2019年04月11日 | MEMS激光雷达被视为最快落地技术的三个原因

一直以来，MEMS激光雷达都被视为在自动驾驶领域最快落地的商业LiDAR技术路线。2019年才过去四分之一，MEMS激光雷达领域投资的新闻以及各家新品的推出，让我们强烈地感受其落地的脚步声越走越近！

刚刚过去的3月，MEMS激光雷达厂商Innoviz Technologies（与宝马合作，计划在2021年将MEMS激光雷达集成于汽车）宣布完成C轮共计1.32亿美元的融资，投资方除了以色列投资机构以外，也出现了中国投资机构的身影（中国招商局资本、深创投和联新资本）。今年1月在美国拉斯维加斯举办的CES 2019，中国激光雷达领军企业速腾聚创和禾赛科技分别推出自家的MEMS激光雷达：RS-LiDAR-M1和PandarGT 3.0。在此之前，速腾聚创和禾赛科技是机械式激光雷达技术路线的佼佼者。在从机械式激光雷达向固态激光雷达的演变过程中，一些企业选择直接进入全固态激光雷达，也有许多企业深耕于混合固态技术路线——MEMS激光雷达。那么，2019年真的会成为MEMS激光雷达技术路线元年吗？

从Yole最新发布的《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》报告中可以看出：MEMS和Flash技术路线更受到激光雷达制造商的青睐

我们知道，机械式激光雷达体积庞大且价格昂贵，如Velodyne 的32线激光雷达HDL-32E需要32组发射光源与32组接收光源进行一一对应调试，对装配要求非常高，量产出货效率堪忧；或者使用旋转镜，在不同方位和下倾角度，以略微不同的倾斜角度来控制单束脉冲激光，如法雷奥SCALA。光学相控阵（OPA）激光雷达作为全固态激光雷达之一，体积大幅减少，装配时间也可控，可靠性高，但受到芯片成熟度不足等各种问题的牵制，离落地还有一段较长的路要走。闪光（Flash）激光雷达暂时无法同时满足远近成像的要求，但随着单光子面阵探测技术的成熟，有望成为未来的激光雷达技术路线方向。

美好的故事开局：酝酿多年的MEMS微振镜

MEMS微振镜也称为MEMS扫描镜、MEMS微镜，本文统一采用MEMS微振镜表达。按原理区分，主要包括四种：静电驱动、电磁驱动、电热驱动、压电驱动。其中前两种技术比较成熟，应用也更广泛。德州仪器（TI）在1996年就将静电驱动的MEMS微振镜成功实现了商业化应用。

MEMS微振镜工作示意图

何为MEMS激光雷达？本文将“采用半导体‘微动’器件——MEMS微振镜（代替宏观机械式扫描器）在微观尺度上实现激光雷达发射端的光束操纵方式”称为“混合固态”。同时，把采用上述光束操纵方式的激光探测和测距系统称为混合固态激光雷达或MEMS激光雷达。那么，为什么产生“混合固态”的概念呢？因为MEMS微振镜是一种硅基半导体元器件，属于固态电子元件；但是MEMS微振镜并不“安分”，内部集成了“可动”的微型镜面；由此可见MEMS微振镜兼具“固态”和“运动”两种属性，故称为“混合固态”。可以说，MEMS微振镜是传统机械式激光雷达的革新者，引领激光雷达的小型化和低成本化。

MEMS激光雷达工作原理图

之所以业界将MEMS激光雷达视为最快落地的技术路线，主要原因来自三个方面：

一是MEMS微振镜帮助激光雷达摆脱了笨重的马达、多棱镜等机械运动装置，毫米级尺寸的微振镜大大减少了激光雷达的尺寸，无论从美观度、车载集成度还是成本角度来讲，其优势都令人惊叹！

第二，MEMS微振镜的引入可以减少激光器和探测器数量，极大地降低成本。传统的机械式激光雷达要实现多少线束，就需要多少组发射模块与接收模块。而采用二维MEMS微振镜，仅需要一束激光光源，通过一面MEMS微振镜来反射激光器的光束，两者采用微秒级的频率协同工作，通过探测器接收后达到对目标物体进行3D扫描的目的。与多组发射/接收芯片组的机械式激光雷达结构相比，MEMS激光雷达对激光器和探测器的数量需求明显减少。从成本角度分析，N线机械式激光雷达需要N组IC芯片组：跨阻放大器（TIA）、低噪声放大器（LNA）、比较器（Comparator）、模数转换器（ADC）等。麦姆斯咨询估算每组的芯片成本约200美元，仅16组的芯片成本就高达3200美元。Innoluce曾发布一款MEMS激光雷达设计方案，采用MEMS微振镜，并将各种分立芯片集成设计到激光雷达控制芯片组，这样下来激光雷达的成本控制在200美元以内。

