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对话∣MEMS微镜的困境与突围,OPUS和知微传感自曝玄机
2019-07-31 07:47:17   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

据麦姆斯咨询报道,激光投影、3D传感、机器视觉、激光雷达、光通讯、医疗成像、光谱仪等应用对MEMS微镜产生了庞大的潜在需求。随着汽车产业界一致认为基于MEMS微镜的固态激光雷达有望最快用于SAE L3级及以上级别的自动驾驶车辆,大家对MEMS微镜的关注度更是成指数级增长。

访谈嘉宾:OPUS CEO洪昌黎、知微传感CEO夏长锋

访谈背景:

如果要问近期哪种器件能摘得最热门光学MEMS执行器的桂冠?那非MEMS微镜(又称MEMS微振镜、MEMS扫描芯片)莫属!

据麦姆斯咨询报道,激光投影、3D传感、机器视觉、激光雷达、光通讯、医疗成像、光谱仪等应用对MEMS微镜产生了庞大的潜在需求。随着汽车产业界一致认为基于MEMS微镜的固态激光雷达有望最快用于SAE L3级及以上级别的自动驾驶车辆,大家对MEMS微镜的关注度更是成指数级增长。

目前,商业量产化的MEMS微镜技术主要掌握在国外企业手中,作为中国为数不多的拥有该技术的企业——台湾OPUS Microsystems Corp.(以下简称:OPUS)和西安知微传感技术有限公司(以下简称:知微传感),近期参加了麦姆斯咨询的“对话”访谈。这两家企业不仅掌握核“芯”——MEMS微镜,并将业务拓展至多个应用领域的解决方案。虽然在发展初期,两家所用的代工、封装、测试和组装资源各异,客户群也不同,但都看重中国大陆的创业环境和市场资源。在大陆良好的产业生态链中,这两家MEMS企业遇到了不少问题,也做出了不错的成绩。他们有什么故事向大家分享?在开拓MEMS微镜技术、应用和市场的过程中的困境和突围思路是什么?请观看麦姆斯咨询与OPUS首席执行官(CEO)洪昌黎博士、知微传感CEO夏长锋博士的对话吧。

OPUS CEO洪昌黎(左)、知微传感CEO夏长锋(右)

OPUS CEO洪昌黎(左)、知微传感CEO夏长锋(右)

麦姆斯咨询:非常感谢OPUS CEO洪昌黎博士和知微传感CEO夏长锋博士受邀参与“对话”。首先请两位简单介绍下各自企业的成立背景及发展情况,让大家对你们有初步的了解。谢谢!

洪昌黎:大家好!OPUS于2003年12月在台湾台北内湖科学园区成立。作为台湾第一家专业MEMS芯片设计公司,一直专注于静电驱动MEMS微镜的开发,拥有超过15年的技术积累,已获得国内外三十多项发明专利的授权,为全球少数具备一维和二维MEMS微镜设计与生产能力的公司,目前在国际战略合作伙伴的8英寸MEMS晶圆厂实现批量生产。团队同时具备IC、光学、光机电、算法等技术,提供基于MEMS微镜技术的完整智能3D深度视觉传感方案,包含3D深度摄像头、MEMS激光雷达(LiDAR)以及激光AR HUD(增强现实抬头显示器)等。2019年3月,OPUS在深圳南山区落地成立子公司,旨在推动产品的开发、生产与市场对接。

夏长锋:很高兴与洪博士一起对话交流。知微传感创立于2016年,虽说成立时间不长,但创始团队在MEMS微镜领域已有十余年的积累。随着3D视觉以及MEMS激光雷达的应用需求发展,我们看到MEMS微镜技术的独特优势能够更好地满足此类场景的应用需求,因此成立了知微传感。在这近三年时间里,我们已经实现了MEMS微镜的量产,推出了MEMS扫描模组应用于激光雷达,并批量出货,同时推出了快照式激光3D相机系列,以满足不同场景的需求。凭借着优秀的研发积累和技术实力,知微传感在去年获得了目前MEMS微镜领域立项的唯一一个国家重点研发计划支持。

麦姆斯咨询:OPUS和知微传感是两家非常相似的MEMS企业,包括产品(例如静电驱动MEMS微镜)和发展战略(例如拓展基于MEMS微镜的解决方案)。请你们谈谈MEMS微镜应用难点在哪?为何走向从芯片到解决方案之路?还有其它发展战略吗?

