為什么硅基MEMS激光雷達(dá)無法用作汽車主雷達(dá)

一. 固態(tài)VS 混合固態(tài)

基于硅基MEMS的激光雷達(dá)，通過硅基MEMS微振鏡的方式改變單個(gè)發(fā)射器的發(fā)射角度進(jìn)行掃描，由此形成一種面陣的掃描視野。由于MEMS微振鏡是一種硅基半導(dǎo)體元器件，屬于固態(tài)電子元件，由此這種掃描方式常常被歸類到固態(tài)激光雷達(dá)。

但硅基MEMS真的是純固態(tài)嗎？

雖然硅基MEMS微振鏡區(qū)別于傳統(tǒng)的金屬機(jī)械結(jié)構(gòu)部件（電機(jī)、轉(zhuǎn)子等），避免了機(jī)械式激光雷達(dá)因內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的整體模塊體積和重量都較大引起受沖擊時(shí)慣量太大而容易致?lián)p的問題，但是，實(shí)際上硅基MEMS仍然存在微振鏡的振動(dòng)，其核心結(jié)構(gòu)是尺寸很小的懸臂梁結(jié)構(gòu)——反射鏡懸浮在前后左右各一對(duì)扭桿之間以一定諧波頻率振蕩，從而反射激光器的光線。MEMS 全稱為 Micro-Electro-Mechanical System，即微機(jī)電系統(tǒng)，英文中的Mechanical已經(jīng)表明了其實(shí)際還是具有機(jī)械特性的，因此實(shí)際上MEMS激光雷達(dá)還是為機(jī)械式向純固態(tài)的一種過渡方案——混合固態(tài)。

采用硅基材料為主體的MEMS微振鏡的這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也為其在自動(dòng)駕駛的應(yīng)用中帶來了不少瓶頸與麻煩。

二. 硅基MEMS為何遲遲難過車規(guī)

2.1同軸方案下大小兩難的鏡面尺寸

從光的接收和發(fā)射路徑來看，激光雷達(dá)有同軸和離軸兩種方案。

由于離軸方案要采用APD陣列做接收，不僅成本高，系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(huì)大大增加，目前市面上硅基MEMS激光雷達(dá)都采用結(jié)構(gòu)緊湊的同軸方案。

同軸掃描方案的特點(diǎn)是光發(fā)射通道與光接收通道共用一個(gè)對(duì)外的鏡片；激光束經(jīng)過一面穿孔的反射鏡，入射到振鏡的鏡面上。振鏡將光線反射到目標(biāo)。目標(biāo)的反射光束原路返回振鏡，再反射到穿孔反射鏡。穿孔反射鏡把目標(biāo)回波反射到接收鏡頭內(nèi)，最后由光電傳感器完成接收。

△國內(nèi)某公司硅基MEMS激光雷達(dá)同軸掃描方式

由于發(fā)射和接收的光線經(jīng)過同一面振鏡反射，同軸方案可以使用一個(gè)點(diǎn)狀的光電傳感器件進(jìn)行接收，但是，如果要測(cè)得遠(yuǎn)，接收的光學(xué)孔徑就要大。同軸方案的劣勢(shì)就在于振鏡尺寸與接收孔徑直接相關(guān)，為保證接收到足夠光線，需要較大的振鏡鏡面尺寸，而鏡面尺寸越大則價(jià)格越貴（上千美金一個(gè)，而且一般尺寸不大于5mm），同時(shí)其對(duì)驅(qū)動(dòng)振鏡振動(dòng)的快軸、慢軸的負(fù)擔(dān)也更大。

當(dāng)前，從加工工藝來說，成熟工藝的硅基MEMS鏡面直徑僅1mm左右，其質(zhì)量非常輕，可靠性是沒問題的。但是，從光學(xué)角度來說，鏡面尺寸與雷達(dá)測(cè)距能力攸關(guān)，采用同軸方案的硅基MEMS鏡面直徑一般至少要5mm，否則無法同時(shí)既做發(fā)射也做接收。太小的鏡面，無法對(duì)905nm激光同時(shí)做收發(fā)，因?yàn)榧す馄靼l(fā)射出去光，需要振鏡接收回來進(jìn)行處理，振鏡尺寸越大，接收的能量越多。但是，過大尺寸的硅基MEMS振鏡，為了實(shí)現(xiàn)較高的諧振頻率，對(duì)材質(zhì)的耐久疲勞度是一個(gè)非常大的考驗(yàn)，并且硅基MEMS振鏡尺寸越大，越難以滿足車規(guī)的DV、PV要求的可靠性、穩(wěn)定性、沖擊、跌落的測(cè)試要求。

為何如此呢?

