MEMS微镜成为激光雷达主流，量产代工亟待破局

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由于中国企业的参与,全球第一激光雷达厂商已败退中国市场,主要是产品在中国失去了价格竞争力。面前,中国激光雷达厂商在技术方面已不输国外,在20多家中排名靠前的包括禾赛科技、速腾聚创、镭神智能、北科天绘、华为、北醒光子、佳光科技、砝石激光、览沃科技、砝石激光等。这些公司中采用MEMS(微机电系统)微镜技术的有7家;采用ToF(飞行时间)技术有4家(其中一家有两种技术)。

MEMS微镜已成为激光雷达主流

激光雷达是自动驾驶中用到的众多传感器之一,特斯拉等少数公司只使用摄像头,有些场景(如纯白或纯色)场景可能难以识别,而激光雷达可以很快计算出距离、速度等各种信息,实现对环境的高分辨率识别。以往的机械式激光雷达光学和电学系统非常复杂,只有谷歌、百度等科技公司还在使用,无法大规模量产。最新技术是采用MEMS扫描微镜的激光雷达,国内一些Tier 1已经在使用国产MEMS微镜芯片开始定点项目量产。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所沈文江博士表示,现在,在MEMS扫描微镜领域,国内和国外已经处在同一技术水平,但国内此类芯片代工仍存在困难,在一定程度上加剧了汽车缺芯的情况,亟待破局。

激光雷达有哪些形态?

激光雷达发展到现在走过了哪些路径呢?现在的微镜激光雷达和其他类型相比又有什么优势呢?沈文江表示,最早的激光雷达是机械式的,即使现在,机械式也是占了大壁江山,因为现在用激光雷达的不是传统车企,而是做自动驾驶方案的初创企业。之前一个64线雷达大概卖7万美元,由于中国企业(如禾赛)的市场参与,现在便宜了一些,国内类似的产品水平很高,整体质量更好,北美好多企业都在买。

1．机械式激光雷达;2．Flash激光雷达;3．OPA激光雷达;4．MEMS激光雷达 机械式雷达之后是固态雷达,有好几种,有一种叫flash(闪光),相当于用闪光灯把激光打出去,用探测器来接收信号。由于是全固态的,体积小了很多,但问题是近距离会过曝,远距离测不到(能力不够),所以目前一般flash雷达测距在50米以内。还有一种纯固态雷达是OPA(光学相控阵),类似于采用射频信号的毫米波雷达,用相控阵聚焦来扫描。它是在光学波长尺度上实现的,所以比毫米波技术难度大,也有公司在做方案。

MEMS微镜与激光雷达

沈文江介绍说,MEMS扫描微镜也叫振镜,微镜沿着x、y两个方向扫描,可以实现非常高频率的扫描。现在用于激光扫描投影的MEMS芯片,扫描频率可以达到40kHz,相当于一秒钟扫描4万次。微镜是一个硅结构的微型机械装置。有些微镜是用静电力来驱动的,苏州纳米所的微镜产品是用的电磁力驱动的,芯片上有一个线圈,在磁场中,通上电流即可产生一个安培力,从而驱动微镜扫描。因为车载雷达不同于消费类产品,有更多特殊性,需要符合各种车规要求,所以开发车载激光雷达需要做很多工作。

他说,激光雷达的角度分辨率已达到0．2度,比如100米外的一辆车可以扫描到很多点,可以把车的轮廓计算并标示出来。与其他传感器比,目前的MEMS激光雷达的每秒点云数据量在100万左右,比图像还是小得多,对处理器算力的要求没有那么高。 MEMS方案更靠谱,易于商用

沈文江认为,现在大家普遍觉得MEMS方案比较靠谱,能够很快落地。与机械式相比,MEMS的优势很多,如安装简单、体积更小、价格便宜,最有希望在乘用车上普及。机械式雷达是在一个台子上面放激光探测器,64线需要64组激光器和探测器一一对应,然后供电让它转起来,电源、信号要通过转台连到下面的电路,所以它是一个非常复杂的光学和电学系统,不利于大规模的量产。

激光雷达脉冲发射方式比较 MEMS激光雷达只需要一个激光器和MEMS微镜组合就能实现激光脉冲的扫描,装配起来很简单。从成本考虑,由于采用半导体工艺,量大了成本也会很便宜。另外,从分辨率考虑,比如MEMS激光雷达实现64线,只需要MEMS微镜把单个激光器发出的脉冲扫描成的点阵能组成64条线就可以了,所以非常容易实现高分辨率,体积也非常小。未来MEMS激光雷达的成本有望控制在千元人民币以内。

MEMS激光雷达原理 从全球总共5家激光雷达上市公司情况也可看出技术上的端倪,在其中4家美国公司,1家以色列公司,五家上市公司中有两家用的是MEMS方案。所以MEMS方案还是业界和投资界比较看好的。 MEMS微镜与自动驾驶

苏州纳米所是中科院的一个研究所,2006年与江苏省三方共建,方向是半导体光电器件、各个波段的激光器和探测器,另外还有生物医学影像、干细胞等,以及碳材料和轻量化材料。

该所一直在鼓励科技成果产业化。沈文江说,自己在纳米所的团队在MEMS微镜这个小众专业领域做的挺不错,跟国内很多做激光雷达的企业都有合作。纳米所在国际上最早开始做大镜面电磁驱动的MEMS微镜。传统的MEMS微镜是在2000年前后,光通信热潮中的MEMS光开关基本上是静电驱动的,镜面大小一般在1mm左右。目前国际大公司包括ST、博世、英飞凌、滨松、Intel都在做MEMS扫描微镜,技术发展越来越快,市场竞争也会越来越激烈。他认为,现在纳米所的技术在国际上属于领先水平,在某些技术指标上还优于国外产品。其用在激光雷达的芯片已经有Tier 1企业采用生产激光雷达,并已定点线量产。

已量产MEMS激光雷达 现在,华为、特斯拉等造车新势力把自动驾驶炒的火热,他们不像传统车企,为了体现科技感和先进性,各种最新的科技都用在汽车这个载体上。不过,他倒是觉得全自动驾驶可能还得再沉淀几年,需要从智能辅助驾驶逐渐过渡到更高级别的自动驾驶,但是自动驾驶对造车新势力来讲,这肯定是一个卖点。

机会很多,困境仍在

苏州纳米专注芯片设计和芯片样品的研究开发,产品量产要靠MEMS代工厂。事实上,MEMS器件的工艺制程并不高,只是微米级。整体来说,国内现在MEMS代工企业还属于起步阶段,目前比较成熟的产品有麦克风和压力传感器等。MEMS代工的特点是“一种器件、一套工艺”,所以MEMS微镜对于代工厂来说是比较新的产品,工艺的导入和量产中都需要解决很多新的问题,要跟MEMS代工厂合作,要慢慢地去“培养”MEMS代工厂,和代工厂一起成长。 MEMS微镜已经很小,未来走向哪里?

MEMS微镜现在已经很小了,未来还会怎么发展呢?沈文江认为,其发展方向主要是针对特定的应用市场开发特定的MEMS微镜。比如激光雷达用的MEMS微镜需要大镜面,镜面大了光学发射出去的脉冲就更聚焦,能打得更远,接收的脉冲信号就更强;再比如在激光扫描投影应用中,要求扫描频率更高,这样能够实现更高的投影分辨率。微镜的另一个很大的应用场景是光通信,包括光开关、光交换机等,现在大部分是从美国、加拿大进口的芯片,这应该是光通信领域国产替代的一个重要方向。