面向激光雷达的电磁MEMS微镜驱动系统，具有大角度偏转和低功耗优势

发布时间：

2024-07-15

激光雷达（LiDAR）作为一种先进的光测量技术，能够实现高分辨率和高精度的距离、速度测量以及物体识别，因此在自动驾驶、无人机、监控和环境科学等多个领域得到了广泛应用。激光雷达的关键优势包括远距离探测能力、出色的相干性以及高时间空间分辨率。随着技术的进步，对…

激光雷达（LiDAR）作为一种先进的光测量技术，能够实现高分辨率和高精度的距离、速度测量以及物体识别，因此在自动驾驶、无人机、监控和环境科学等多个领域得到了广泛应用。激光雷达的关键优势包括远距离探测能力、出色的相干性以及高时间空间分辨率。随着技术的进步，对小型化激光雷达的需求日益增长，这种设备被认为具有巨大的市场潜力。

在MEMS技术领域，微镜作为一种重要的微光机电系统（MOEMS）组件，已经被广泛应用于医疗、汽车、消费电子和军事等多个领域。特别是电磁微镜，由于其体积小、偏转幅度大、驱动电压低和功耗低等特点，受到了研究者和产业界的广泛关注。

在激光雷达系统中，电磁谐振微镜的作用越来越重要，但是空气阻尼和结构阻尼引起的能量损耗是一个亟待解决的问题。这些损耗限制了微镜的功耗和偏转角度，是当前开发中的主要挑战。为了克服这些限制，研究者们正在探索使用电路或算法调制来实现微镜的开环驱动。此外，通过使用固定频率信号激励，可以实现微镜的初级激励。然而，由于系统阻尼的存在，开环驱动在扫描范围和振动连续性方面存在限制。

为了提高MEMS谐振器的闭环驱动性能，自动增益电路（AGC）和锁相环（PLL）等电路被广泛应用。但这些电路通常需要晶体振荡器、位置敏感探测器（PSD）和模数转换器（ADC）等组件，这会增加芯片的面积和系统的复杂性。因此，研究者们正在寻求新的解决方案，以实现低功耗、紧凑型的微镜设计，以优化激光雷达系统。

集成压阻传感器的电磁微镜模块框图

据麦姆斯咨询报道，来自东南大学的研究团队在Sensors期刊上发表了一项关于电磁微镜驱动系统的研究成果。该研究通过系统级建模展示了微镜的自振荡特性，为激光雷达领域中电磁微镜芯片的高性能研究打下了基础。研究团队采用集成的压阻传感器实现了对微镜偏转角度的精确检测，该传感器的灵敏度和线性度表现出色，其最大输出速率达到了24.45 mV/deg。这种压阻传感器被巧妙地集成到微镜的偏转梁末端，这样做不仅节省了空间，也降低了整体的系统复杂性。

研究中的PLL电路成功实现了系统的驱动和频率跟踪，确保了连续谐振。这一设计解决了开环驱动中常见的稳定性问题。与此同时，与传统的ADC或FPGA相比，该系统的复杂性和芯片面积要求都显著降低，这进一步证明了实现低功耗和轻量级设计的可行性。

通过使用微镜来替代传统的机械扫描结构，这项研究实现了更高速度和更高精度的扫描。这些进步对于激光雷达在环境监测和自动驾驶等领域的应用具有重要意义。得益于自振荡特性，该系统在模拟实验中实现了高达4000 Hz的扫描频率和±37.6°的偏转角度，这比之前的研究在偏转角度和扫描频率上都有了显著提升。这项研究不仅验证了微镜系统的有效性，而且为未来高性能激光雷达微镜芯片的研究和开发奠定了坚实的基础。