resistance wire sensors или tubular-type sensors;
• датчики крутящего момента двигателя, коробки передач, рулевого управления;
• многоосевые микромеханические датчики инерции (включающие акселерометры и гироскопы);
• датчики систем обнаружения препятствий, расположенных на близком расстоянии;
• датчики систем обнаружения удаленных препятствий;
• датчики контроля процесса горения в двигателе внутреннего сгорания ENGINE COMBUSTION SENSORS;
• датчики безопасности MICRO-SAFING SENSORS (эти датчики включаются в состав модулей дополнительных подушек безопасности; для того чтобы детектировать удар вследствие столкновения одновременно с главным датчиком фронтального ускорения и быстрого реагирования в объемной емкостной ячейке верхний электрод и консоль контактируют друг с другом, вырабатывая сигнал «On»);
• датчики систем климат-контроля (например, качества воздуха).

Описание автомобильного рынка датчиков, представленное выше, иллюстрирует только основные типы датчиков и применения, для которых лишь перечислены самые актуальные технологии, поскольку более подробный анализ и выделение частных тенденций каждого из основных рыночных сегментов предполагает гораздо больший объем публикаций.

Важнейшей тенденцией рынка является также увеличение общего числа датчиков в автомобиле, расширение числа отображаемых параметров (новые применения) и схем детектирования (новые технологии).

Так, новые применения датчиков включают:

• интеллектуальные системы управления DRIVE-BY-WIRE;
• интеллектуальные системы помощи водителю DRIVER ASSISTANCE SYSTEMS (адаптивный круиз-контроль и BRAKE-BY-WIRE);
• системы автомобильной телематики — например, компасы (рис. 7д) и гироскопы;
• системы с питанием 42 В (концепция перехода обусловлена повышенным потреблением электрической энергии в автомобиле);
• дизельные и альтернативные концепции двигателей (гибриды и газовые двигатели).

Существующие и новые автомобильные датчики интегрируются практически во все новые электронные и мехатронные системы, повышая их функциональность, интеллектуальность и надежность, снижая системную цену, собственные размер и вес.

^* Технологии микросистем Microsystems Technology (MST) в Европе часто являются синонимом MEMS-технологий, систем или структур, которые в Японии называют Micro-Machines — микромеханические устройства. В рамках данной статьи под технологией микросистем понимаются системы с размерами порядка мкм, в которые включены системные функции анализа и обработки сигнала или нескольких сигналов (в мультисенсорных микросистемах), в одном корпусе (system in package) или, по возможности, на одном кристалле (system on chip). Это понятие объединяет MEMS и ИС.

NEC Electronics Europe начинает поставки новых транзисторных оптопар серии PS2561B-1 с расширенным диапазоном рабочих температур — от –55 до +110 °C. Новые оптопары этой серии имеют пластиковый DIP-корпус с высокой электрической прочностью изоляции 5000 В переменного тока и доступны в двух модификациях: для установки в отверстия и для поверхностного монтажа. Величина коэффициента передачи по току задана для рабочего тока в 1 и 5 мА, выходное напряжение коллектор-эмиттер не более 80 В, а максимальный ток коллектора не более 50 мА. Время включения — 3 мкс, время выключения — 5 мкс. Новая серия оптопар удовлетворяет требованиям директивы RoHS и полностью соответствует международным сертификатам UL, CSA, BSI, SEMKO, NEMKO, DEMKO, FIMKO и VDE.

Расширенный температурный диапазон позволяет применять их в импульсных источниках питания, промышленном оборудовании и везде, где аппаратура имеет высокую плотность монтажа и работает при высокой температуре окружающей среды.

Новые оптопары серии PS2561B-1 доступны для заказа.

В дополнение к этой серии оптопар на 2006 год запланирован также выпуск оптопар в небольших корпусах SOP и SSOP, имеющих такой же широкий рабочий диапазон температур.