國產MEMS微鏡趕超國際水平，量產代工亟待破局

本文來源：智車科技

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由於中國企業的參與，全球第一鐳射雷達廠商已敗退中國市場，主要是產品在中國失去了價格競爭力。面前，中國鐳射雷達廠商在技術方面已不輸國外，在20多家中排名靠前的包括禾賽科技、速騰聚創、鐳神智慧、北科天繪、華為、北醒光子、佳光科技、砝石鐳射、覽沃科技、砝石鐳射等。這些公司中採用MEMS（微機電系統）微鏡技術的有7家；採用ToF（飛行時間）技術有4家（其中一家有兩種技術）。

MEMS微鏡已成為鐳射雷達主流

鐳射雷達是自動駕駛中用到的眾多感測器之一，特斯拉等少數公司只使用攝像頭，有些場景（如純白或純色）場景可能難以識別，而鐳射雷達可以很快計算出距離、速度等各種資訊，實現對環境的高解析度識別。以往的機械式鐳射雷達光學和電學系統非常複雜，只有谷歌、百度等科技公司還在使用，無法大規模量產。最新技術是採用MEMS掃描微鏡的鐳射雷達，國內一些Tier 1已經在使用國產MEMS微鏡晶片開始定點項目量產。

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所沈文江博士表示，現在，在MEMS掃描微鏡領域，國內和國外已經處在同一技術水平，但國內此類晶片代工仍存在困難，在一定程度上加劇了汽車缺芯的情況，亟待破局。

鐳射雷達有哪些形態？

鐳射雷達發展到現在走過了哪些路徑呢？現在的微鏡鐳射雷達和其他類型相比又有什麼優勢呢？沈文江表示，最早的鐳射雷達是機械式的，即使現在，機械式也是佔了大壁江山，因為現在用鐳射雷達的不是傳統車企，而是做自動駕駛方案的初創企業。之前一個64線雷達大概賣7萬美元，由於中國企業（如禾賽）的市場參與，現在便宜了一些，國內類似的產品水平很高，整體質量更好，北美好多企業都在買。

1.機械式鐳射雷達；2.Flash鐳射雷達；3.OPA鐳射雷達；4.MEMS鐳射雷達

機械式雷達之後是固態雷達，有好幾種，有一種叫flash（閃光），相當於用閃光燈把鐳射打出去，用探測器來接收訊號。由於是全固態的，體積小了很多，但問題是近距離會過曝，遠距離測不到（能力不夠），所以目前一般flash雷達測距在50米以內。還有一種純固態雷達是OPA（光學相控陣），類似於採用射頻訊號的毫米波雷達，用相控陣聚焦來掃描。它是在光學波長尺度上實現的，所以比毫米波技術難度大，也有公司在做方案。

MEMS微鏡與鐳射雷達

沈文江介紹說，MEMS掃描微鏡也叫振鏡，微鏡沿著x、y兩個方向掃描，可以實現非常高頻率的掃描。現在用於鐳射掃描投影的MEMS晶片，掃描頻率可以達到40kHz，相當於一秒鐘掃描4萬次。微鏡是一個矽結構的微型機械裝置。有些微鏡是用靜電力來驅動的，蘇州納米所的微鏡產品是用的電磁力驅動的，晶片上有一個線圈，在磁場中，通上電流即可產生一個安培力，從而驅動微鏡掃描。

因為車載雷達不同於消費類產品，有更多特殊性，需要符合各種車規要求，所以開發車載鐳射雷達需要做很多工作。

他說，鐳射雷達的角度解析度已達到0.2度，比如100米外的一輛車可以掃描到很多點，可以把車的輪廓計算並標示出來。與其他感測器比，目前的MEMS鐳射雷達的每秒點雲資料量在100萬左右，比影象還是小得多，對處理器算力的要求沒有那麼高。