2.2脆弱的懸臂梁結(jié)構(gòu)

面對(duì)過大尺寸的鏡面，硅基MEMS的懸臂梁結(jié)構(gòu)實(shí)際非常脆弱，這兩對(duì)扭桿中，又細(xì)又長的為慢軸，又短又粗的為快軸，兩者同時(shí)對(duì)微振鏡進(jìn)行反向扭動(dòng)，外界的振動(dòng)或者沖擊極易直接致其斷裂。

為什么？

首先，慢軸的諧振頻率雖然僅5~30Hz，但為了使扭轉(zhuǎn)角度大一些，其一般都做得相對(duì)細(xì)長，由此也引發(fā)了其對(duì)抗振動(dòng)沖擊能力非常有限，鏡面一旦尺寸太大，慢軸所需承受的振鏡重量便越大，于是極易斷裂。

至于快軸，為了提高快軸的諧振頻率，讓微振鏡得以高速振動(dòng)，快軸要做得又粗又短。做得較好的大鏡面硅基MEMS快軸諧振頻率有1KHz~2KHz，一般的也有1KHz~1.5KHz。我們?nèi)?.5KHz來算一下，要滿足車用壽命至少要5萬小時(shí)，1500x60sx60minx50000h=2700億次，即快軸要來回扭動(dòng)2700億次！這是一個(gè)非常龐大的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，極大的考驗(yàn)材質(zhì)的壽命。而作為汽車主雷達(dá)要測(cè)得遠(yuǎn)，硅基MEMS振鏡尺寸就不能太小，由此較大的鏡面需要的偏轉(zhuǎn)量更大，又短又粗的快軸變形幅度也就更大，于是，常常發(fā)生快軸因超高頻的扭轉(zhuǎn)和大幅變形以致材質(zhì)疲勞度過大而斷裂的現(xiàn)象！而這種現(xiàn)象很可能僅數(shù)小時(shí)、甚至數(shù)十分鐘就會(huì)發(fā)生。

此外，快軸變形幅度與雷達(dá)的垂直視場(chǎng)角直接相關(guān)，更大的垂直視場(chǎng)角，也就意味著快軸需要更大的變形幅度——垂直視場(chǎng)角30°，快軸的變形幅度就要達(dá)到30°！

在如此“負(fù)重”下持續(xù)高頻次大幅度來回扭轉(zhuǎn)，在車載振動(dòng)環(huán)境中，硅基MEMS振鏡材質(zhì)可以說是薯片般薄而脆的硅基材質(zhì)。

左圖：沒有壞的硅基MEMS 右圖：損壞的硅基MEMS

2.3車規(guī)溫度達(dá)不到

溫度也很關(guān)鍵。硅基MEMS作為半導(dǎo)體工藝，其線圈都很細(xì)地密布在鏡面背后，導(dǎo)熱性差，對(duì)溫度極為敏感。車規(guī)要求的工作環(huán)境為-40℃~85℃，硅基MEMS微振鏡在雷達(dá)的密閉機(jī)殼里面，85℃的環(huán)境溫度下雷達(dá)里面溫度至少上升20℃，所以硅基MEMS微振鏡的耐熱溫度至少要做到105℃，而當(dāng)前，國內(nèi)外都還沒有能達(dá)到車規(guī)溫度要求的硅基MEMS微振鏡。