Innoluce采用MEMS微振镜的MEMS激光雷达设计方案，成本低于200美元

第三，MEMS微振镜并不是为激光雷达而诞生的器件，它已经在投影显示领域商用化应用多年。最成功的应用案例就是德州仪器（TI）的DLP（Digital Light Processing，数字光处理）显示，其核心技术则是德州仪器独有的“黑科技”——采用静电原理的MEMS微振镜组成的阵列，每一面微振镜构成一个单色像素，由微振镜下层的寄存器控制特定镜片在开关状态间的高速切换，将不同颜色的像素糅合在一起。此外，在3D摄像头、条形码扫描、激光打印机、医疗成像、光通讯等领域，MEMS微振镜也不乏成功应用案例。

时至今日，真正车规级的激光雷达只有一款，那就是来自法雷奥的机械式激光雷达SCALA，配置于奥迪2017年发布的Level 3自动驾驶汽车——奥迪A8。SCALA采用直接飞行时间法（Direct Time of Flight，DToF）测距，光束操作单元是旋转扫描镜，光源是高功率激光二极管，探测器是具有三个敏感单元的雪崩光电二极管（APD）阵列。当然，法雷奥还将计划推出采用MEMS微振镜的激光雷达：SCALA 3。那么，为什么MEMS激光雷达充满希望，并且MEMS微振镜技术在其它应用领域已经成熟，但还未出现真正车规级的MEMS激光雷达呢？

曲折的故事情节：MEMS微振镜从消费级走向车规级的鸿沟

首先，就MEMS微振镜本身来讲，技术门槛就很高。德州仪器的DLP技术傲视群雄，背面的故事则是：这项技术在1987年问世，最初仅用于国防，直到1996年才投入商业化应用，整整九年的时间，这家资金雄厚、技术开发能力强大的公司才获得了成功。其难度可窥见一斑。技术成熟且量产的MEMS微振镜企业基本集中在国外，比如被德国英飞凌收购的Innoluce、美国Mirrorcle、日本滨松、瑞士意法半导体、美国MicroVision等。可喜的是，中国MEMS微振镜企业近些年发展迅速，如西安知微传感、台湾Opus、苏州希景科技等。

其次，MEMS微振镜在投影显示等领域的成功无法复制到车载激光雷达。MEMS微振镜属于振动敏感性器件，车载环境下的振动和冲击容易对它的使用寿命和工作稳定性产生不良影响，使得激光雷达的测量性能恶化。因此，有必要对MEMS微振镜的隔离振动技术进行深入研究。激光雷达作为“人命关天”的关键传感器，要符合车规同时满足量产，要逾越的鸿沟尚需技术的提升和时日的堆砌。

再次，相比于用于机械式激光雷达的多棱镜和摆镜，MEMS微振镜尺寸确实大大缩小了，但带来的问题是限制了MEMS激光雷达的光学口径、扫描角度，视场角也会变小。

为了获得最大化的光学口径，MEMS激光雷达厂商追求大尺寸MEMS镜面。但集成电路制造的从业人员都知道，芯片尺寸越大，成本越高；同时对缺陷越敏感，同一片晶圆制造出来的芯片良率与单颗芯片尺寸成反比，因此会大大增加制造难度和成本。同时，尺寸大带来的问题是扫描频率的降低，可能无法满足车载激光雷达实时测距和成像的要求，MEMS激光雷达设计人员必然面对权衡尺寸和频率的难题。

同时，为了获得较大的扫描角度，需要大偏转角度的MEMS微振镜。但是，扫描系统分辨率由镜面尺寸与最大偏转角度的乘积共同决定，镜面尺寸与偏转角度是一对无法调和的“冤家”。解决该问题的方向有两个：（1）通过调制驱动电压频率，让MEMS微振镜处于谐振工作状态，此时最大偏振角度会被放大；（2）通过光学组件（如透镜、衍射光学元件、液晶空间调制器）进行扩束，放大最大偏振角度。不过，扩束又会带来众多纷繁复杂的技术问题，这里不展开讨论。

