正是由于中國企業(yè)的積極參與,全球第一激光雷達廠商Velodyne(威力登)在中國市場節(jié)節(jié)敗退,其車載機械式激光雷達在中國失去了價格競爭力。
現(xiàn)在,中國的激光雷達技術已不輸國外,有20多家廠商依靠國內(nèi)芯片研發(fā)并推出了采用不同技術的車載激光雷達產(chǎn)品。排名靠前的包括禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、北科天繪、華為、北醒光子、佳光科技、砝石激光、覽沃科技、砝石激光等廠商,其中采用MEMS(微機電系統(tǒng))微鏡技術的達7家之多;采用ToF(飛行時間)技術的有4家(其中一家有兩種技術)。為什么MEMS微鏡成為了車載激光雷達的主流呢?
從激光掃描投影說起
要了解MEMS掃描微鏡(也叫MEMS振鏡或掃描芯片)在車載激光雷達中的應用,還要從應用比較廣泛的激光掃描投影MEMS微鏡說起。MEMS微鏡是一個硅結構的微型機械裝置,采用光學MEMS技術制造,是將微光反射鏡與MEMS驅(qū)動器集成在一起的光學MEMS器件。
MEMS微鏡芯片
MEMS微鏡采用平動和扭轉(x、y兩個方向)兩種機械運動方式進行掃描,可以實現(xiàn)非常高的掃描頻率?,F(xiàn)在用于激光掃描投影的MEMS芯片掃描頻率可以達到40kHz,相當于一秒鐘掃描4萬次。
MEMS掃描微鏡在激光掃描投影中的應用
采用MEMS微鏡的激光應用涵蓋消費電子、醫(yī)療、軍事國防、通信等領域,具體包括激光掃描、光通信、數(shù)字顯示、激光雷達、3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機、光開關、激光微投影、汽車抬頭顯示(HUD)、激光鍵盤、增強現(xiàn)實(AR)等。
MEMS微鏡的不同應用
驅(qū)動MEMS微鏡掃描動作有不同的方式,可以分為利用電荷間庫侖力作為驅(qū)動力的靜電驅(qū)動;以低電壓電流驅(qū)動的電磁驅(qū)動;利用材料對溫度敏感產(chǎn)生不同形變量引起鏡面扭轉的電熱驅(qū)動;以及利用材料逆壓電效應,通過外界電場產(chǎn)生微位移的壓電驅(qū)動等幾類。
由于車載應用需要較大的MEMS鏡面,鏡面厚度也需要相應增加,導致微鏡掃描時的質(zhì)量增加,降低了MEMS振鏡抗振動和沖擊的能力,甚至出現(xiàn)轉軸斷裂的情況。如果采用新型電磁驅(qū)動就可以使微鏡更大、更結實。
鏡轉軸斷裂現(xiàn)象
通過不斷改進,采用專利封裝技術的下磁鐵-掃描微鏡-上磁鐵的垂直三明治封裝結構,相比側邊磁鐵結構,作用在驅(qū)動線圈上的磁感應強度提高了8倍。在達到相同轉角情況下,微鏡有更大的驅(qū)動力矩T,能夠驅(qū)動的掃描軸更厚更寬,器件掃描頻率可以更高,器件抗振動沖擊能力也更好。這樣,就為汽車應用提供了穩(wěn)固的基礎。
垂直三明治驅(qū)動結構
基于MEMS微鏡易于商用
我們來看看激光雷達有哪些形態(tài)?最早的激光雷達是機械式,在一個臺子上安裝激光探測器,64線需要一一對應的64組激光器和探測器,然后供電讓它轉起來,這是一個非常復雜的光機電系統(tǒng),不利于大規(guī)模量產(chǎn);而且無法將其隱藏在車輛結構內(nèi)。即使現(xiàn)在,機械式還是占了市場的半壁江山,使用者不是傳統(tǒng)車企和造車新勢力,而是做自動駕駛方案的科技公司,如百度、谷歌等。之前一個機械式64線雷達大概賣7萬美元,由于中國企業(yè)的參與,又采用了新的技術,現(xiàn)在的激光雷達便宜了很多。
