正是由于中國(guó)企業(yè)的積極參與，全球第一激光雷達(dá)廠(chǎng)商Velodyne（威力登）在中國(guó)市場(chǎng)節(jié)節(jié)敗退，其車(chē)載機(jī)械式激光雷達(dá)在中國(guó)失去了價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。
現(xiàn)在，中國(guó)的激光雷達(dá)技術(shù)已不輸國(guó)外，有20多家廠(chǎng)商依靠國(guó)內(nèi)芯片研發(fā)并推出了采用不同技術(shù)的車(chē)載激光雷達(dá)產(chǎn)品。排名靠前的包括禾賽科技、速騰聚創(chuàng)、鐳神智能、北科天繪、華為、北醒光子、佳光科技、砝石激光、覽沃科技、砝石激光等廠(chǎng)商，其中采用MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）微鏡技術(shù)的達(dá)7家之多；采用ToF（飛行時(shí)間）技術(shù)的有4家（其中一家有兩種技術(shù)）。為什么MEMS微鏡成為了車(chē)載激光雷達(dá)的主流呢？
從激光掃描投影說(shuō)起
要了解MEMS掃描微鏡（也叫MEMS振鏡或掃描芯片）在車(chē)載激光雷達(dá)中的應(yīng)用，還要從應(yīng)用比較廣泛的激光掃描投影MEMS微鏡說(shuō)起。MEMS微鏡是一個(gè)硅結(jié)構(gòu)的微型機(jī)械裝置，采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造，是將微光反射鏡與MEMS驅(qū)動(dòng)器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。
MEMS微鏡芯片
MEMS微鏡采用平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)（x、y兩個(gè)方向）兩種機(jī)械運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行掃描，可以實(shí)現(xiàn)非常高的掃描頻率?，F(xiàn)在用于激光掃描投影的MEMS芯片掃描頻率可以達(dá)到40kHz，相當(dāng)于一秒鐘掃描4萬(wàn)次。
MEMS掃描微鏡在激光掃描投影中的應(yīng)用
采用MEMS微鏡的激光應(yīng)用涵蓋消費(fèi)電子、醫(yī)療、軍事國(guó)防、通信等領(lǐng)域，具體包括激光掃描、光通信、數(shù)字顯示、激光雷達(dá)、3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機(jī)、光開(kāi)關(guān)、激光微投影、汽車(chē)抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤(pán)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等。
MEMS微鏡的不同應(yīng)用
驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡掃描動(dòng)作有不同的方式，可以分為利用電荷間庫(kù)侖力作為驅(qū)動(dòng)力的靜電驅(qū)動(dòng)；以低電壓電流驅(qū)動(dòng)的電磁驅(qū)動(dòng)；利用材料對(duì)溫度敏感產(chǎn)生不同形變量引起鏡面扭轉(zhuǎn)的電熱驅(qū)動(dòng)；以及利用材料逆壓電效應(yīng)，通過(guò)外界電場(chǎng)產(chǎn)生微位移的壓電驅(qū)動(dòng)等幾類(lèi)。
由于車(chē)載應(yīng)用需要較大的MEMS鏡面，鏡面厚度也需要相應(yīng)增加，導(dǎo)致微鏡掃描時(shí)的質(zhì)量增加，降低了MEMS振鏡抗振動(dòng)和沖擊的能力，甚至出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸斷裂的情況。如果采用新型電磁驅(qū)動(dòng)就可以使微鏡更大、更結(jié)實(shí)。
鏡轉(zhuǎn)軸斷裂現(xiàn)象
通過(guò)不斷改進(jìn)，采用專(zhuān)利封裝技術(shù)的下磁鐵-掃描微鏡-上磁鐵的垂直三明治封裝結(jié)構(gòu)，相比側(cè)邊磁鐵結(jié)構(gòu)，作用在驅(qū)動(dòng)線(xiàn)圈上的磁感應(yīng)強(qiáng)度提高了8倍。在達(dá)到相同轉(zhuǎn)角情況下，微鏡有更大的驅(qū)動(dòng)力矩T，能夠驅(qū)動(dòng)的掃描軸更厚更寬，器件掃描頻率可以更高，器件抗振動(dòng)沖擊能力也更好。這樣，就為汽車(chē)應(yīng)用提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。
垂直三明治驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
基于MEMS微鏡易于商用
我們來(lái)看看激光雷達(dá)有哪些形態(tài)？最早的激光雷達(dá)是機(jī)械式，在一個(gè)臺(tái)子上安裝激光探測(cè)器，64線(xiàn)需要一一對(duì)應(yīng)的64組激光器和探測(cè)器，然后供電讓它轉(zhuǎn)起來(lái)，這是一個(gè)非常復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng)，不利于大規(guī)模量產(chǎn)；而且無(wú)法將其隱藏在車(chē)輛結(jié)構(gòu)內(nèi)。即使現(xiàn)在，機(jī)械式還是占了市場(chǎng)的半壁江山，使用者不是傳統(tǒng)車(chē)企和造車(chē)新勢(shì)力，而是做自動(dòng)駕駛方案的科技公司，如百度、谷歌等。之前一個(gè)機(jī)械式64線(xiàn)雷達(dá)大概賣(mài)7萬(wàn)美元，由于中國(guó)企業(yè)的參與，又采用了新的技術(shù)，現(xiàn)在的激光雷達(dá)便宜了很多。