机械式激光雷达（左）、MEMS激光雷达（中）和OPA激光雷达（右）扫描方式对比，受限于MEMS微振镜的镜面尺寸和偏转角度，MEMS激光雷达扫描角度偏小

目前，美国MEMS微振镜制造商Mirrorcle通过键合的方法，在加工完驱动器后，将另外加工的大镜面组装在驱动器上面，提高填充比，因此可提供尺寸大至7.5mm的MEMS镜面，从而受到众多MEMS激光雷达系统厂商的青睐。但是，Mirrorcle大尺寸镜面的MEMS微振镜价格在数千元。作为前期演示产品（DEMO），咬咬牙也就忍了，但一旦上量，如此高的成本是无法商用的。在这种情况下，我们看到国内外的一些激光雷达产业链厂商，通过自研或者投资/收购公司的方式，掌握MEMS激光雷达的命脉。如英飞凌收购荷兰Innoluce，为MEMS激光雷达厂商提供芯片和方案；速腾聚创投资希景科技，布局MEMS激光雷达，据麦姆斯咨询此前报道，希景科技开发的MEMS微振镜镜面直径为5mm，已经进入量产阶段；禾赛科技的PandarGT 3.0中用到的MEMS微振镜则是由自研团队提供。

Mirrorcle官网提供的MEMS微振镜产品报价单

工作温度范围也是MEMS微振镜通过车规的一大门槛。通常情况下，车规级产品需要核心元器件满足-40℃到125℃的工作范围。在实际应用过程中，MEMS微振镜的材料属性（如杨氏模量和剪切模量）会随着环境温度的改变而发生变化，从而导致微振镜运动特性的变化。因此材料的选择和制造工艺对实现车规级MEMS微振镜来说，是巨大的挑战。

受限于MEMS微振镜的镜面尺寸，MEMS激光雷达接收端的收光孔径非常小，成为其量产路上的棘手问题。这里补充一些激光雷达接收端的知识。由于只有一小部分脉冲发射的光子可以到达接收端光电探测器的有效区域。如果大气衰减沿脉冲路径不变化，激光光束发散度可忽略不计，光斑尺寸小于目标物体时，入射角垂直于探测器且反射体是朗伯体（所有方向均反射），则光接收峰值功率P(R)为：

其中，P0为发射激光脉冲的光峰值功率， ρ为目标反射率，A0为接收器的孔径面积，η0为探测光的光谱透射，γ为大气衰减系数。

根据上面的公式，我们可以知道，光接收峰值功率与接收器孔径面积成正比。因此，MEMS微振镜的镜面尺寸小的“硬伤”，让MEMS激光雷达在接收信号时收光孔径大大受限，光接收峰值功率也难以达到要求！

故事的结局会是完美的吗？

针对MEMS激光雷达固有的问题，研究机构和企业也提出了不少尝试方案。比如在光源的选择上，选用1550nm光纤激光器；在光电探测器方面，选用阵列接收器。与MEMS微振镜取长补短，打造车载可用的MEMS激光雷达。

比如，禾赛科技在2019年年初发布的MEMS激光雷达PandarGT 3.0，选择是1550 nm光纤激光器。1550 nm波段的激光，其人眼安全阈值远高于905nm激光。因此在安全范围内可以大幅度提高1550 nm光纤激光器的激光功率，从而提高接收端的峰值功率，更适用于远距离探测。

禾赛科技推出的PandarGT 3.0实物图

丰田旗下一个实验室Toyota Central R&D Labs发布过MEMS微振镜 + SPAD（单光子雪崩二极管）阵列实现了20米测量距离的激光雷达系统（Opt. Express 20, 11863(2012)）。

丰田（Toyota）Central R&D Labs采用SPAD面阵接收方式实现MEMS激光雷达

总之，自动驾驶的赛道已经开放，各种激光雷达技术路线都在这条赛道上竞相追逐。虽然MEMS激光雷达的实力让我们看好，但是面对严苛的汽车芯片“零缺陷”要求，MEMS微振镜能否顺利通过考核？固态激光雷达剧情是否会出现转折点？有待时间见证！在此之前，我们有必要对各种激光雷达技术路线进行全面的学习和理解。