面向激光雷達(dá)的電磁MEMS微鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具有大角度偏轉(zhuǎn)和低功耗優(yōu)勢(shì)

發(fā)布日期：2024-7-15 17:49:00　瀏覽次數(shù)：

激光雷達(dá)（LiDAR）作為一種先進(jìn)的光測(cè)量技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和高精度的距離、速度測(cè)量以及物體識(shí)別，因此在自動(dòng)駕駛、無(wú)人機(jī)、監(jiān)控和環(huán)境科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。激光雷達(dá)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)包括遠(yuǎn)距離探測(cè)能力、出色的相干性以及高時(shí)間空間分辨率。隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)小型化激光雷達(dá)的需求日益增長(zhǎng)，這種設(shè)備被認(rèn)為具有巨大的市場(chǎng)潛力。

在MEMS技術(shù)領(lǐng)域，微鏡作為一種重要的微光機(jī)電系統(tǒng)（MOEMS）組件，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車、消費(fèi)電子和軍事等多個(gè)領(lǐng)域。特別是電磁微鏡，由于其體積小、偏轉(zhuǎn)幅度大、驅(qū)動(dòng)電壓低和功耗低等特點(diǎn)，受到了研究者和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

在激光雷達(dá)系統(tǒng)中，電磁諧振微鏡的作用越來越重要，但是空氣阻尼和結(jié)構(gòu)阻尼引起的能量損耗是一個(gè)亟待解決的問題。這些損耗限制了微鏡的功耗和偏轉(zhuǎn)角度，是當(dāng)前開發(fā)中的主要挑戰(zhàn)。為了克服這些限制，研究者們正在探索使用電路或算法調(diào)制來實(shí)現(xiàn)微鏡的開環(huán)驅(qū)動(dòng)。此外，通過使用固定頻率信號(hào)激勵(lì)，可以實(shí)現(xiàn)微鏡的初級(jí)激勵(lì)。然而，由于系統(tǒng)阻尼的存在，開環(huán)驅(qū)動(dòng)在掃描范圍和振動(dòng)連續(xù)性方面存在限制。

為了提高M(jìn)EMS諧振器的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)性能，自動(dòng)增益電路（AGC）和鎖相環(huán)（PLL）等電路被廣泛應(yīng)用。但這些電路通常需要晶體振蕩器、位置敏感探測(cè)器（PSD）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）等組件，這會(huì)增加芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，研究者們正在尋求新的解決方案，以實(shí)現(xiàn)低功耗、緊湊型的微鏡設(shè)計(jì)，以優(yōu)化激光雷達(dá)系統(tǒng)。

集成壓阻傳感器的電磁微鏡模塊框圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自東南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Sensors期刊上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于電磁微鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究成果。該研究通過系統(tǒng)級(jí)建模展示了微鏡的自振蕩特性，為激光雷達(dá)領(lǐng)域中電磁微鏡芯片的高性能研究打下了基礎(chǔ)。研究團(tuán)隊(duì)采用集成的壓阻傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)微鏡偏轉(zhuǎn)角度的精確檢測(cè)，該傳感器的靈敏度和線性度表現(xiàn)出色，其最大輸出速率達(dá)到了24.45 mV/deg。這種壓阻傳感器被巧妙地集成到微鏡的偏轉(zhuǎn)梁末端，這樣做不僅節(jié)省了空間，也降低了整體的系統(tǒng)復(fù)雜性。

研究中的PLL電路成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和頻率跟蹤，確保了連續(xù)諧振。這一設(shè)計(jì)解決了開環(huán)驅(qū)動(dòng)中常見的穩(wěn)定性問題。與此同時(shí)，與傳統(tǒng)的ADC或FPGA相比，該系統(tǒng)的復(fù)雜性和芯片面積要求都顯著降低，這進(jìn)一步證明了實(shí)現(xiàn)低功耗和輕量級(jí)設(shè)計(jì)的可行性。

通過使用微鏡來替代傳統(tǒng)的機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了更高速度和更高精度的掃描。這些進(jìn)步對(duì)于激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。得益于自振蕩特性，該系統(tǒng)在模擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)4000 Hz的掃描頻率和±37.6°的偏轉(zhuǎn)角度，這比之前的研究在偏轉(zhuǎn)角度和掃描頻率上都有了顯著提升。這項(xiàng)研究不僅驗(yàn)證了微鏡系統(tǒng)的有效性，而且為未來高性能激光雷達(dá)微鏡芯片的研究和開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。