機械式雷達之后是固態(tài)雷達,如flash(閃光)雷達,其體積小了很多,但近距離會曝光過度,遠距離又測不到,測距在50米以內(nèi)。還有一種固態(tài)雷達是OPA(光學相控陣),用相控陣聚焦掃描,類似毫米波雷達,卻比毫米波設計難度大。
現(xiàn)在業(yè)界普遍認為,MEMS方案比較靠譜,能夠很快落地。與機械式相比,MEMS激光雷達只需要一個激光器和MEMS微鏡的組合就能實現(xiàn)激光脈沖的掃描。其優(yōu)勢包括安裝簡單、體積更小、價格便宜,最有希望在乘用車上普及。由于采用半導體工藝,批量越大就越便宜。行家分析,未來MEMS激光雷達的成本有望控制在千元人民幣以內(nèi)。
MEMS微鏡掃描示意圖
另外,在分辨率方面,MEMS激光雷達實現(xiàn)64線只需要MEMS微鏡將單個激光器發(fā)出的脈沖掃描成的點陣組成64條線就可以了,所以非常容易實現(xiàn)高分辨率,體積也非常小。
車輛視覺的重要補充
目前,激光雷達已成為自動駕駛中不可或缺的傳感器之一,全球總共有5家研發(fā)生產(chǎn)激光雷達的上市公司,其中4家是美國公司,1家是以色列公司,五家上市公司中有兩家用MEMS方案,一家用機械式,另外兩家用其他兩種技術。
在汽車行業(yè),特斯拉等少數(shù)公司只使用攝像頭的純視覺方案,有些場景(如純白或純色)場景難以識別,而激光雷達可以很快計算出距離、速度等各種信息,實現(xiàn)對環(huán)境的高分辨率識別。利用其已達到0.2度的角度分辨率,對100米外的車輛掃描可以得到很多點,把車的輪廓計算并標示出來。
與其他傳感器相比,目前的MEMS激光雷達的每秒點云數(shù)據(jù)量在100萬左右,比圖像還是小得多,對處理器算力的要求沒有那么高。特別是現(xiàn)在,國內(nèi)MEMS微鏡芯片和國外已經(jīng)處在同一技術水平,國內(nèi)一些Tier 1已在使用國產(chǎn)MEMS微鏡芯片實現(xiàn)了激光雷達量產(chǎn)。
國產(chǎn)MEMS微鏡的困境與突圍
目前,中國為數(shù)不多的MEMS微鏡芯片廠商在商業(yè)量產(chǎn)化方面已開始突破國外企業(yè)的壟斷。MEMS微鏡芯片的量產(chǎn)要依靠MEMS代工廠。事實上,MEMS器件的工藝制程并不高,只在微米級。不過,整體來說,國內(nèi)現(xiàn)在MEMS代工企業(yè)還處于起步階段,目前比較成熟的產(chǎn)品有麥克風和壓力傳感器等。由于MEMS微鏡芯片代工仍存在困難,在一定程度上加劇了汽車缺芯的情況,亟待破局。
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所沈文江博士表示,MEMS代工的特點是一種器件、一套工藝,所以MEMS微鏡芯片對于代工廠來說還是比較新的產(chǎn)品,工藝的導入和量產(chǎn)都需要解決很多新的問題,需要芯片設計公司與MEMS代工廠合作,慢慢地去培養(yǎng)MEMS代工廠,和代工廠一起成長。
另外,車載雷達不同于消費類產(chǎn)品,有更多特殊性,需要符合各種車規(guī)要求,所以開發(fā)車載激光雷達需要做很多工作。
寫在最后
MEMS微鏡未來走向
MEMS微鏡現(xiàn)在已經(jīng)很小了,未來還會怎么發(fā)展呢?專家認為,其發(fā)展方向主要是針對特定應用市場開發(fā)特定的MEMS微鏡。比如激光雷達用的MEMS微鏡需要大鏡面,鏡面大了發(fā)射出去的光學脈沖就更聚焦,也能打得更遠,接收的脈沖信號就更強。如上所述,鏡面大了就會增加質(zhì)量,對MEMS微鏡的魯棒性提出了挑戰(zhàn),需要在兩者之間找到最佳的平衡。