面向下一代激光雷达，Omnitron验证创新的MEMS扫描镜工艺
2022-12-04 11:00:25   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，Omnitron Sensors（以下简称：Omnitron）精心设计了一种适用于低成本、大批量市场的3D MEMS技术，以克服当前激光雷达（LiDAR）扫描镜的缺点。

据市场调研机构预测，到2026年，激光雷达光学子系统市场规模将持续增长到23亿美元。为了把握未来商机，Omnitron近日宣布已完成对创新的MEMS扫描镜的工艺验证。

MEMS扫描镜作为激光雷达中的一种新型光学子系统，需要满足高级驾驶辅助系统（ADAS）、无人机和机器人等应用对激光雷达提出的严苛要求。

据Omnitron称，其MEMS扫描镜可比当前远程激光雷达应用的其他MEMS扫描镜提供2~3倍的视场（FoV）。其步进扫描镜专为恶劣的高振动汽车环境及无人机应用而设计，其它供应商生产的激光雷达旋转镜无法满足这些应用的严苛需求。

与半导体领域的创新相比，过去十年来MEMS技术的发展未能跟上步伐

MEMS拓扑创新一直停滞不前

Omnitron联合创始人、首席执行官Eric Aguilar认为，采用MEMS扫描技术解决当前的激光雷达挑战存在很大的市场机遇。要实现这一目标，意味着要拿出一种创新的MEMS方法，但该领域多年来一直停滞不前。

Aguilar回忆称，上个世纪90年代，汽车安全气囊率先采用MEMS加速度计，在十年前，应美盛（Invensense）创始人Steve Nasiri将第一颗ASIC与MEMS集成在一个低成本的封装中。“但从那之后，在大批量制造或突破性方面，MEMS领域就没有什么值得关注的创新了。”Aguilar说道。

Aguilar认为，当前激光雷达的问题在于它们无法满足下一代系统设计的需要。问题的核心在于其光学子系统（即反射镜和扫描器）存在的许多问题。这些光学元件尺寸太大、太脆弱，同时制造和维护成本也太高。

Aguilar表示，利用MEMS技术可以实现高成本效益、高可靠性的反射镜，不过，目前的MEMS技术还不能完全满足系统要求。“激光雷达客户反馈他们需要10毫米的光束直径，才能达到200米左右的探测距离。”他说，“但现在的MEMS反射镜的直径大多在1到2毫米左右。这就是为什么现在的激光雷达中MEMS还没有普及，因为，这需要构建非常大尺寸的反射镜，用现在的MEMS工艺很难做到。”

当前的激光雷达都存在的扫描镜问题

Aguilar表示，Omnitron的MEMS扫描镜技术优于音圈电机、旋转棱镜和高速扫描振镜等传统激光雷达光学子系统。这些传统方案速度更慢、更笨重、更昂贵，并且容易失效。

就这些技术而言，音圈电机技术存在一定的优势，例如其良好的反馈机制。这是一种强大的技术，可以应对振动和温度循环。这就是为什么音圈电机技术可以被用于空间通信系统。

Aguilar说，缺点是这种音圈电机子系统可能需要5000美元。对于需要500美元以下解决方案的汽车系统设计师来说，这显然令人望而却步。更糟糕的是，还需要多个音圈单元来覆盖整个视场，因为它们的视场通常不到十度。

当前的激光雷达扫描镜技术需要在成本、可靠性和视场中进行权衡

SCALA和旋转棱镜技术等替代方案，其本质上是在电机上安装一面镜子并使其旋转。一般来说，激光雷达都需要处理厘米级的精度。这意味着在200米范围内误差要小于5厘米。Aguilar说，这需要反射镜的表面平整度要达到纳米级。

实现表面平整度需要大量抛光，以便在反射镜初始校准时高度精确。不幸的是，当这些旋转系统的电机轴承开始抖动时，校准可能会丢失。只需要几微度的误差就会失去校准。而且，由于抖动是随机的，所以无法轻松地重新校准。

一种用于激光雷达的3D MEMS方案

鉴于当前激光雷达扫描镜技术面临的挑战，Omnitron开发了一种3D MEMS工艺，使MEMS扫描镜能够满足下一代激光雷达的需求。Aguilar说：“我们开发了一种3D MEMS处理器，从某种意义上说，它是MEMS领域的一种新拓扑，就像集成电路进入新的技术节点。”

Omnitron的方案构建了一种静电马达，它可以移动MEMS反射镜，并获得比目前市场上同类产品更大的单位面积力。Aguilar表示，Omnitron利用一种3D MEMS拓扑实现了这一目标，不过，更重要的是要确保其可制造性。

“我们已经进行了第三方工艺验证，这是可以实现的。”Aguilar说。

为了确保工艺简单、可制造，Aguilar表示他们的MEMS扫描镜没有使用金属弹簧。他说：“我们使用了硅基弹簧，它们的硬度是原来的一千倍，而且不会磨损。”

Aguilar说：“安全气囊传感器采用MEMS技术，是因为它们不会随着时间的推移而疲劳。这些应用需要器件能够在运行中进行数十万次循环，在整个生命周期内进行数十亿次循环。这就是为什么我们采用了MEMS工艺，并使用体硅微加工技术制造我们的反射镜和扫描器。”

Omnitron的3D MEMS设计方案基于简单而稳健的晶圆制造工艺

精度和可靠性也是Omnitron技术的关键。Aguilar说：“如果我们让扫描镜指向三度角，那它就真的可以精确指向三度角。我们在平面上构建了隔离层，使我们能够将驱动能量与传感机制分离。这意味着没有驱动信号耦合到传感信号中，从而避免影响数据。”他说，这些都已经通过制造得到了验证。

实现可靠校准

Omnitron的3D MEMS技术的另一个特点是能够确保可靠的校准。这是由其选择的驱动方案实现的。Aguilar说：“我们构建的马达执行器采用静电驱动原理。”

Aguilar解释称，MEMS驱动通常有三种方法，包括静电、电磁或压电方案。“我们采用静电方案主要是为了在温度范围内保持线性，静电驱动系统的精妙在于它们可以非常线性的随温度膨胀和收缩，具有确定性，因而易于校准。”

Aguilar说，电磁或压电等其他替代技术的问题是，对温度有滞后响应。这意味着器件的温度曲线在温度上升和温度下降时是不同的。这会在性能中产生严重误差，从而影响校准。

面向下一代设计的新型MEMS拓扑

的确，如今嵌入式系统的许多创新都源自在更快微处理器和MCU上运行的软件功能。Omnitron的创新MEMS拓扑告诉我们，硬件的创新仍然可以带来重大的影响。

Aguilar说：“尽管软件是个好东西，但如果没有硬件的突破性创新，我们将无法实现想象中的未来。因此，我们必须回到第一性原理思维，以开发这种有望变革传感器行业的全新MEMS工艺。”

延伸阅读：

《激光雷达（LiDAR）技术及市场-2022版》

《汽车激光雷达（LiDAR）专利全景分析-2022版》