硅基半導體的“桑巴舞”

許暉

激光雷達的歷史已經無需過多介紹了，1960年最早出現，隨后1988年至1993年間開啟商用征程，如今它已經從“小毛孩”成長為“青壯年”。而其在車載領域的技術路線也從原來大家所熟知的旋轉機械式，逐步發展出MEMS微振鏡、FLASH面陣技術、OPA相控陣技術、旋轉棱鏡式技術等等多技術路線，本期我們來解讀一下MEMS微振鏡技術。

MEMS的起源

也許因為汽車圈內的關注點多在自動駕駛領域，而消費者們聽到MEMS這個名稱的時候，多半也說的是應用在自動駕駛領域的MEMS技術激光雷達，所以估計不少人會認為MEMS就是激光雷達。可事實并非如此，MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的縮寫，中文翻譯過來就是“微機電系統”。

MEMS技術出現歷史已久，甚至可以追溯到仙童半導體發明單片集成式電路（IC），以及貝爾實驗室發明MOSFET的1959年間。也正是由于業界對于IC芯片上的MOSFET微型化需求，讓電子元器件的微型化技術迅速發展。隨著基于硅半導體的微加工技術出現，機械系統的小型化基礎被逐步奠定。與此同時工程師們也開始意識到，硅芯片和MOSFET可以與周圍環境進行交互和通訊，并處理諸如化學物質，運動和光之類任務。1962年最早由霍尼韋爾所發明的硅壓力傳感器，正是基于機械系統小型化技術微加工而成的。

MEMS元器件是什么

MEMS元器件的制造是從半導體器件制造中的工藝技術發展而來的，早期作品是諧振門晶體管以及諧振器，在隨后的十數年間了，大量被用于測量物理，化學，生物學和環境參數的MOSFET微傳感器被研發出來。而MEMS的制造材料多種多樣，聚合物、金屬、陶瓷都能成為MEMS的制造材料，不過MEMS最為主要的制造材料依然是廣泛被用于制造大多數集成電路的材料——硅，通過硅微加工工藝在一塊8寸硅片晶圓上可以切出大約1000個MEMS芯片，這極大降低了單個生產成本

MEMS元器件最為有趣的一點則是其高度集成化能力。單顆MEMS往往在封裝機械傳感器的同時還會集成ASIC芯片來控制MEMS芯片以及轉換模擬量為數字量輸出。在集成了微傳感器，微致動器和微電子器件的MEMS元器件上，微傳感器和微致動器可以被視為“換能器”，其將能量從一種形式轉換為另一種形式。在過去的幾十年中，MEMS的研發人員已經針對溫度，壓力，慣性力，化學物質，磁場，輻射等等幾乎所有可能的感應方式，研發出數量眾多的微型傳感器。更為有趣的是，當這些小型化的傳感器，致動器和電子器件與集成電路，通過特殊工藝選擇性地蝕刻掉一部分硅晶片，并添加新的結構層形成機械和機電裝置，讓它們一起合并共存在硅基板上時，MEMS的真正潛力得到了無限發揮。不僅可以與微電子技術融合，還可以與光子學，納米技術等其他技術融合，造就出更多品類的“異構集成”產品。

MEMS的廣泛應用

MEMS技術已經十分成熟，并廣泛應用于商業領域，在我們身邊常用的產品之中或多或少出現其身影。譬如使用熱電或熱氣泡噴射將墨水沉積在紙張上的噴墨打印機、汽車以及消費電子產品，特別是各種智能手機之中的加速度計、基于DLP技術的投影機甚至電影院放映機所使用的數字微鏡器件DMD，還有入耳式耳機、助聽器所使用的微小揚聲器等等，而車載方面的MEMS技術更是不勝枚舉。業界有著一個奇特的理論，MEMS傳感器在車上的裝配量和價值量，往往與車型價位成正比。入門級車型可能只有5個，而高檔汽車包含25-40個，有些高端車型僅發動機就擁有20-40個之多，平均下來每輛汽車包含24個左右。至于今天大家話題之中提到的“MEMS激光雷達”，只不過屬于其中一種MEMS技術拓展出來的產品而已。

