一. 固態VS 混合固態

基于硅基MEMS的激光雷達，通過硅基MEMS微振鏡的方式改變單個發射器的發射角度進行掃描，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體元器件，屬于固態電子元件，由此這種掃描方式常常被歸類到固態激光雷達。

但硅基MEMS真的是純固態嗎？

雖然硅基MEMS微振鏡區別于傳統的金屬機械結構部件（電機、轉子等），避免了機械式激光雷達因內部旋轉的整體模塊體積和重量都較大引起受沖擊時慣量太大而容易致損的問題，但是，實際上硅基MEMS仍然存在微振鏡的振動，其核心結構是尺寸很小的懸臂梁結構——反射鏡懸浮在前后左右各一對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，即微機電系統，英文中的Mechanical已經表明了其實際還是具有機械特性的，因此實際上MEMS激光雷達還是為機械式向純固態的一種過渡方案——混合固態。

采用硅基材料為主體的MEMS微振鏡的這種結構設計，也為其在自動駕駛的應用中帶來了不少瓶頸與麻煩。

二. 硅基MEMS為何遲遲難過車規

2.1同軸方案下大小兩難的鏡面尺寸

從光的接收和發射路徑來看，激光雷達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，系統的復雜程度也會大大增加，目前市面上硅基MEMS激光雷達都采用結構緊湊的同軸方案。

同軸掃描方案的特點是光發射通道與光接收通道共用一個對外的鏡片；激光束經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。目標的反射光束原路返回振鏡，再反射到穿孔反射鏡。穿孔反射鏡把目標回波反射到接收鏡頭內，最后由光電傳感器完成接收。

△國內某公司硅基MEMS激光雷達同軸掃描方式

由于發射和接收的光線經過同一面振鏡反射，同軸方案可以使用一個點狀的光電傳感器件進行接收，但是，如果要測得遠，接收的光學孔徑就要大。同軸方案的劣勢就在于振鏡尺寸與接收孔徑直接相關，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格越貴（上千美金一個，而且一般尺寸不大于5mm），同時其對驅動振鏡振動的快軸、慢軸的負擔也更大。

當前，從加工工藝來說，成熟工藝的硅基MEMS鏡面直徑僅1mm左右，其質量非常輕，可靠性是沒問題的。但是，從光學角度來說，鏡面尺寸與雷達測距能力攸關，采用同軸方案的硅基MEMS鏡面直徑一般至少要5mm，否則無法同時既做發射也做接收。太小的鏡面，無法對905nm激光同時做收發，因為激光器發射出去光，需要振鏡接收回來進行處理，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，為了實現較高的諧振頻率，對材質的耐久疲勞度是一個非常大的考驗，并且硅基MEMS振鏡尺寸越大，越難以滿足車規的DV、PV要求的可靠性、穩定性、沖擊、跌落的測試要求。

為何如此呢?

2.2脆弱的懸臂梁結構

面對過大尺寸的鏡面，硅基MEMS的懸臂梁結構實際非常脆弱，這兩對扭桿中，又細又長的為慢軸，又短又粗的為快軸，兩者同時對微振鏡進行反向扭動，外界的振動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，但為了使扭轉角度大一些，其一般都做得相對細長，由此也引發了其對抗振動沖擊能力非常有限，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，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。我們取1.5KHz來算一下，要滿足車用壽命至少要5萬小時，1500x60sx60minx50000h=2700億次，即快軸要來回扭動2700億次！這是一個非常龐大的運動數據，極大的考驗材質的壽命。而作為汽車主雷達要測得遠，硅基MEMS振鏡尺寸就不能太小，由此較大的鏡面需要的偏轉量更大，又短又粗的快軸變形幅度也就更大，于是，常常發生快軸因超高頻的扭轉和大幅變形以致材質疲勞度過大而斷裂的現象！而這種現象很可能僅數小時、甚至數十分鐘就會發生。

此外，快軸變形幅度與雷達的垂直視場角直接相關，更大的垂直視場角，也就意味著快軸需要更大的變形幅度——垂直視場角30°，快軸的變形幅度就要達到30°！

在如此“負重”下持續高頻次大幅度來回扭轉，在車載振動環境中，硅基MEMS振鏡材質可以說是薯片般薄而脆的硅基材質。

左圖：沒有壞的硅基MEMS 右圖：損壞的硅基MEMS

2.3車規溫度達不到

溫度也很關鍵。硅基MEMS作為半導體工藝，其線圈都很細地密布在鏡面背后，導熱性差，對溫度極為敏感。車規要求的工作環境為-40℃~85℃，硅基MEMS微振鏡在雷達的密閉機殼里面，85℃的環境溫度下雷達里面溫度至少上升20℃，所以硅基MEMS微振鏡的耐熱溫度至少要做到105℃，而當前，國內外都還沒有能達到車規溫度要求的硅基MEMS微振鏡。

