Omnitron驗證創(chuàng)新的MEMS掃描鏡工藝

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

據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)預(yù)測，到2026年，激光雷達光學(xué)子系統(tǒng)市場規(guī)模將持續(xù)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(chuàng)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(xué)子系統(tǒng)，需要滿足高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、無人機和機器人等應(yīng)用對激光雷達提出的嚴(yán)苛要求。

據(jù)Omnitron稱，其MEMS掃描鏡可比當(dāng)前遠程激光雷達應(yīng)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(huán)境及無人機應(yīng)用而設(shè)計，其它供應(yīng)商生產(chǎn)的激光雷達旋轉(zhuǎn)鏡無法滿足這些應(yīng)用的嚴(yán)苛需求。

與半導(dǎo)體領(lǐng)域的創(chuàng)新相比，過去十年來MEMS技術(shù)的發(fā)展未能跟上步伐

MEMS拓撲創(chuàng)新一直停滯不前

Omnitron聯(lián)合創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官Eric Aguilar認為，采用MEMS掃描技術(shù)解決當(dāng)前的激光雷達挑戰(zhàn)存在很大的市場機遇。要實現(xiàn)這一目標(biāo)，意味著要拿出一種創(chuàng)新的MEMS方法，但該領(lǐng)域多年來一直停滯不前。

Aguilar回憶稱，上個世紀(jì)90年代，汽車安全氣囊率先采用MEMS加速度計，在十年前，應(yīng)美盛（Invensense）創(chuàng)始人Steve Nasiri將第一顆ASIC與MEMS集成在一個低成本的封裝中?！暗珡哪侵?，在大批量制造或突破性方面，MEMS領(lǐng)域就沒有什么值得關(guān)注的創(chuàng)新了。”Aguilar說道。

Aguilar認為，當(dāng)前激光雷達的問題在于它們無法滿足下一代系統(tǒng)設(shè)計的需要。問題的核心在于其光學(xué)子系統(tǒng)（即反射鏡和掃描器）存在的許多問題。這些光學(xué)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(shù)可以實現(xiàn)高成本效益、高可靠性的反射鏡，不過，目前的MEMS技術(shù)還不能完全滿足系統(tǒng)要求?！凹す饫走_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(xiàn)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(xiàn)在的激光雷達中MEMS還沒有普及，因為，這需要構(gòu)建非常大尺寸的反射鏡，用現(xiàn)在的MEMS工藝很難做到?！?/p>

當(dāng)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(shù)優(yōu)于音圈電機、旋轉(zhuǎn)棱鏡和高速掃描振鏡等傳統(tǒng)激光雷達光學(xué)子系統(tǒng)。這些傳統(tǒng)方案速度更慢、更笨重、更昂貴，并且容易失效。

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

Aguilar說，缺點是這種音圈電機子系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(dāng)前的激光雷達掃描鏡技術(shù)需要在成本、可靠性和視場中進行權(quán)衡

SCALA和旋轉(zhuǎn)棱鏡技術(shù)等替代方案，其本質(zhì)上是在電機上安裝一面鏡子并使其旋轉(zhuǎn)。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(nèi)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(xiàn)表面平整度需要大量拋光，以便在反射鏡初始校準(zhǔn)時高度精確。不幸的是，當(dāng)這些旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電機軸承開始抖動時，校準(zhǔn)可能會丟失。只需要幾微度的誤差就會失去校準(zhǔn)。而且，由于抖動是隨機的，所以無法輕松地重新校準(zhǔn)。

一種用于激光雷達的3D MEMS方案

鑒于當(dāng)前激光雷達掃描鏡技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，Omnitron開發(fā)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(fā)了一種3D MEMS處理器，從某種意義上說，它是MEMS領(lǐng)域的一種新拓撲，就像集成電路進入新的技術(shù)節(jié)點?！?/p>

Omnitron的方案構(gòu)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(chǎn)品更大的單位面積力。Aguilar表示，Omnitron利用一種3D MEMS拓撲實現(xiàn)了這一目標(biāo)，不過，更重要的是要確保其可制造性。

“我們已經(jīng)進行了第三方工藝驗證，這是可以實現(xiàn)的?！盇guilar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?！?/p>

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

Omnitron的3D MEMS設(shè)計方案基于簡單而穩(wěn)健的晶圓制造工藝

精度和可靠性也是Omnitron技術(shù)的關(guān)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(gòu)建了隔離層，使我們能夠?qū)Ⅱ?qū)動能量與傳感機制分離。這意味著沒有驅(qū)動信號耦合到傳感信號中，從而避免影響數(shù)據(jù)?！彼f，這些都已經(jīng)通過制造得到了驗證。

實現(xiàn)可靠校準(zhǔn)

Omnitron的3D MEMS技術(shù)的另一個特點是能夠確?？煽康男?zhǔn)。這是由其選擇的驅(qū)動方案實現(xiàn)的。Aguilar說：“我們構(gòu)建的馬達執(zhí)行器采用靜電驅(qū)動原理。”

Aguilar解釋稱，MEMS驅(qū)動通常有三種方法，包括靜電、電磁或壓電方案?！拔覀儾捎渺o電方案主要是為了在溫度范圍內(nèi)保持線性，靜電驅(qū)動系統(tǒng)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(zhǔn)。”

Aguilar說，電磁或壓電等其他替代技術(shù)的問題是，對溫度有滯后響應(yīng)。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(chǎn)生嚴(yán)重誤差，從而影響校準(zhǔn)。

面向下一代設(shè)計的新型MEMS拓撲

的確，如今嵌入式系統(tǒng)的許多創(chuàng)新都源自在更快微處理器和MCU上運行的軟件功能。Omnitron的創(chuàng)新MEMS拓撲告訴我們，硬件的創(chuàng)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(chuàng)新，我們將無法實現(xiàn)想象中的未來。因此，我們必須回到第一性原理思維，以開發(fā)這種有望變革傳感器行業(yè)的全新MEMS工藝?！?/p>

審核編輯 ：李倩