夏长锋:MEMS微镜驱动IC一般需要高压,驱动以及控制电路都较为复杂,一般企业开发需投入大量人力和时间,上手慢,项目导入周期长。因此知微传感迅速开发了P11系列MEMS微镜模组,帮助用户实现快速开发,减少了对MEMS微镜驱动、稳定控制等投入。但在系统应用层面如:激光雷达、激光投影显示等,用户仍需要投入不少资源,客户产品量产所需等待时间也比较长。也正是基于目前这种情况,短时间内无法使MEMS芯片实现大规模出货,所以我们也在考虑提供更多的解决方案,助力客户的系统方案快速落地,带动MEMS微镜在不同应用场景开花结果。知微传感目前聚焦于3D视觉(主要是快照式激光3D相机)以及激光雷达(MEMS扫描模组)领域,专注于解决现有各家客户的批量应用问题,让MEMS微镜的方案实实在在给客户带来好处。我们也不断探索,满足客户的定制化需求,拓宽MEMS微镜产品线,取得双赢。

洪昌黎:MEMS微镜在创新型产品如MEMS 3D摄像头、激光雷达的应用上,客户对于MEMS器件特性通常认知不足,因此我们必须深入了解产品的系统设计与应用规格,才能优化芯片设计,有效对接需求。换言之,针对特定应用的MEMS微镜开发,必须要能先「做对的事」(do the right thing),以缩短进入市场的时间。MEMS微镜的应用涉及激光、光学、光机、控制等跨领域技术,加大了产品开发的难度。OPUS投入完整解决方案的初衷,是希望降低客户采用MEMS芯片的技术难度,从系统层面思考提升产品的性能,在价值链上提供更多的贡献,追求与客户共同的快速成长,因此,我们会以开放、弹性的态度与产业链不同位置的客户合作。

麦姆斯咨询:接下来,我们主要聊聊MEMS微镜。你们认为实现静电驱动MEMS微镜量产所面临的主要问题有哪些?如何解决?

洪昌黎:任何MEMS芯片的量产从来都不是简单的事,最主要是自身在设计与制造的技术和经验的积累没有捷径可寻。此外,与具有批量生产经验的MEMS晶圆代工厂的深度合作也是必要条件,大家共同克服各种制造工艺上的困难。最后还需要对市场趋势有敏锐的判断,将资源投注在能产生效益的产品开发上,让供应链及客户都能受益。

夏长锋:我们在开发和量产静电驱动MEMS微镜的过程中经历了许多困难和难题。首先是MEMS微镜的开发过程,由于没有一套成熟的仿真模型,这些都是经过多次摸索,总结动力学规律,不断优化模型才达到了预期效果,实现了频率设计的偏差从大到小,镜面尺寸逐渐增大,旋转角度逐渐增加。在量产方面,要感谢国内目前日趋完善的产业链环境,特别是我们合作伙伴的支持。同样是经过多次反复调试,解决了频率均匀性、成品率、金属反射率等一系列问题,才实现了MEMS微镜的量产。

麦姆斯咨询:如果将MEMS微镜应用于车载激光雷达,那么在量产方面还需注意什么问题?

洪昌黎:根据OPUS开发车规级激光AR HUD累积的经验,我们认为与其说量产要注意什么问题,不如说芯片及模块的设计要考虑哪些重点,才能通过法规及整车厂的测试验证,进而走到批量生产阶段。OPUS接触的许多国内外激光雷达公司,大部分对于MEMS微镜特性的了解还很有限,这也是OPUS从芯片端出发投入激光雷达核心技术开发的主要原因。我们希望为激光雷达提供满足功能规格、可靠度、价格等多方面要求并可量产的MEMS微镜。

夏长锋:我们的MEMS扫描模组以激光雷达为主要应用场景而设计。系统集成了MEMS微镜、驱动模块、控制模块,供电后就可以实现MEMS微镜的稳定工作,并输出相应的位置信号,极大地减少了客户的开发周期。谈及MEMS微镜在车载应用量产的情况,的确还面临许多挑战:车规环境的温度范围极宽,虽然MEMS微镜在车规温度范围内可正常工作,但模组中很多外围电路芯片不能达到车规温度要求,这需要极好的供应链管理;另外,车规对震动的要求较高,要通过震动实验,需要在设计上多做考量,确保MEMS微镜在震动下有良好的表现。

