硅基半導(dǎo)體的“桑巴舞”

許暉

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

MEMS的起源

也許因?yàn)槠嚾?nèi)的關(guān)注點(diǎn)多在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，而消費(fèi)者們聽到MEMS這個(gè)名稱的時(shí)候，多半也說的是應(yīng)用在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的MEMS技術(shù)激光雷達(dá)，所以估計(jì)不少人會(huì)認(rèn)為MEMS就是激光雷達(dá)?？墒聦?shí)并非如此，MEMS是Micro-Electro-MechanicalSystem的縮寫，中文翻譯過來就是“微機(jī)電系統(tǒng)”。

MEMS技術(shù)出現(xiàn)歷史已久，甚至可以追溯到仙童半導(dǎo)體發(fā)明單片集成式電路（IC），以及貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明MOSFET的1959年間。也正是由于業(yè)界對(duì)于IC芯片上的MOSFET微型化需求，讓電子元器件的微型化技術(shù)迅速發(fā)展。隨著基于硅半導(dǎo)體的微加工技術(shù)出現(xiàn)，機(jī)械系統(tǒng)的小型化基礎(chǔ)被逐步奠定。與此同時(shí)工程師們也開始意識(shí)到，硅芯片和MOSFET可以與周圍環(huán)境進(jìn)行交互和通訊，并處理諸如化學(xué)物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)和光之類任務(wù)。1962年最早由霍尼韋爾所發(fā)明的硅壓力傳感器，正是基于機(jī)械系統(tǒng)小型化技術(shù)微加工而成的。

MEMS元器件是什么

MEMS元器件的制造是從半導(dǎo)體器件制造中的工藝技術(shù)發(fā)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?dāng)?shù)年間了，大量被用于測量物理，化學(xué)，生物學(xué)和環(huán)境參數(shù)的MOSFET微傳感器被研發(fā)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(shù)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(gè)MEMS芯片，這極大降低了單個(gè)生產(chǎn)成本

MEMS元器件最為有趣的一點(diǎn)則是其高度集成化能力。單顆MEMS往往在封裝機(jī)械傳感器的同時(shí)還會(huì)集成ASIC芯片來控制MEMS芯片以及轉(zhuǎn)換模擬量為數(shù)字量輸出。在集成了微傳感器，微致動(dòng)器和微電子器件的MEMS元器件上，微傳感器和微致動(dòng)器可以被視為“換能器”，其將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。在過去的幾十年中，MEMS的研發(fā)人員已經(jīng)針對(duì)溫度，壓力，慣性力，化學(xué)物質(zhì)，磁場，輻射等等幾乎所有可能的感應(yīng)方式，研發(fā)出數(shù)量眾多的微型傳感器。更為有趣的是，當(dāng)這些小型化的傳感器，致動(dòng)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(jié)構(gòu)層形成機(jī)械和機(jī)電裝置，讓它們一起合并共存在硅基板上時(shí)，MEMS的真正潛力得到了無限發(fā)揮。不僅可以與微電子技術(shù)融合，還可以與光子學(xué)，納米技術(shù)等其他技術(shù)融合，造就出更多品類的“異構(gòu)集成”產(chǎn)品。

MEMS的廣泛應(yīng)用

MEMS技術(shù)已經(jīng)十分成熟，并廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，在我們身邊常用的產(chǎn)品之中或多或少出現(xiàn)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(jī)、汽車以及消費(fèi)電子產(chǎn)品，特別是各種智能手機(jī)之中的加速度計(jì)、基于DLP技術(shù)的投影機(jī)甚至電影院放映機(jī)所使用的數(shù)字微鏡器件DMD，還有入耳式耳機(jī)、助聽器所使用的微小揚(yáng)聲器等等，而車載方面的MEMS技術(shù)更是不勝枚舉。業(yè)界有著一個(gè)奇特的理論，MEMS傳感器在車上的裝配量和價(jià)值量，往往與車型價(jià)位成正比。入門級(jí)車型可能只有5個(gè)，而高檔汽車包含25-40個(gè)，有些高端車型僅發(fā)動(dòng)機(jī)就擁有20-40個(gè)之多，平均下來每輛汽車包含24個(gè)左右。至于今天大家話題之中提到的“MEMS激光雷達(dá)”，只不過屬于其中一種MEMS技術(shù)拓展出來的產(chǎn)品而已。

MEMS激光雷達(dá)原理與優(yōu)勢

激光雷達(dá)的類型基本通過核心部件技術(shù)命名。MEMS激光雷達(dá)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)看似并不復(fù)雜卻技術(shù)含量極高，通過半導(dǎo)體制程，在硅基晶圓上制作具有支撐懸臂的MEMS微振鏡。根據(jù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)可分為單軸一維，也可以雙軸二維振鏡。MEMS振鏡的驅(qū)動(dòng)方式可以是電磁驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)或是壓電驅(qū)動(dòng)，基于技術(shù)成熟度與適用性，目前業(yè)界之中的MEMS激光雷達(dá)，多以前兩種驅(qū)動(dòng)方式配合雙軸MEMS振鏡為解決方案。其中靜電驅(qū)動(dòng)因其驅(qū)動(dòng)力偏小，適合驅(qū)動(dòng)5mm及以下尺寸振鏡，而電磁驅(qū)動(dòng)力可達(dá)靜電驅(qū)動(dòng)的上千倍，為此可以驅(qū)動(dòng)尺寸更大的振鏡。

