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2019年将成MEMS激光雷达技术路线元年

2019-04-21
关键词: 传感器 激光雷达 MEMS

  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年过去了三分之一,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。

  MEMS通过可以上下左右震颤的振镜来调整激光发射的角度,从而可以实现单线激光发射器的的扫描效果。这个方案从技术上较容易实现,相对于其他技术路线成本低廉可控,因而被主机厂看好,这是MEMS受欢迎的原因。

  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的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?

  AI芯天下丨2019年将成MEMS激光雷达技术路线元年

  MEMS技术、产品

  MEMS即微机电控制系统,MEMS固态激光雷达所需的扫描模组,将传统的导航激光雷达中的旋转装置芯片化,具有高分辨率、高可靠性、低成本、小尺寸、易集成等优势,主要应用于机器视觉、主动避让及自动驾驶方面。

  它是一个独立的智能系统,可大批量生产,其系统尺寸在几毫米乃至更小,其内部结构一般在微米甚至纳米量级。MEMS(微机电系统)最初大量用于汽车安全气囊,而后以MEMS传感器的形式被大量应用在汽车的各个领域,随着MEMS技术的进一步发展,以及应用终端“轻、薄、短、小”的特点,对小体积高性能的MEMS产品需求增势迅猛,消费电子、医疗等领域也大量出现了MEMS产品的身影。

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  MEMS系统特点优势显著

  ①MEMS器件体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短。

  ②以硅为主要材料,机械电器性能优良:硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当,密度类似铝,热传导率接近钼和钨。

  ③用硅微加工工艺在一片硅片上可同时制造成百上千个微型机电装置或完整的MEMS。批量生产可大大降低生产成本。

  ④可以把不同功能、不同敏感方向或致动方向的多个传感器或执行器集成于一体,或形成微传感器阵列、微执行器阵列,甚至把多种功能的器件集成在一起,形成复杂的微系统。微传感器、微执行器和微电子器件的集成可制造出可靠性、稳定性很高的MEMS。

  ⑤MEMS涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科,并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。

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  MEMS激光雷达是最快落地的技术

  ①MEMS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。

  ②MEMS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。

  ③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。

  ④机器人和无人机是MEMS激光雷达可能的应用领域,前的激光雷达系统对于自动驾驶汽车而言成本过于高昂,而汽车产业对成本非常敏感。其他可能的应用,还包括智能手机的3D人脸识别,例如苹果(Apple)的FaceID。

  ⑤和传统的机械旋转式的激光雷达相比,MEMS激光雷达的技术路线有所不同。取消了机械马达旋转部件,使用了体积更小的MEMS镜,所以体积可以做到更小。再加上只要一个激光头,因此可以有效控制成本。目前有不少企业都在等待产量上升后摊薄成本,因此需要考核的是如何保证产量。

  MEMS激光雷达量产等问题

  作为自动驾驶中的关键传感器,激光雷达最让人关心的问题是车规化与低成本。这两个问题决定了激光雷达能否大规模量产,应用到可落地的自动驾驶方案之中。

  MEMS激光雷达面临的问题首先在于如何让微颤镜的高频振动可控,其次则在于如何达到车规级。目前较为成熟的方案是4*4mm的振镜,大多数MEMS激光雷达都是使用这款产品。一方面精细的动部件在可靠性与寿命上要达到车规要求,难以适用不同的温度与振动环境;另一方面要想增强效果,需要更大的振镜,但是振镜越大,越偏向于机械属性而非半导体属性。

  MEMS方案和常规的机械激光雷达相比,可以把体积做小,把成本降低。MEMS是在毫米尺度上对材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术,会将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元。

  MEMS对精度要求很高,因此在生产制造有别于一般电子产品制造,生产企业在生产上要把控很多细节:制造精度是不是足够、转镜抛光是不是刚好、MEMS机械精准度如何。

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  结尾

  混合固态依然是最受欢迎的一种方案,以MEMS为主要代表。激光雷达的本质是利用ToF原理,通过发射激光来进行物体的探测,要想探测到车辆周围足够多的数据信息,就需要激光能够对应地扫描到这些位置。机械式激光雷达通过旋转来达到这个目的,但是动部件在可靠性、寿命、对振动的适应等方面都存在或多或少的问题,因此可以说2019年将成MEMS激光雷达技术路线元年,而考虑到最终的车规级量产,目前还难以实现。