國內外不同硅基MEMS微振鏡參數對比

2.4 激光發射器數量少對激光雷達的影響

由于硅基MEMS微振鏡對于激光雷達發射光路的控制非常靈活，可以實現激光雷達線束的快速掃描，其等效線束能夠輕易突破一百線甚至是兩百線，因此，當要獲得同等的百萬量級的點云量，硅基MEMS激光雷達需要的激光發射器數量往往比機械式或混合固態激光雷達要少很多。那么，激光發射器少對激光雷達有什么影響呢？

首先，激光發射器數量少致占空比高，會使雷達壽命減少。

以下為激光發射器廠家所提供的LD使用壽命計算公式：

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：試驗條件功率

P1：使用條件功率

T0：試驗條件溫度

T1：使用條件溫度

DR0：試驗條件占空比

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* 試驗壽命

從上面的計算公式中可以看出，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周期內，單個發射光脈寬占整個周期的比例，其主要與重頻和脈寬有關，當光脈寬一定時，重頻越高，占空比越大，LD的使用壽命越少。而硅基MEMS激光雷達需要的LD數量比轉鏡式激光雷達要少很多，為了獲取與轉鏡式激光雷達同樣的點云數，其必須提高重頻才能發射更多的激光點。而當重頻越大，即占空比越大，LD發熱量越大， LD的工作溫度越高，會進一步減少其使用壽命。

即在相同的點云數量下，只考慮占空比的影響時，使用16個LD的使用壽命是使用5個LD的使用壽命的3~5倍，而當重頻越大，即占空比越大時，LD發熱量越大，由此LD的工作溫度越高，壽命也就進一步減少。國內某公司的激光雷達僅1-6個激光器，其雷達外部就設計了散熱風扇也充分說明了此點。

再者，由于硅基MEMS激光雷達的接收孔徑很小，為了測得更遠，只能提高發射功率，從而也將導致激光器壽命減少。

此外，如果其中一個激光發射器失效時，硅基對MEMS激光雷達的影響要遠遠大于使用更多數量的LD的激光雷達。

無論是基于硅基MEMS方案還是轉鏡方案的激光雷達，其每一個LD都只負責一定的視場，整個激光雷達的視場是由多個LD負責的視場拼湊在一起連接而成，即LD數量越多，那么在某一個LD失效時產生的影響也就越小。對于硅基MEMS激光雷達，一個LD失效，即意味著某片視場的缺失，這對于自動駕駛而言是相當危險的；而對于轉鏡掃描的激光雷達，一個LD的缺失會使探測到目標上的點云數減少，但不會完全致使某片視場區域的突然間完全失效。

據悉，華為96線激光雷達LD數量由之前的8個增加到現在的16~18個，顯然是重點考慮過了LD的壽命問題。

2.5 硅基MEMS激光雷達采用SiPM接收器

硅基MEMS采用同軸系統，必然導致發射出口光斑小，發散角大，接收孔徑也相應的較小。當前，只有硅光電倍增管（SiPM）可滿足同軸方案的硅基MEMS激光雷達。SiPM接收孔徑只有4-5mm，像國內某公司的硅基MEMS激光雷達采用SiPM做接收，發射用的LD峰值功率已達120W，乘以3ns的脈寬，其脈沖能量已高達360納焦，已遠超過905nm激光人眼安全的閾值，而實際上其對10%反射率的目標最遠只能測到130m（據悉某以色列公司也是如此），同時，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的探測距離。而實際應用中，車廠的要求是最少要達到200m，未來L4、L5的自動駕駛更是要達到250m以上測出5%反射率的目標。

此外，雖然SiPM對比APD靈敏度更高，甚至可以分辨單個光子，但是這也讓其極易受環境光影響。

SiPM內部集成了密集的小型獨立SPAD傳感器陣列，每個傳感器都有自己的猝滅電阻。每個獨立工作的SPAD和猝滅電阻單元稱為“微單元”。當SiPM 中的一個微單元對一個被吸收的光子作出響應時，蓋革雪崩就會引起光電流，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一步的蓋革模式雪崩的發生。一旦光電電流被熄滅，二極管上的電壓重新充電到標稱偏差值，并用于檢測后續光子，而這期間是需要一定的恢復時間的。每個微單元也可以看作是一個小電容，每次雪崩擊穿后會對其充電。

由于SiPM靈敏度很高，當遇到強反光面，或是受強光照射后，其中的SPAD發生雪崩后產生的電流越大，二極管要恢復到初始狀態（即標稱偏差值）的時間將越長，這段時間被稱為“死時間”。由于出現“死時間”時其對任何光都無法即時作出反應，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之間抗干擾的重要手段。

三. 總結

顯然，硅基MEMS激光雷達要做汽車主雷達，這條技術路線已很難走通。

目前來看符合車規要求的，全球只有兩款產品，分別為法雷奧SCALA1 與鐳神智能CH32線激光雷達，并且華為、禾賽等也都相繼采用轉鏡或者棱鏡的方案，可見目前可靠性最高的還是混合固態的激光雷達。FMCW以及OPA、Flash等激光雷達方案，相對轉鏡方案與MEMS方案更加不成熟，需要走的路更長，預計十年后才有可能產品化。