國內(nèi)外不同硅基MEMS微振鏡參數(shù)對(duì)比

2.4 激光發(fā)射器數(shù)量少對(duì)激光雷達(dá)的影響

由于硅基MEMS微振鏡對(duì)于激光雷達(dá)發(fā)射光路的控制非常靈活，可以實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)線束的快速掃描，其等效線束能夠輕易突破一百線甚至是兩百線，因此，當(dāng)要獲得同等的百萬量級(jí)的點(diǎn)云量，硅基MEMS激光雷達(dá)需要的激光發(fā)射器數(shù)量往往比機(jī)械式或混合固態(tài)激光雷達(dá)要少很多。那么，激光發(fā)射器少對(duì)激光雷達(dá)有什么影響呢？

首先，激光發(fā)射器數(shù)量少致占空比高，會(huì)使雷達(dá)壽命減少。

以下為激光發(fā)射器廠家所提供的LD使用壽命計(jì)算公式：

L：壽命因子

L1：壽命因子1（功率）

L 2：壽命因子2（溫度）

L 3：壽命因子3（占空比）

P0：試驗(yàn)條件功率

P1：使用條件功率

T0：試驗(yàn)條件溫度

T1：使用條件溫度

DR0：試驗(yàn)條件占空比

DR1：使用條件占空比

L＝L1×L2×L3

L1＝1/(P1/P0)1.9

L2＝1/2（T1-T0)/10

L3＝DR0/DR1

使用壽命=L* 試驗(yàn)壽命

從上面的計(jì)算公式中可以看出，占空比、工作溫度、峰值功率是影響其壽命的主要原因。

占空比的意思是一個(gè)周期內(nèi)，單個(gè)發(fā)射光脈寬占整個(gè)周期的比例，其主要與重頻和脈寬有關(guān)，當(dāng)光脈寬一定時(shí)，重頻越高，占空比越大，LD的使用壽命越少。而硅基MEMS激光雷達(dá)需要的LD數(shù)量比轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)要少很多，為了獲取與轉(zhuǎn)鏡式激光雷達(dá)同樣的點(diǎn)云數(shù)，其必須提高重頻才能發(fā)射更多的激光點(diǎn)。而當(dāng)重頻越大，即占空比越大，LD發(fā)熱量越大， LD的工作溫度越高，會(huì)進(jìn)一步減少其使用壽命。

即在相同的點(diǎn)云數(shù)量下，只考慮占空比的影響時(shí)，使用16個(gè)LD的使用壽命是使用5個(gè)LD的使用壽命的3~5倍，而當(dāng)重頻越大，即占空比越大時(shí)，LD發(fā)熱量越大，由此LD的工作溫度越高，壽命也就進(jìn)一步減少。國內(nèi)某公司的激光雷達(dá)僅1-6個(gè)激光器，其雷達(dá)外部就設(shè)計(jì)了散熱風(fēng)扇也充分說明了此點(diǎn)。

再者，由于硅基MEMS激光雷達(dá)的接收孔徑很小，為了測(cè)得更遠(yuǎn)，只能提高發(fā)射功率，從而也將導(dǎo)致激光器壽命減少。

此外，如果其中一個(gè)激光發(fā)射器失效時(shí)，硅基對(duì)MEMS激光雷達(dá)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用更多數(shù)量的LD的激光雷達(dá)。

無論是基于硅基MEMS方案還是轉(zhuǎn)鏡方案的激光雷達(dá)，其每一個(gè)LD都只負(fù)責(zé)一定的視場(chǎng)，整個(gè)激光雷達(dá)的視場(chǎng)是由多個(gè)LD負(fù)責(zé)的視場(chǎng)拼湊在一起連接而成，即LD數(shù)量越多，那么在某一個(gè)LD失效時(shí)產(chǎn)生的影響也就越小。對(duì)于硅基MEMS激光雷達(dá)，一個(gè)LD失效，即意味著某片視場(chǎng)的缺失，這對(duì)于自動(dòng)駕駛而言是相當(dāng)危險(xiǎn)的；而對(duì)于轉(zhuǎn)鏡掃描的激光雷達(dá)，一個(gè)LD的缺失會(huì)使探測(cè)到目標(biāo)上的點(diǎn)云數(shù)減少，但不會(huì)完全致使某片視場(chǎng)區(qū)域的突然間完全失效。