MEMS方案更靠譜，易於商用

沈文江認為，現在大家普遍覺得MEMS方案比較靠譜，能夠很快落地。與機械式相比，MEMS的優勢很多，如安裝簡單、體積更小、價格便宜，最有希望在乘用車上普及。機械式雷達是在一個臺子上面放鐳射探測器，64線需要64組鐳射器和探測器一一對應，然後供電讓它轉起來，電源、訊號要通過轉檯連到下面的電路，所以它是一個非常複雜的光學和電學系統，不利於大規模的量產。

鐳射雷達脈衝發射方式比較

MEMS鐳射雷達只需要一個鐳射器和MEMS微鏡組合就能實現鐳射脈衝的掃描，裝配起來很簡單。從成本考慮，由於採用半導體工藝，量大了成本也會很便宜。另外，從解析度考慮，比如MEMS鐳射雷達實現64線，只需要MEMS微鏡把單個鐳射器發出的脈衝掃描成的點陣能組成64條線就可以了，所以非常容易實現高解析度，體積也非常小。未來MEMS鐳射雷達的成本有望控制在千元人民幣以內。

MEMS鐳射雷達原理

從全球總共5家鐳射雷達上市公司情況也可看出技術上的端倪，在其中4家美國公司，1家以色列公司，五家上市公司中有兩家用的是MEMS方案。所以MEMS方案還是業界和投資界比較看好的。

MEMS微鏡與自動駕駛

蘇州納米所是中科院的一個研究所，2006年與江蘇省三方共建，方向是半導體光電器件、各個波段的鐳射器和探測器，另外還有生物醫學影像、幹細胞等，以及碳材料和輕量化材料。

該所一直在鼓勵科技成果產業化。沈文江說，自己在納米所的團隊在MEMS微鏡這個小眾專業領域做的挺不錯，跟國內很多做鐳射雷達的企業都有合作。納米所在國際上最早開始做大鏡面電磁驅動的MEMS微鏡。傳統的MEMS微鏡是在2000年前後，光通訊熱潮中的MEMS光開關基本上是靜電驅動的，鏡面大小一般在1mm左右。目前國際大公司包括ST、博世、英飛凌、濱鬆、Intel都在做MEMS掃描微鏡，技術發展越來越快，市場競爭也會越來越激烈。他認為，現在納米所的技術在國際上屬於領先水平，在某些技術指標上還優於國外產品。其用在鐳射雷達的晶片已經有Tier 1企業採用生產鐳射雷達，並已定點線量產。

已量產MEMS鐳射雷達

現在，華為、特斯拉等造車新勢力把自動駕駛炒的火熱，他們不像傳統車企，為了體現科技感和先進性，各種最新的科技都用在汽車這個載體上。不過，他倒是覺得全自動駕駛可能還得再沉澱幾年，需要從智慧輔助駕駛逐漸過渡到更高級別的自動駕駛，但是自動駕駛對造車新勢力來講，這肯定是一個賣點。

機會很多，困境仍在

蘇州納米專注晶片設計和晶片樣品的研究開發，產品量產要靠MEMS代工廠。事實上，MEMS器件的工藝製程並不高，只是微米級。整體來說，國內現在MEMS代工企業還屬於起步階段，目前比較成熟的產品有麥克風和壓力感測器等。MEMS代工的特點是「一種器件、一套工藝」，所以MEMS微鏡對於代工廠來說是比較新的產品，工藝的匯入和量產中都需要解決很多新的問題，要跟MEMS代工廠合作，要慢慢地去「培養」MEMS代工廠，和代工廠一起成長。

MEMS微鏡已經很小，未來走向哪裡？

MEMS微鏡現在已經很小了，未來還會怎麼發展呢？沈文江認為，其發展方向主要是針對特定的應用市場開發特定的MEMS微鏡。比如鐳射雷達用的MEMS微鏡需要大鏡面，鏡面大了光學發射出去的脈衝就更聚焦，能打得更遠，接收的脈衝訊號就更強；再比如在鐳射掃描投影應用中，要求掃描頻率更高，這樣能夠實現更高的投影解析度。微鏡的另一個很大的應用場景是光通訊，包括光開關、光交換機等，現在大部分是從美國、加拿大進口的晶片，這應該是光通訊領域國產替代的一個重要方向。

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