以電磁驅(qū)動(dòng)為例，按振動(dòng)速度可以分成快軸和慢軸兩個(gè)自由度?；驹矶际钦耒R通過周圍的導(dǎo)電線圈產(chǎn)生電磁力發(fā)生偏轉(zhuǎn)，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(gè)力之間的相互平衡，使鏡面能以目標(biāo)的速度運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，我們稱之為伺服狀態(tài)。而快軸則由電磁力驅(qū)動(dòng)鏡面在其固有的振蕩頻率下做有規(guī)律的振動(dòng)。由于利用了“共振”的原理，所以快軸用很小的驅(qū)動(dòng)力就能控制振鏡以很高的頻率和振幅運(yùn)動(dòng)，我們稱之為諧振狀態(tài)。通過快慢軸特定的速度和位置的配合，雷達(dá)將激光束有規(guī)律地投射到指定的方向，并通過接收器回收信號(hào)后處理形成點(diǎn)云圖像。

MEMS激光雷達(dá)之所以受到業(yè)界青睞，離不開其體積小，容易集成等優(yōu)勢，便于整機(jī)盡可能小型化。傳統(tǒng)機(jī)械式激光雷達(dá)需要實(shí)現(xiàn)高精點(diǎn)云，掃描線束越多越好，有多少線束就需要多少組發(fā)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(chǎn)的車頂上都有一個(gè)全家桶在旋轉(zhuǎn)，是多么富有喜感的一幕。而MEMS激光雷達(dá)對(duì)激光器和探測器的數(shù)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(jí)的頻率協(xié)同工作，就能通過探測器接收物體反射信號(hào)達(dá)成3D掃描目的。與多組發(fā)射/接收芯片組的機(jī)械式激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)相比，極大優(yōu)化了體積、重量與成本。

其次能耗低，MEMS激光雷達(dá)的整體能耗來自于激光的發(fā)射、接收，后處理以及振鏡掃描四部分，整機(jī)能耗可以控制在15W以內(nèi)，甚至國內(nèi)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(duì)于自動(dòng)駕駛領(lǐng)域一直所關(guān)心的能耗問題，MEMS激光雷達(dá)的能耗實(shí)在是太低了。

再次，作為自動(dòng)駕駛可靠的探測儀器，MEMS激光雷達(dá)需要高度的產(chǎn)品一致性。MEMS的微制造技術(shù)已經(jīng)十分成熟，一旦這些產(chǎn)品達(dá)到SOP階段，那么通過對(duì)生產(chǎn)線以及生產(chǎn)工藝的進(jìn)一步改進(jìn)與校準(zhǔn)，自動(dòng)化機(jī)器能完成其他類型產(chǎn)品過往需要人工校準(zhǔn)的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步保障雷達(dá)產(chǎn)品的一致性。也進(jìn)一步降低單機(jī)成本。MEMS激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)原理上減少了絕大部分運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，盡管仍有一丁點(diǎn)可運(yùn)動(dòng)部件，也就是偏振鏡面工作時(shí)候做出的振動(dòng)，但已經(jīng)極限接近固態(tài)形式，為此業(yè)界大多稱其為混合態(tài)激光雷達(dá)。與其他需要大量機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)相比，MEMS激光雷達(dá)從易裝性、美觀度、成本以及穩(wěn)定性上對(duì)車企更為友好。

MEMS激光雷達(dá)存在的挑戰(zhàn)

MEMS激光雷達(dá)存的振鏡結(jié)構(gòu)，相比于用在機(jī)械式激光雷達(dá)的多棱鏡和擺鏡，尺寸確實(shí)大為縮小，但這同時(shí)也限制了MEMS激光雷達(dá)的光學(xué)口徑。目前業(yè)界產(chǎn)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(xué)口徑與偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度本身就是一對(duì)無法調(diào)和的矛盾。另外大口徑振鏡也代表質(zhì)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(zhàn)MEMS激光雷達(dá)的技術(shù)難點(diǎn)，如此看來似乎MEMS振鏡技術(shù)難以符合自動(dòng)駕駛所需要的基本要求，更難以通過車規(guī)驗(yàn)證。