麦姆斯咨询:据我们了解,知微传感与一家中国大陆4英寸MEMS代工厂保持有紧密的合作关系;而OPUS从日本战略合作伙伴获得了稳定的8英寸MEMS代工资源。就MEMS微镜代工这个核心环节而言,请两位谈谈各自的发展规划。

夏长锋:我们一直以来与4英寸的MEMS代工厂都保持良好的合作,主要的试验芯片和小批量生产均在该代工厂流片,也确保了对客户需求的快速响应和验证,节约客户的宝贵时间。针对大批量应用,我们也已经完成8英寸工艺导入,随时可以承载百万(kk)量级的大批量生产,确保不拖客户后腿。

洪昌黎:OPUS在MEMS制造的规划理念,就是与有大批量制造经验、具有战略合作效益的MEMS晶圆代工厂深度合作。过去OPUS也曾在6英寸晶圆代工厂流片,了解转换到8英寸晶圆代工厂所需投注的时间成本较高。此外,部分需要较高精度的制造工艺,设备厂商也只会在8英寸晶圆设备上持续改进,因此我们一直都以8英寸晶圆为主要发展方向。

麦姆斯咨询:请夏博士为大家科普下一维MEMS微镜和二维MEMS微镜在设计、制造、封装和测试的主要差异有哪些?用户该如何结合实际应用选择一维还是二维MEMS微镜?

夏长锋:一维MEMS微镜只需绕一个轴旋转,而二维有两个旋转轴。这样在设计的时候,一维MEMS微镜只需要关心一个轴,但二维却要关心两个轴,二维MEMS微镜除了轴数增加以外还需要注意两个轴的扭转是否存在机械耦合的问题。同时,一维MEMS微镜的驱动信号只有一路,但二维MEMS微镜却有两路,在驱动信号的通路上,二维MEMS微镜需要考虑两个信号的隔离,在制造时可能需要增加两步以上的工艺步骤来实现驱动信号的隔离。封测方面也存在差异,二维MEMS微镜虽然只增加了一个轴,但在测试时需要增加另一种电信号和振动检测,必要时还需要增加角度检测模块。

在实际应用时,根据使用场景而定。如果扫描区域是平面,且需要逐点经过,最好使用二维MEMS微镜;如果平面扫描时,可以逐线经过,也可以使用一维MEMS微镜。如果是单线扫描模式,则可以直接使用一维MEMS微镜。同时,如果对镜面尺寸有要求的话,一般来讲一维MEMS微镜有较多的大镜面微镜系列供选择,而相比之下二维MEMS微镜的镜面直径多集中于1mm左右。

麦姆斯咨询:目前市场上主流MEMS微镜为静电驱动和电磁驱动,请洪博士分析一下这两种MEMS微镜的优劣势及应用场景。另外,压电驱动和电热驱动MEMS微镜是否有市场机遇?如果有,是否可以举例?

洪昌黎:电磁跟静电驱动方式相比时,一般认为电磁驱动方式的驱动力大,但静电驱动MEMS微镜的整合度高无须外部如磁铁、金属屏蔽等组件。我们选择静电驱动技术,主要考虑其性能可随MEMS工艺技术的演进而持续提升,而电磁驱动方式的线圈电镀工艺较无法享有同样的效益。此外,就可靠度而言,静电驱动MEMS微镜的结构组成只有单晶硅跟反射金属层,对于环境要求高的车载应用,如抬头显示器、激光雷达等具有明显的优势。最后,在成本上,静电驱动MEMS的制造无论在晶圆代工、封装甚至于测试都与既有半导体供应链兼容性高。

根据我们近年跟供货商的持续接触,压电技术在MEMS微镜应用仍存在诸多需要克服的问题;电热驱动则有响应速度太慢、环境温度交互影响等问题,在MEMS微镜的应用上受到比较大的限制。

麦姆斯咨询:OPUS和知微传感都在积极布局基于MEMS微镜的3D视觉解决方案在工业领域的应用。请两位向大家分享进展情况,谢谢!

