據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，Omnitron Sensors（以下簡(jiǎn)稱：Omnitron）精心設(shè)計(jì)了一種適用于低成本、大批量市場(chǎng)的3D MEMS技術(shù)，以克服當(dāng)前激光雷達(dá)（LiDAR）掃描鏡的缺點(diǎn)。

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2026年，激光雷達(dá)光學(xué)子系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)增長(zhǎng)到23億美元。為了把握未來(lái)商機(jī)，Omnitron近日宣布已完成對(duì)創(chuàng)新的MEMS掃描鏡的工藝驗(yàn)證。

MEMS掃描鏡作為激光雷達(dá)中的一種新型光學(xué)子系統(tǒng)，需要滿足高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等應(yīng)用對(duì)激光雷達(dá)提出的嚴(yán)苛要求。

據(jù)Omnitron稱，其MEMS掃描鏡可比當(dāng)前遠(yuǎn)程激光雷達(dá)應(yīng)用的其他MEMS掃描鏡提供2~3倍的視場(chǎng)（FoV）。其步進(jìn)掃描鏡專為惡劣的高振動(dòng)汽車環(huán)境及無(wú)人機(jī)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其它供應(yīng)商生產(chǎn)的激光雷達(dá)旋轉(zhuǎn)鏡無(wú)法滿足這些應(yīng)用的嚴(yán)苛需求。

與半導(dǎo)體領(lǐng)域的創(chuàng)新相比，過(guò)去十年來(lái)MEMS技術(shù)的發(fā)展未能跟上步伐

MEMS拓?fù)鋭?chuàng)新一直停滯不前

Omnitron聯(lián)合創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官Eric Aguilar認(rèn)為，采用MEMS掃描技術(shù)解決當(dāng)前的激光雷達(dá)挑戰(zhàn)存在很大的市場(chǎng)機(jī)遇。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，意味著要拿出一種創(chuàng)新的MEMS方法，但該領(lǐng)域多年來(lái)一直停滯不前。

Aguilar回憶稱，上個(gè)世紀(jì)90年代，汽車安全氣囊率先采用MEMS加速度計(jì)，在十年前，應(yīng)美盛（Invensense）創(chuàng)始人Steve Nasiri將第一顆ASIC與MEMS集成在一個(gè)低成本的封裝中。“但從那之后，在大批量制造或突破性方面，MEMS領(lǐng)域就沒(méi)有什么值得關(guān)注的創(chuàng)新了?！盇guilar說(shuō)道。

Aguilar認(rèn)為，當(dāng)前激光雷達(dá)的問(wèn)題在于它們無(wú)法滿足下一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。問(wèn)題的核心在于其光學(xué)子系統(tǒng)（即反射鏡和掃描器）存在的許多問(wèn)題。這些光學(xué)元件尺寸太大、太脆弱，同時(shí)制造和維護(hù)成本也太高。

Aguilar表示，利用MEMS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高成本效益、高可靠性的反射鏡，不過(guò)，目前的MEMS技術(shù)還不能完全滿足系統(tǒng)要求?！凹す饫走_(dá)客戶反饋他們需要10毫米的光束直徑，才能達(dá)到200米左右的探測(cè)距離。”他說(shuō)，“但現(xiàn)在的MEMS反射鏡的直徑大多在1到2毫米左右。這就是為什么現(xiàn)在的激光雷達(dá)中MEMS還沒(méi)有普及，因?yàn)?，這需要構(gòu)建非常大尺寸的反射鏡，用現(xiàn)在的MEMS工藝很難做到?！?/p>

當(dāng)前的激光雷達(dá)都存在的掃描鏡問(wèn)題

Aguilar表示，Omnitron的MEMS掃描鏡技術(shù)優(yōu)于音圈電機(jī)、旋轉(zhuǎn)棱鏡和高速掃描振鏡等傳統(tǒng)激光雷達(dá)光學(xué)子系統(tǒng)。這些傳統(tǒng)方案速度更慢、更笨重、更昂貴，并且容易失效。

就這些技術(shù)而言，音圈電機(jī)技術(shù)存在一定的優(yōu)勢(shì)，例如其良好的反饋機(jī)制。這是一種強(qiáng)大的技術(shù)，可以應(yīng)對(duì)振動(dòng)和溫度循環(huán)。這就是為什么音圈電機(jī)技術(shù)可以被用于空間通信系統(tǒng)。

Aguilar說(shuō)，缺點(diǎn)是這種音圈電機(jī)子系統(tǒng)可能需要5000美元。對(duì)于需要500美元以下解決方案的汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，這顯然令人望而卻步。更糟糕的是，還需要多個(gè)音圈單元來(lái)覆蓋整個(gè)視場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兊囊晥?chǎng)通常不到十度。

當(dāng)前的激光雷達(dá)掃描鏡技術(shù)需要在成本、可靠性和視場(chǎng)中進(jìn)行權(quán)衡

SCALA和旋轉(zhuǎn)棱鏡技術(shù)等替代方案，其本質(zhì)上是在電機(jī)上安裝一面鏡子并使其旋轉(zhuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，激光雷達(dá)都需要處理厘米級(jí)的精度。這意味著在200米范圍內(nèi)誤差要小于5厘米。Aguilar說(shuō)，這需要反射鏡的表面平整度要達(dá)到納米級(jí)。