據(jù)悉，華為96線激光雷達(dá)LD數(shù)量由之前的8個(gè)增加到現(xiàn)在的16~18個(gè)，顯然是重點(diǎn)考慮過了LD的壽命問題。

2.5 硅基MEMS激光雷達(dá)采用SiPM接收器

硅基MEMS采用同軸系統(tǒng)，必然導(dǎo)致發(fā)射出口光斑小，發(fā)散角大，接收孔徑也相應(yīng)的較小。當(dāng)前，只有硅光電倍增管（SiPM）可滿足同軸方案的硅基MEMS激光雷達(dá)。SiPM接收孔徑只有4-5mm，像國內(nèi)某公司的硅基MEMS激光雷達(dá)采用SiPM做接收，發(fā)射用的LD峰值功率已達(dá)120W，乘以3ns的脈寬，其脈沖能量已高達(dá)360納焦，已遠(yuǎn)超過905nm激光人眼安全的閾值，而實(shí)際上其對(duì)10%反射率的目標(biāo)最遠(yuǎn)只能測(cè)到130m（據(jù)悉某以色列公司也是如此），同時(shí)，其鏡面尺寸已有5mm，如果采用更大的鏡面，快軸就要做得更短更粗，壽命就會(huì)更短，可見其已不能再通過提高激光功率或把鏡面做大來求得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。而實(shí)際應(yīng)用中，車廠的要求是最少要達(dá)到200m，未來L4、L5的自動(dòng)駕駛更是要達(dá)到250m以上測(cè)出5%反射率的目標(biāo)。

此外，雖然SiPM對(duì)比APD靈敏度更高，甚至可以分辨單個(gè)光子，但是這也讓其極易受環(huán)境光影響。

SiPM內(nèi)部集成了密集的小型獨(dú)立SPAD傳感器陣列，每個(gè)傳感器都有自己的猝滅電阻。每個(gè)獨(dú)立工作的SPAD和猝滅電阻單元稱為“微單元”。當(dāng)SiPM 中的一個(gè)微單元對(duì)一個(gè)被吸收的光子作出響應(yīng)時(shí)，蓋革雪崩就會(huì)引起光電流，通過猝滅電阻以后，偏置電壓主要分壓到猝滅電阻上面去了，進(jìn)而將二極管的偏置降低到擊穿以下的值，從而猝滅光電流并防止進(jìn)一步的蓋革模式雪崩的發(fā)生。一旦光電電流被熄滅，二極管上的電壓重新充電到標(biāo)稱偏差值，并用于檢測(cè)后續(xù)光子，而這期間是需要一定的恢復(fù)時(shí)間的。每個(gè)微單元也可以看作是一個(gè)小電容，每次雪崩擊穿后會(huì)對(duì)其充電。

由于SiPM靈敏度很高，當(dāng)遇到強(qiáng)反光面，或是受強(qiáng)光照射后，其中的SPAD發(fā)生雪崩后產(chǎn)生的電流越大，二極管要恢復(fù)到初始狀態(tài)（即標(biāo)稱偏差值）的時(shí)間將越長，這段時(shí)間被稱為“死時(shí)間”。由于出現(xiàn)“死時(shí)間”時(shí)其對(duì)任何光都無法即時(shí)作出反應(yīng)，SiPM也就無法做到真正意義上的脈沖激光編碼了，而激光編碼正是車載激光雷達(dá)之間抗干擾的重要手段。

三. 總結(jié)

顯然，硅基MEMS激光雷達(dá)要做汽車主雷達(dá)，這條技術(shù)路線已很難走通。

目前來看符合車規(guī)要求的，全球只有兩款產(chǎn)品，分別為法雷奧SCALA1 與鐳神智能CH32線激光雷達(dá)，并且華為、禾賽等也都相繼采用轉(zhuǎn)鏡或者棱鏡的方案，可見目前可靠性最高的還是混合固態(tài)的激光雷達(dá)。FMCW以及OPA、Flash等激光雷達(dá)方案，相對(duì)轉(zhuǎn)鏡方案與MEMS方案更加不成熟，需要走的路更長，預(yù)計(jì)十年后才有可能產(chǎn)品化。