洪昌黎:OPUS的发展目标是提供覆盖完整级距的3D深度视觉方案,采用940nm激光的3D摄像头,在供应链各方的共同努力下,已经开始供应样品给国内外客户,年底开始大批量供货。我们目前也与客户进行与机器手臂的3D视觉整合工作,国外合作方则在进行智慧工厂应用的导入评估。在激光雷达产品方面,目前OPUS已经可以demo(演示)消费及工业级的MEMS激光雷达,预计年底开始提供客户样品进行测试,2020年希望在AMR(autonomous mobile robot)领域能有不错的收获。

夏长锋:是的,工业、物流等领域是我们的重点,我们也开发出了不同性能的快照式激光3D相机Argus系列。目前主要可以概括为以下几类:无序抓取、包裹测量、堆垛拆垛、轨迹导引。其中有多个行业龙头客户已经完成导入,开始进入到项目整体测试阶段,预计在今年下半年大家就能在很多行业中看到我们3D相机的身影了。

麦姆斯咨询:在智能手机上,目前采用结构光方案的3D摄像头分为:散斑结构光技术和编码结构光技术。去年年底以来ToF(飞行时间)方案异军突起,大有超越结构光方案之势。作为动态结构光技术的代表企业,你们认为该项基于MEMS微镜的3D摄像头还有机会进入智能手机吗?如果有,市场空间有多大?请分享你们的观点。

夏长锋:散斑结构光方案因被iPhone X所采用而被大家所熟知,随即也被国内智能手机厂家跟进,主要应用于前置摄像头做3D人脸识别解锁等。然而随着智能手机行业中对于高屏占比的无尽追求,尤其是安卓阵营厂家,基本上都采用屏下指纹方案来解决解锁需求。虽然3D人脸解锁安全性更高,体验更好,但消费者的选择偏好似乎更倾向于全面屏,所以在前置3D摄像头并不存在方案之间的竞争,而在于商业和消费者的选择。而在后置3D摄像头应用中,我们看到随着AR的发展,后置3D摄像头也将不再是鸡肋的商业噱头,已被众多厂家所重视。在这一领域我们看到现在的Flash ToF(闪光ToF)大放异彩。然而它也存在着一些问题,比如远距离探测时,由于扫描幅面太大,就需要更高功率的光源,这对手机的电池续航造成了致命影响。而MEMS微镜可以控制光束的扫描区域,从而达到降低功耗的目的,相信在未来的手机产业中,MEMS微镜也将扮演着一个很重要的角色。

洪昌黎:智能手机向全面屏发展已是不可逆的趋势,ToF在减少占用屏幕面积上有明显的优势。即便结构光技术优点比较多,但前置摄像头的3D人脸识别的确存在从散斑结构光转向其它技术的趋势,但ToF本质存在功耗大、噪声多等问题仍未解决。我们认为3D深度感测技术用于手机上更大的机会是开创AR应用。因为ToF在功耗及近距离精度上还是无法满足需求,动态结构光技术存在精度高与功耗低的优势,有客户在探讨创新方案的可行性。OPUS正在开发一个比较创新的方案,希望在满足手机AR应用上出现较大的突破。

麦姆斯咨询:目前业界都看好基于MEMS微镜的车载激光雷达方案。知微传感和OPUS是否已经和汽车Tier 1厂商或整车厂接触?并请谈谈MEMS激光雷达在过车规和量产方面的主要问题。

洪昌黎:过去三年,不断有国内外知名的激光雷达、Tier 1公司、自动驾驶公司跟OPUS接洽。我们花了不少时间与战略伙伴及客户探讨MEMS微镜的规格,也已投入开发特定规格的一维和二维MEMS微镜的工作。就过车规方面,OPUS通过开发激光AR HUD技术累积了相当深厚的经验,在台湾的认证实验室ARTC(车辆研究测试中心)也通过ISO-16750法规的测试验证。但车规认证标准跟整车厂的要求并不必然相同,特别是车载激光雷达作为主动安全的重要环节,还需要更多配合整车厂的验证。关于量产,我们开发阶段就在具备MEMS批量生产能力的8英寸晶圆厂流片,目前主要在封装方面还需要进行开发和完善。

夏长锋:我们已经和一些汽车Tier 1厂商开始合作,测试MEMS微镜在车规环境下的表现,合作开发车规级的模组。由于车规的要求较多,目前遇到了一些挑战。如前面所提到的,车规环境的温度范围极宽,虽然MEMS微镜在车规温度范围内可正常工作,但很多外围电路的芯片不能达到车规温度,这还需要相关产业链的配套;此外,车规对震动的要求较高,我们目前在芯片结构以及模组的设计上多做考量,以确保MEMS微镜在震动下有良好的表现。

麦姆斯咨询:在激光投影方面,你们认为基于ToF技术的交互式投影市场是否会爆发?如果是,哪些应用终端值得关注?智能音箱?投影游戏机?便携式商务投影仪?