MEMS激光雷達原理與優勢

激光雷達的類型基本通過核心部件技術命名。MEMS激光雷達的內在結構看似并不復雜卻技術含量極高，通過半導體制程，在硅基晶圓上制作具有支撐懸臂的MEMS微振鏡。根據運動結構可分為單軸一維，也可以雙軸二維振鏡。MEMS振鏡的驅動方式可以是電磁驅動、靜電驅動、電熱驅動或是壓電驅動，基于技術成熟度與適用性，目前業界之中的MEMS激光雷達，多以前兩種驅動方式配合雙軸MEMS振鏡為解決方案。其中靜電驅動因其驅動力偏小，適合驅動5mm及以下尺寸振鏡，而電磁驅動力可達靜電驅動的上千倍，為此可以驅動尺寸更大的振鏡。

以電磁驅動為例，按振動速度可以分成快軸和慢軸兩個自由度。基本原理都是振鏡通過周圍的導電線圈產生電磁力發生偏轉，隨后來自支撐懸梁臂自身的韌性彈力和空氣阻力使其回位。不同的是慢軸通過控制三個力之間的相互平衡，使鏡面能以目標的速度運動到目標位置，我們稱之為伺服狀態。而快軸則由電磁力驅動鏡面在其固有的振蕩頻率下做有規律的振動。由于利用了“共振”的原理，所以快軸用很小的驅動力就能控制振鏡以很高的頻率和振幅運動，我們稱之為諧振狀態。通過快慢軸特定的速度和位置的配合，雷達將激光束有規律地投射到指定的方向，并通過接收器回收信號后處理形成點云圖像。

MEMS激光雷達之所以受到業界青睞，離不開其體積小，容易集成等優勢，便于整機盡可能小型化。傳統機械式激光雷達需要實現高精點云，掃描線束越多越好，有多少線束就需要多少組發射模塊與接收模塊，尺寸注定無法做小，很難想象他日落地量產的車頂上都有一個全家桶在旋轉，是多么富有喜感的一幕。而MEMS激光雷達對激光器和探測器的數量需求明顯減少。二維MEMS振鏡僅需要反射幾束激光光源，振鏡的雙軸采用微秒級的頻率協同工作，就能通過探測器接收物體反射信號達成3D掃描目的。與多組發射/接收芯片組的機械式激光雷達結構相比，極大優化了體積、重量與成本。

其次能耗低，MEMS激光雷達的整體能耗來自于激光的發射、接收，后處理以及振鏡掃描四部分，整機能耗可以控制在15W以內，甚至國內自主品牌能到13W。能耗大小可視乎廠家的后處理方案略有增減。不過如果對于自動駕駛領域一直所關心的能耗問題，MEMS激光雷達的能耗實在是太低了。

再次，作為自動駕駛可靠的探測儀器，MEMS激光雷達需要高度的產品一致性。MEMS的微制造技術已經十分成熟，一旦這些產品達到SOP階段，那么通過對生產線以及生產工藝的進一步改進與校準，自動化機器能完成其他類型產品過往需要人工校準的環節，進一步保障雷達產品的一致性。也進一步降低單機成本。MEMS激光雷達結構原理上減少了絕大部分運動結構，盡管仍有一丁點可運動部件，也就是偏振鏡面工作時候做出的振動，但已經極限接近固態形式，為此業界大多稱其為混合態激光雷達。與其他需要大量機械運動結構的激光雷達相比，MEMS激光雷達從易裝性、美觀度、成本以及穩定性上對車企更為友好。

MEMS激光雷達存在的挑戰

MEMS激光雷達存的振鏡結構，相比于用在機械式激光雷達的多棱鏡和擺鏡，尺寸確實大為縮小，但這同時也限制了MEMS激光雷達的光學口徑。目前業界產品之中，振鏡尺寸主要以5mm和7mm兩種尺寸為主。從物理角度來看，光學口徑與偏轉角度的乘積，決定了空間分辨率以及探測距離，乘積越小掃描角度，視場角也越小。更為尷尬的是，振鏡口徑與偏轉角度本身就是一對無法調和的矛盾。另外大口徑振鏡也代表質量越大，更容易受到外界沖擊力影響甚至支撐懸臂梁斷裂，這些都成為挑戰MEMS激光雷達的技術難點，如此看來似乎MEMS振鏡技術難以符合自動駕駛所需要的基本要求，更難以通過車規驗證。

