據麥姆斯咨詢報道，Omnitron Sensors（以下簡稱：Omnitron）精心設計了一種適用于低成本、大批量市場的3D MEMS技術，以克服當前激光雷達（LiDAR）掃描鏡的缺點。

據市場調研機構預測，到2026年，激光雷達光學子系統市場規模將持續增長到23億美元。為了把握未來商機，Omnitron近日宣布已完成對創新的MEMS掃描鏡的工藝驗證。

MEMS掃描鏡作為激光雷達中的一種新型光學子系統，需要滿足高級駕駛輔助系統（ADAS）、無人機和機器人等應用對激光雷達提出的嚴苛要求。

據Omnitron稱，其MEMS掃描鏡可比當前遠程激光雷達應用的其他MEMS掃描鏡提供2~3倍的視場（FoV）。其步進掃描鏡專為惡劣的高振動汽車環境及無人機應用而設計，其它供應商生產的激光雷達旋轉鏡無法滿足這些應用的嚴苛需求。

與半導體領域的創新相比，過去十年來MEMS技術的發展未能跟上步伐

MEMS拓撲創新一直停滯不前

Omnitron聯合創始人、首席執行官Eric Aguilar認為，采用MEMS掃描技術解決當前的激光雷達挑戰存在很大的市場機遇。要實現這一目標，意味著要拿出一種創新的MEMS方法，但該領域多年來一直停滯不前。

Aguilar回憶稱，上個世紀90年代，汽車安全氣囊率先采用MEMS加速度計，在十年前，應美盛（Invensense）創始人Steve Nasiri將第一顆ASIC與MEMS集成在一個低成本的封裝中。“但從那之后，在大批量制造或突破性方面，MEMS領域就沒有什么值得關注的創新了。”Aguilar說道。

Aguilar認為，當前激光雷達的問題在于它們無法滿足下一代系統設計的需要。問題的核心在于其光學子系統（即反射鏡和掃描器）存在的許多問題。這些光學元件尺寸太大、太脆弱，同時制造和維護成本也太高。

Aguilar表示，利用MEMS技術可以實現高成本效益、高可靠性的反射鏡，不過，目前的MEMS技術還不能完全滿足系統要求。“激光雷達客戶反饋他們需要10毫米的光束直徑，才能達到200米左右的探測距離。”他說，“但現在的MEMS反射鏡的直徑大多在1到2毫米左右。這就是為什么現在的激光雷達中MEMS還沒有普及，因為，這需要構建非常大尺寸的反射鏡，用現在的MEMS工藝很難做到。”

當前的激光雷達都存在的掃描鏡問題

Aguilar表示，Omnitron的MEMS掃描鏡技術優于音圈電機、旋轉棱鏡和高速掃描振鏡等傳統激光雷達光學子系統。這些傳統方案速度更慢、更笨重、更昂貴，并且容易失效。

就這些技術而言，音圈電機技術存在一定的優勢，例如其良好的反饋機制。這是一種強大的技術，可以應對振動和溫度循環。這就是為什么音圈電機技術可以被用于空間通信系統。

Aguilar說，缺點是這種音圈電機子系統可能需要5000美元。對于需要500美元以下解決方案的汽車系統設計師來說，這顯然令人望而卻步。更糟糕的是，還需要多個音圈單元來覆蓋整個視場，因為它們的視場通常不到十度。

當前的激光雷達掃描鏡技術需要在成本、可靠性和視場中進行權衡

SCALA和旋轉棱鏡技術等替代方案，其本質上是在電機上安裝一面鏡子并使其旋轉。一般來說，激光雷達都需要處理厘米級的精度。這意味著在200米范圍內誤差要小于5厘米。Aguilar說，這需要反射鏡的表面平整度要達到納米級。

實現表面平整度需要大量拋光，以便在反射鏡初始校準時高度精確。不幸的是，當這些旋轉系統的電機軸承開始抖動時，校準可能會丟失。只需要幾微度的誤差就會失去校準。而且，由于抖動是隨機的，所以無法輕松地重新校準。

一種用于激光雷達的3D MEMS方案

鑒于當前激光雷達掃描鏡技術面臨的挑戰，Omnitron開發了一種3D MEMS工藝，使MEMS掃描鏡能夠滿足下一代激光雷達的需求。Aguilar說：“我們開發了一種3D MEMS處理器，從某種意義上說，它是MEMS領域的一種新拓撲，就像集成電路進入新的技術節點。”

Omnitron的方案構建了一種靜電馬達，它可以移動MEMS反射鏡，并獲得比目前市場上同類產品更大的單位面積力。Aguilar表示，Omnitron利用一種3D MEMS拓撲實現了這一目標，不過，更重要的是要確保其可制造性。

“我們已經進行了第三方工藝驗證，這是可以實現的。”Aguilar說。

為了確保工藝簡單、可制造，Aguilar表示他們的MEMS掃描鏡沒有使用金屬彈簧。他說：“我們使用了硅基彈簧，它們的硬度是原來的一千倍，而且不會磨損。”

Aguilar說：“安全氣囊傳感器采用MEMS技術，是因為它們不會隨著時間的推移而疲勞。這些應用需要器件能夠在運行中進行數十萬次循環，在整個生命周期內進行數十億次循環。這就是為什么我們采用了MEMS工藝，并使用體硅微加工技術制造我們的反射鏡和掃描器。”

Omnitron的3D MEMS設計方案基于簡單而穩健的晶圓制造工藝

精度和可靠性也是Omnitron技術的關鍵。Aguilar說：“如果我們讓掃描鏡指向三度角，那它就真的可以精確指向三度角。我們在平面上構建了隔離層，使我們能夠將驅動能量與傳感機制分離。這意味著沒有驅動信號耦合到傳感信號中，從而避免影響數據。”他說，這些都已經通過制造得到了驗證。

實現可靠校準

Omnitron的3D MEMS技術的另一個特點是能夠確保可靠的校準。這是由其選擇的驅動方案實現的。Aguilar說：“我們構建的馬達執行器采用靜電驅動原理。”

Aguilar解釋稱，MEMS驅動通常有三種方法，包括靜電、電磁或壓電方案。“我們采用靜電方案主要是為了在溫度范圍內保持線性，靜電驅動系統的精妙在于它們可以非常線性的隨溫度膨脹和收縮，具有確定性，因而易于校準。”

Aguilar說，電磁或壓電等其他替代技術的問題是，對溫度有滯后響應。這意味著器件的溫度曲線在溫度上升和溫度下降時是不同的。這會在性能中產生嚴重誤差，從而影響校準。

面向下一代設計的新型MEMS拓撲

的確，如今嵌入式系統的許多創新都源自在更快微處理器和MCU上運行的軟件功能。Omnitron的創新MEMS拓撲告訴我們，硬件的創新仍然可以帶來重大的影響。

Aguilar說：“盡管軟件是個好東西，但如果沒有硬件的突破性創新，我們將無法實現想象中的未來。因此，我們必須回到第一性原理思維，以開發這種有望變革傳感器行業的全新MEMS工藝。”

審核編輯 ：李倩