夏长锋:在MEMS交互式投影领域,博世属于领头羊,不过目前还未看到相关产品在商业上取得显著的成绩。这或许是因为目前MEMS激光投影受激光散斑的影响,显示效果不如DLP(数字光处理)。但在投影显示领域,MEMS方案有亮度高、体积小、功耗低等优势,在汽车AR HUD、AR眼镜等领域中将有爆发的机会。

洪昌黎:交互投影的相关概念与产品很早就有了,甚至苹果都有相关专利。但最早商业化的产品应该是采用LCoS激光投影的Light Blue Optics,当时在市场上也激起很大的涟漪,但苹果不久后就发布了iPad,这款交互投影产品迅速就失去了吸引力。我认为关键还是应用场景能否对消费者创造足够的价值,跟采用哪种技术不太相关。我们认为汽车智能驾驶座舱的趋势会产生对激光AR HUD的刚需,对人机交互也会产生新的需求,这部分的需求相对于消费及商务的投影应用更为明确些。

麦姆斯咨询:MEMS激光雷达分为共轴扫描和非共轴扫描两种方式,请夏博士为大家详细讲解下这两种扫描方式的实现方式、性能差异,以及适合的应用,谢谢!

夏长锋:共轴扫描是指激光发射光路和回波光路共用或部分共用一条光轴,对于MEMS激光雷达来说,就是指发射和回波会共用MEMS微镜;非共轴是指发射光路和回波光路分开,没有共用光轴。使用共轴扫描的情况下,接收透镜的视场角较小,所受环境光或其他干扰也较少;而在非共轴扫描的情况下,接收透镜的视场要与扫描的视场一致,一般来说视场较大,这种情况下,受到的干扰较多。通常来说,前者适合在较远的距离下使用,而后者适合在较近的距离下使用。

麦姆斯咨询:静电驱动MEMS微镜如何克服环境因素带来的影响?比如灰尘、湿度、温度,以及振动和冲击。请洪博士为大家解答,谢谢!

洪昌黎:灰尘的解决方式就是在芯片或模块上做好防尘的工作。出于光学需求的考量,大部分会建议在模块端处理,一并解决其他光学器件同样存在的防尘需求。

OPUS的MEMS微镜静电驱动电极是由单晶硅一体蚀刻在芯片上成型,因此温度对MEMS结构影响不大,主要还是根据温度要求,选择适合的封装材料和封装方式,而谐振频率受温度的影响则发生在所有驱动技术的微镜上,这部分可以透过闭环控制解决。目前OPUS的MEMS微镜封装能通过80℃的寿命测试,车规级MEMS微镜封装的温度承受范围则会再扩大。

湿度方面,主要是不能在芯片上产生结露现象,这样会改变MEMS微镜的运动特性。这个问题对任何驱动方式的MEMS微镜都适用,不过结露可能对静电驱动MEMS微镜造成额外的漏电现象。但以激光雷达为例,结露是整个光学系统都必须克服的问题,解决方法通常是对整个系统采取气密封装并填充惰性气体。

振动和冲击则必须从芯片设计跟模块设计两个层面一起考虑。芯片层面依据应用需求一般必须通过JEDEC JESD22-B104的不同等级机械冲击规范,这部分需要MEMS微镜设计的经验跟技术积累,在模块层面则应该进行缓冲设计,以提高整体系统与MEMS微镜在实际使用上的可靠度。

麦姆斯咨询:今年,OPUS洪博士将出席9月3日在上海举办的『第二十六届“微言大义”系列活动:3D视觉技术与应用(消费领域)』,知微传感市场总监何伟先生也将出席9月5日在深圳举办的『第二十七届“微言大义”研讨会:机器视觉及工业检测』。两位都是首次亮相该主题的研讨会,请向观众提前透露一下今年的演讲重点!

洪昌黎:我们会介绍MEMS动态结构光和MEMS激光雷达技术,以及在消费级3D深度感测应用上能实现的场景。很期待跟大家共同学习跟交流!

夏长锋:我们主要是向大家汇报一下目前知微传感的一些进展,分享一些我们合作伙伴的应用案例,同时也将带去我们快照式激光3D扫描仪家族的一款新品。我们也将参加同期举办的深圳光博会,届时欢迎大家莅临指导!

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《激光雷达技术及核心元器件-2019版》

《汽车和工业应用的激光雷达-2019版》

《大陆集团最先进的ADAS激光雷达:SRL1》

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