其實(shí)不然，技術(shù)發(fā)展總是需要各種挑戰(zhàn)，研發(fā)人員針對(duì)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(yōu)質(zhì)的激光光源，如1550nm的光纖激光發(fā)生器，更優(yōu)質(zhì)的光源可讓振鏡尺寸盡可能做小做輕，不過目前1550nm激光發(fā)生器成本仍然偏高且技術(shù)仍有待成熟。過車規(guī)高溫也會(huì)是一個(gè)比較大的挑戰(zhàn);相比機(jī)械雷達(dá)使用的APD探測效率更高的SiPM器件也被應(yīng)用到MEMS系統(tǒng)雷達(dá)中去解決口徑小導(dǎo)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(dāng)然還可以通過光學(xué)組件（如透鏡、衍射光學(xué)元件、液晶空間調(diào)制器）進(jìn)行擴(kuò)束，放大最大偏振角度。不過，擴(kuò)束又會(huì)帶來更多的光學(xué)范疇問題，譬如出現(xiàn)“鬼影”，光串?dāng)_等，所增加的元器件也不利于整機(jī)尺寸、內(nèi)部布局以及散熱。

MEMS還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(yùn)動(dòng)軌跡。調(diào)整振幅在一定程度下可自由擴(kuò)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(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;改變速度則改變系統(tǒng)分辨率提升最終點(diǎn)云質(zhì)量。這種方式為激光雷達(dá)提供了良好的安裝后期靈活性，讓激光雷達(dá)可以在不同場景之下靈活切換變更使用需求。譬如在進(jìn)入停車場等低速場景下，提高掃描幀率可獲得更快的響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)對(duì)突然出現(xiàn)的障礙物;而當(dāng)車輛處于高速情況下，在保證視場角的同時(shí)，改變局部區(qū)域的速度獲得更高的分辨率，方便探測更遠(yuǎn)距離的路面細(xì)小障礙物。別的不說，單這個(gè)后期調(diào)整靈活度就是其他技術(shù)激光雷達(dá)所無法比擬。

至于口徑增大容易導(dǎo)致因震動(dòng)對(duì)支撐懸臂梁造成沖擊斷裂的情況，是一個(gè)需要重點(diǎn)釋疑的問題，車規(guī)級(jí)別要求車載電子元器件起碼能達(dá)到10000小時(shí)的正常使用壽命，萬一隨便過一個(gè)大坑軸就廢了會(huì)很尷尬。畢竟作為自動(dòng)駕駛的主要傳感器，就算有冗余備份，也會(huì)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(shí)，口徑增大也的確會(huì)增加振鏡質(zhì)量，可是不要忘記了，大口徑振鏡其支撐懸臂梁其實(shí)也是隨之增粗，剛度也有所增強(qiáng)。反倒是靜電驅(qū)動(dòng)的相比口徑更小的振鏡因?yàn)轵?qū)動(dòng)力不夠，支撐懸臂梁設(shè)計(jì)的相對(duì)更為纖細(xì)，在應(yīng)對(duì)沖擊時(shí)有可能出現(xiàn)斷裂問題，反觀這種問題在以電磁驅(qū)動(dòng)的大口徑振鏡更為粗壯的支撐懸臂梁上基本不會(huì)出現(xiàn)。目前從實(shí)測數(shù)據(jù)來看，在針對(duì)汽車電子以及專門針對(duì)MEMS器件的車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q103測試下，7mm電磁驅(qū)動(dòng)方式的MEMS部件通過340G沖擊完全沒有問題。

業(yè)界之中的代表者

做MEMS振鏡方案的業(yè)界廠家并不在少數(shù)，但真正是想為自動(dòng)駕駛服務(wù)的激光雷達(dá)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(dá)Scala。日企先鋒也在2016年CESASIA上就發(fā)布過自己的產(chǎn)品，而成立于2016年的Innoviz走的也是MEMS技術(shù)路線并且與寶馬集團(tuán)簽訂了定點(diǎn)合作。當(dāng)然還有由大陸集團(tuán)所投資的創(chuàng)新廠商AEye，其產(chǎn)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(dá)領(lǐng)域同樣驚艷。成立于2014年的激光雷達(dá)初創(chuàng)企業(yè)速騰聚創(chuàng)，在2018年的CES展上就公布了RS-LiDAR-M1Pre的MEMS激光雷達(dá)產(chǎn)品，如今更推出了可量產(chǎn)化的RS-LiDAR-M1版本，并獲得了國外車企的批量定點(diǎn)采購。其實(shí)不少以往堅(jiān)守機(jī)械式激光雷達(dá)的老牌企業(yè)也紛紛宣布增設(shè)或者轉(zhuǎn)戰(zhàn)MEMS技術(shù)路線。已經(jīng)足以證明該技術(shù)路線的確具有足夠的期待性。

結(jié)語：

MEMS激光雷達(dá)具有廣闊的發(fā)展前景。它們功能強(qiáng)大、成本更低、體積更小、集成度高，非常適合于包括汽車在內(nèi)的自動(dòng)化智能化應(yīng)用。但技術(shù)的多樣化才是造福終端消費(fèi)者的法寶，下一次，我們將為讀者帶來其他技術(shù)類型激光雷達(dá)的科普解讀。