其實不然，技術發展總是需要各種挑戰，研發人員針對以上問題提出了不少解決辦法，其中一種是在不增大口徑的情況下，采用更為優質的激光光源，如1550nm的光纖激光發生器，更優質的光源可讓振鏡尺寸盡可能做小做輕，不過目前1550nm激光發生器成本仍然偏高且技術仍有待成熟。過車規高溫也會是一個比較大的挑戰;相比機械雷達使用的APD探測效率更高的SiPM器件也被應用到MEMS系統雷達中去解決口徑小導致的測距能力問題，使5-7mm的口徑也能做出滿足乘用車需求的測距性能;當然還可以通過光學組件（如透鏡、衍射光學元件、液晶空間調制器）進行擴束，放大最大偏振角度。不過，擴束又會帶來更多的光學范疇問題，譬如出現“鬼影”，光串擾等，所增加的元器件也不利于整機尺寸、內部布局以及散熱。

MEMS還有一個優點是靈活的控制策略，可以通過改變振鏡振幅、頻率以及速度控制其運動軌跡。調整振幅在一定程度下可自由擴大或者縮小振鏡FoV視場角;改變頻率可以改變掃描幀率加速系統響應時間;改變速度則改變系統分辨率提升最終點云質量。這種方式為激光雷達提供了良好的安裝后期靈活性，讓激光雷達可以在不同場景之下靈活切換變更使用需求。譬如在進入停車場等低速場景下，提高掃描幀率可獲得更快的響應時間，應對突然出現的障礙物;而當車輛處于高速情況下，在保證視場角的同時，改變局部區域的速度獲得更高的分辨率，方便探測更遠距離的路面細小障礙物。別的不說，單這個后期調整靈活度就是其他技術激光雷達所無法比擬。

至于口徑增大容易導致因震動對支撐懸臂梁造成沖擊斷裂的情況，是一個需要重點釋疑的問題，車規級別要求車載電子元器件起碼能達到10000小時的正常使用壽命，萬一隨便過一個大坑軸就廢了會很尷尬。畢竟作為自動駕駛的主要傳感器，就算有冗余備份，也會讓人有所不安。微型化的振鏡一體軸害怕各方向沖擊力是不爭的事實，口徑增大也的確會增加振鏡質量，可是不要忘記了，大口徑振鏡其支撐懸臂梁其實也是隨之增粗，剛度也有所增強。反倒是靜電驅動的相比口徑更小的振鏡因為驅動力不夠，支撐懸臂梁設計的相對更為纖細，在應對沖擊時有可能出現斷裂問題，反觀這種問題在以電磁驅動的大口徑振鏡更為粗壯的支撐懸臂梁上基本不會出現。目前從實測數據來看，在針對汽車電子以及專門針對MEMS器件的車規級標準AEC-Q103測試下，7mm電磁驅動方式的MEMS部件通過340G沖擊完全沒有問題。

業界之中的代表者

做MEMS振鏡方案的業界廠家并不在少數，但真正是想為自動駕駛服務的激光雷達廠家并不多。其中早在2010年Ibeo就與法雷奧合作開始兩軸MEMS激光雷達Scala。日企先鋒也在2016年CESASIA上就發布過自己的產品，而成立于2016年的Innoviz走的也是MEMS技術路線并且與寶馬集團簽訂了定點合作。當然還有由大陸集團所投資的創新廠商AEye，其產品采用1550nm激光器+反饋控制MEMS掃描方案。自主品牌在MEMS激光雷達領域同樣驚艷。成立于2014年的激光雷達初創企業速騰聚創，在2018年的CES展上就公布了RS-LiDAR-M1Pre的MEMS激光雷達產品，如今更推出了可量產化的RS-LiDAR-M1版本，并獲得了國外車企的批量定點采購。其實不少以往堅守機械式激光雷達的老牌企業也紛紛宣布增設或者轉戰MEMS技術路線。已經足以證明該技術路線的確具有足夠的期待性。

結語：

MEMS激光雷達具有廣闊的發展前景。它們功能強大、成本更低、體積更小、集成度高，非常適合于包括汽車在內的自動化智能化應用。但技術的多樣化才是造福終端消費者的法寶，下一次，我們將為讀者帶來其他技術類型激光雷達的科普解讀。