機(jī)械式雷達(dá)之后是固態(tài)雷達(dá)，如flash（閃光）雷達(dá)，其體積小了很多，但近距離會(huì)曝光過(guò)度，遠(yuǎn)距離又測(cè)不到，測(cè)距在50米以?xún)?nèi)。還有一種固態(tài)雷達(dá)是OPA（光學(xué)相控陣），用相控陣聚焦掃描，類(lèi)似毫米波雷達(dá)，卻比毫米波設(shè)計(jì)難度大。
現(xiàn)在業(yè)界普遍認(rèn)為，MEMS方案比較靠譜，能夠很快落地。與機(jī)械式相比，MEMS激光雷達(dá)只需要一個(gè)激光器和MEMS微鏡的組合就能實(shí)現(xiàn)激光脈沖的掃描。其優(yōu)勢(shì)包括安裝簡(jiǎn)單、體積更小、價(jià)格便宜，最有希望在乘用車(chē)上普及。由于采用半導(dǎo)體工藝，批量越大就越便宜。行家分析，未來(lái)MEMS激光雷達(dá)的成本有望控制在千元人民幣以?xún)?nèi)。
MEMS微鏡掃描示意圖
另外，在分辨率方面，MEMS激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)64線(xiàn)只需要MEMS微鏡將單個(gè)激光器發(fā)出的脈沖掃描成的點(diǎn)陣組成64條線(xiàn)就可以了，所以非常容易實(shí)現(xiàn)高分辨率，體積也非常小。
車(chē)輛視覺(jué)的重要補(bǔ)充
目前，激光雷達(dá)已成為自動(dòng)駕駛中不可或缺的傳感器之一，全球總共有5家研發(fā)生產(chǎn)激光雷達(dá)的上市公司，其中4家是美國(guó)公司，1家是以色列公司，五家上市公司中有兩家用MEMS方案，一家用機(jī)械式，另外兩家用其他兩種技術(shù)。
在汽車(chē)行業(yè)，特斯拉等少數(shù)公司只使用攝像頭的純視覺(jué)方案，有些場(chǎng)景（如純白或純色）場(chǎng)景難以識(shí)別，而激光雷達(dá)可以很快計(jì)算出距離、速度等各種信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的高分辨率識(shí)別。利用其已達(dá)到0.2度的角度分辨率，對(duì)100米外的車(chē)輛掃描可以得到很多點(diǎn)，把車(chē)的輪廓計(jì)算并標(biāo)示出來(lái)。
與其他傳感器相比，目前的MEMS激光雷達(dá)的每秒點(diǎn)云數(shù)據(jù)量在100萬(wàn)左右，比圖像還是小得多，對(duì)處理器算力的要求沒(méi)有那么高。特別是現(xiàn)在，國(guó)內(nèi)MEMS微鏡芯片和國(guó)外已經(jīng)處在同一技術(shù)水平，國(guó)內(nèi)一些Tier 1已在使用國(guó)產(chǎn)MEMS微鏡芯片實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)量產(chǎn)。
國(guó)產(chǎn)MEMS微鏡的困境與突圍
目前，中國(guó)為數(shù)不多的MEMS微鏡芯片廠(chǎng)商在商業(yè)量產(chǎn)化方面已開(kāi)始突破國(guó)外企業(yè)的壟斷。MEMS微鏡芯片的量產(chǎn)要依靠MEMS代工廠(chǎng)。事實(shí)上，MEMS器件的工藝制程并不高，只在微米級(jí)。不過(guò)，整體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在MEMS代工企業(yè)還處于起步階段，目前比較成熟的產(chǎn)品有麥克風(fēng)和壓力傳感器等。由于MEMS微鏡芯片代工仍存在困難，在一定程度上加劇了汽車(chē)缺芯的情況，亟待破局。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所沈文江博士表示，MEMS代工的特點(diǎn)是一種器件、一套工藝，所以MEMS微鏡芯片對(duì)于代工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)還是比較新的產(chǎn)品，工藝的導(dǎo)入和量產(chǎn)都需要解決很多新的問(wèn)題，需要芯片設(shè)計(jì)公司與MEMS代工廠(chǎng)合作，慢慢地去培養(yǎng)MEMS代工廠(chǎng)，和代工廠(chǎng)一起成長(zhǎng)。
另外，車(chē)載雷達(dá)不同于消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，有更多特殊性，需要符合各種車(chē)規(guī)要求，所以開(kāi)發(fā)車(chē)載激光雷達(dá)需要做很多工作。
寫(xiě)在最后
MEMS微鏡未來(lái)走向
MEMS微鏡現(xiàn)在已經(jīng)很小了，未來(lái)還會(huì)怎么發(fā)展呢？專(zhuān)家認(rèn)為，其發(fā)展方向主要是針對(duì)特定應(yīng)用市場(chǎng)開(kāi)發(fā)特定的MEMS微鏡。比如激光雷達(dá)用的MEMS微鏡需要大鏡面，鏡面大了發(fā)射出去的光學(xué)脈沖就更聚焦，也能打得更遠(yuǎn)，接收的脈沖信號(hào)就更強(qiáng)。如上所述，鏡面大了就會(huì)增加質(zhì)量，對(duì)MEMS微鏡的魯棒性提出了挑戰(zhàn)，需要在兩者之間找到最佳的平衡。
