讓智慧車耳聰目明 車用感測元件蓄積高度成長力

2017-09-04
先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System, ADAS)是自駕車最重要的幫手,其中角色有如系統耳目的就是各式感測器,也是車用電子最重要的一類元件,包括:光學攝影機、光達(LiDAR)、毫米波雷達與紅外線、超音波雷達。
車用電子的議題大概10多年前就被產業關注,但這些年來大致呈現破碎化的發展,成長並不全面,直到近年自駕車議題興起,車用半導體變成產業成長力道最為強勁的應用之一,加之以車用電子導入期長,平均單價較高,產品毛利率也高,相關產品已經成為半導體大廠兵家必爭之地。 

先進駕駛輔助系統(Advanced Driver Assistance System, ADAS)是自駕車最重要的幫手,在大約10多個子系統中,扮演重要角色有如系統耳目的就是各式感測器,也是車用電子最重要的一類元件,包括:光學攝影機、光達(LiDAR)、毫米波雷達與紅外線、超音波雷達等,其中前面三項將會是提供汽車視覺最主要的元件。 

車用電子產值不斷成長

從整體汽車市場的成長來看,IHS車用電子與半導體資深產業分析師Akhilesh Kona表示,2016~2022年的年複合平均成長率(CAGR)約2.4%,以新興市場的成長性如中國大陸、南亞、南美、中東較佳,成長幅度大於全球平均。但車用電子產值卻不斷成長,從2014年的1,000億美元左右,到2022年整體產值將突破1,600億美元。每輛車子的汽車電子產品價值也將從2014年的1,200美元左右,提升到2022年的1,500美元。 

圖1 車用資通訊娛樂系統出貨量與系統單價趨勢

資料來源:ABI Research

而車輛資通訊娛樂系統(Infotainment)出貨量(圖1)從2015~2020年,年複合成長率達31%,儘管每套產品平均單價在同一時段也呈現每年平均下滑11%,仍無損其整體成長趨勢。ADAS裡面高單價的LiDAR,則是從2016年開始逐步開拓市場需求,Akhilesh Kona認為,LiDAR 2020年出貨量正式超越100萬套,預期2020~2026年將是LiDAR成長高峰期。 

車用感測器重要性日增 

在自駕車發展的歷程中,車用感測器的重要性越來越高,尤其是2016年5月特斯拉(Tesla)自駕車事故之後,業界共識就是多重系統設置的必要性,透過不同技術進行判斷,讓誤判與技術盲點發生率降到最低。 

毫米波雷達 

高頻毫米波(mmWave)雷達可以測量距離及周遭物體速度,不受天候環境影響。不同種類的雷達,測量距離與角度範圍都不盡相同,但共同缺點是精確度不高,無法清楚地辨識物體,目前以短距離雷達(24GHz)和長距離雷達(77/79GHz)為主要產品類別。 

光學攝影機

光學攝影機透過機器視覺演算法,擁有較佳的物體辨識能力,能夠分辨顏色、標線、交通號誌等。發展已久的影像感測器,技術相對成熟,成本也較其他兩種感測器低,但光學攝影機容易受到濃霧、大雨、天黑等天氣因素影響,環境因素不佳感測品質就會大幅降低。 

光學雷達

光達有高精度、高辨識度等優點。透過雷射及特殊演算法,光達可不受環境因素影響地感測周遭障礙物形狀、距離等資訊,進而建立周遭環境的3D地理資訊模型。再加上掃描半徑達一百公尺,可以給予自動駕駛足夠的反應距離,光達成了自動駕駛必備的感測系統之一。 

圖2 NI亞太區測試與RF行銷經理久保法晴說,現在有廠商提出以毫米波雷達搭配光學攝影機的解決方案,避免採用昂貴的光達。
不過光達的成本也最高,且機械式光達體積龐大、造型不佳必須安裝在車頂,過去一顆高檔的光達需上百萬元,NI亞太區測試與RF行銷經理久保法晴(圖2)說,現在市面上一顆光達約1,000美元,因此有廠商提出以毫米波雷達搭配光學攝影機的解決方案,在車輛前方安裝一顆77GHz砷化鎵(GaAs)製程高精度的毫米波雷達,偵測距離達200公尺;另外車子的四個角再安裝79GHz採用矽鍺(SiGe)或CMOS製程,偵測距離50~100公尺,成本約50美元的毫米波雷達。 

這樣的方案成本比採用光達還低,久保法晴補充,歐洲有一家車電廠Hella就有推出類似的解決方案。不過長期來看,站在多系統備援的角度,光達的使用還是有其必要性。 

目前常見的光達為機械式旋轉光達,可依掃描維度區分成三種:一維光達即是雷射測距儀;二維光達則是透過機械元件旋轉雷射,以得到平面、360度的掃描資訊;三維光達則是將數個二維光達堆疊排列,以得到數個平行的平面資訊,進而組合成3D環境資訊,堆疊數量越多精度越高。 

另外,近期有多家廠商推出固態光達(Solid-state LiDAR)技術。固態光達藉由光相位矩陣(Optical Phase Array, OPA) 改變雷射光發出角度。當雷射脈衝進入OPA後,其上的固態電子元件藉由改變雷射脈衝相位來使雷射方向改變。因此,固態光達可在一微秒內改變發射角度,藉此改變掃描區域。省去機械旋轉的機構,固態光達的體積將可大幅減小,重量亦減輕許多。此外,其價錢可望壓在300美元以下,有機會成為未來應用的主流。

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