實(shí)現(xiàn)表面平整度需要大量拋光，以便在反射鏡初始校準(zhǔn)時(shí)高度精確。不幸的是，當(dāng)這些旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電機(jī)軸承開(kāi)始抖動(dòng)時(shí)，校準(zhǔn)可能會(huì)丟失。只需要幾微度的誤差就會(huì)失去校準(zhǔn)。而且，由于抖動(dòng)是隨機(jī)的，所以無(wú)法輕松地重新校準(zhǔn)。

一種用于激光雷達(dá)的3D MEMS方案

鑒于當(dāng)前激光雷達(dá)掃描鏡技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，Omnitron開(kāi)發(fā)了一種3D MEMS工藝，使MEMS掃描鏡能夠滿足下一代激光雷達(dá)的需求。Aguilar說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)了一種3D MEMS處理器，從某種意義上說(shuō)，它是MEMS領(lǐng)域的一種新拓?fù)洌拖?a target="_blank">集成電路進(jìn)入新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。”

Omnitron的方案構(gòu)建了一種靜電馬達(dá)，它可以移動(dòng)MEMS反射鏡，并獲得比目前市場(chǎng)上同類產(chǎn)品更大的單位面積力。Aguilar表示，Omnitron利用一種3D MEMS拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，不過(guò)，更重要的是要確保其可制造性。

“我們已經(jīng)進(jìn)行了第三方工藝驗(yàn)證，這是可以實(shí)現(xiàn)的。”Aguilar說(shuō)。

為了確保工藝簡(jiǎn)單、可制造，Aguilar表示他們的MEMS掃描鏡沒(méi)有使用金屬?gòu)椈?。他說(shuō)：“我們使用了硅基彈簧，它們的硬度是原來(lái)的一千倍，而且不會(huì)磨損?！?/p>

Aguilar說(shuō)：“安全氣囊傳感器采用MEMS技術(shù)，是因?yàn)樗鼈儾粫?huì)隨著時(shí)間的推移而疲勞。這些應(yīng)用需要器件能夠在運(yùn)行中進(jìn)行數(shù)十萬(wàn)次循環(huán)，在整個(gè)生命周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)十億次循環(huán)。這就是為什么我們采用了MEMS工藝，并使用體硅微加工技術(shù)制造我們的反射鏡和掃描器。”

Omnitron的3D MEMS設(shè)計(jì)方案基于簡(jiǎn)單而穩(wěn)健的晶圓制造工藝

精度和可靠性也是Omnitron技術(shù)的關(guān)鍵。Aguilar說(shuō)：“如果我們讓掃描鏡指向三度角，那它就真的可以精確指向三度角。我們?cè)谄矫嫔蠘?gòu)建了隔離層，使我們能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)能量與傳感機(jī)制分離。這意味著沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)耦合到傳感信號(hào)中，從而避免影響數(shù)據(jù)?！彼f(shuō)，這些都已經(jīng)通過(guò)制造得到了驗(yàn)證。

實(shí)現(xiàn)可靠校準(zhǔn)

Omnitron的3D MEMS技術(shù)的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠確保可靠的校準(zhǔn)。這是由其選擇的驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)的。Aguilar說(shuō)：“我們構(gòu)建的馬達(dá)執(zhí)行器采用靜電驅(qū)動(dòng)原理?！?/p>

Aguilar解釋稱，MEMS驅(qū)動(dòng)通常有三種方法，包括靜電、電磁或壓電方案?！拔覀儾捎渺o電方案主要是為了在溫度范圍內(nèi)保持線性，靜電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精妙在于它們可以非常線性的隨溫度膨脹和收縮，具有確定性，因而易于校準(zhǔn)?！?/p>

Aguilar說(shuō)，電磁或壓電等其他替代技術(shù)的問(wèn)題是，對(duì)溫度有滯后響應(yīng)。這意味著器件的溫度曲線在溫度上升和溫度下降時(shí)是不同的。這會(huì)在性能中產(chǎn)生嚴(yán)重誤差，從而影響校準(zhǔn)。

面向下一代設(shè)計(jì)的新型MEMS拓?fù)?/p>

的確，如今嵌入式系統(tǒng)的許多創(chuàng)新都源自在更快微處理器和MCU上運(yùn)行的軟件功能。Omnitron的創(chuàng)新MEMS拓?fù)涓嬖V我們，硬件的創(chuàng)新仍然可以帶來(lái)重大的影響。

Aguilar說(shuō)：“盡管軟件是個(gè)好東西，但如果沒(méi)有硬件的突破性創(chuàng)新，我們將無(wú)法實(shí)現(xiàn)想象中的未來(lái)。因此，我們必須回到第一性原理思維，以開(kāi)發(fā)這種有望變革傳感器行業(yè)的全新MEMS工藝?！?/p>

審核編輯 ：李倩