Mikroelektromechanische Systeme - MEMS-Technologie

Im Herzen der Sensoren – MEMS-Technologie für LiDAR

„MEMS-basierte LiDAR-Sensoren sind zwar meist kostengünstig, haben aber eine zu geringe Reichweite für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen.“ Diesen Satz hört man oft. Wie wir ihn mit unseren Sensoren wirksam entkräftigen, wie wir die perfekte Spiegelgröße für unseren LiDAR gefunden haben und welche Faktoren dafür ausschlaggebend waren, erklärt dieser Blog-Beitrag.

Besonders für den Einsatz in autonomen Fahrzeugen müssen LiDAR-Sensoren zwei grundlegende Anforderungen erfüllen: Zum einen müssen sie eine hohe Leistung bringen, bestehend unter anderem aus Sichtfeld und Reichweite. Zum anderen müssen sie skalierbar produzierbar sein, um in millionenfacher Anzahl in Fahrzeugen verbaut werden zu können. Diesen Herausforderungen begegnen LiDAR-Hersteller mit verschiedenen Ansätzen. Am verbreitetsten sind heute noch mechanische LiDAR-Systeme, deren Strahlablenkungseinheiten mechanisch mit Motoren angetrieben werden. Zwar decken diese Systeme ein breites Sichtfeld von bis zu 360° und eine hohe Reichweite ab, aber die Mechanik bedarf regelmäßiger Wartung, ist groß, schwer und teuer zu produzieren. Somit lösen mechanische LiDAR-Systeme nur eine der zwei großen Anforderungen, die an die Sensor-Industrie gestellt werden.

Ein weiterer Ansatz, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die MEMS (Microelectromechanical Systems)-Technologie. Hierbei werden die Komponenten in Silizium produziert, was den Vorteil der Skalierbarkeit hat: Die Bauteile können günstig und in großen Stückzahlen produziert werden, da die Technologie seit vielen Jahren erprobt ist. Sie wird unter anderem bei der Herstellung von Mikro-Sensoren angewandt.

Wie aber begegnen MEMS-basierte LiDAR-Systeme der Herausforderung einer hohen Reichweite?

Weitsicht mit Hilfe der richtigen Laserquelle

Damit autonome Fahrzeuge sich auch mit hohen Geschwindigkeiten fortbewegen können, müssen sie in der Lage sein, die Welt um sich herum zu „sehen“ und wahrzunehmen – und das nicht nur in nächster Nähe, sondern auch auf eine größere Distanz. Dies ist gerade bei Autobahnfahrten von großer Bedeutung, da sich die Fahrzeuge schneller bewegen und daher auch Gegenstände, Kurven oder andere Fahrzeuge in weiterer Entfernung zuverlässig erkannt werden müssen, um rechtzeitig reagieren zu können. Verbaute Sensoren benötigen also eine hohe Reichweite, um autonome Fahrten im Autobahntempo zu ermöglichen.

Um diese Reichweite mit einem LiDAR-Sensor zu erreichen, kann an verschiedenen Bauteilen des Geräts angesetzt werden: Es kann entweder am Aussenden (Emitter) oder am Einfangen (Detector) des Lasers optimiert werden.

Eine Stellschraube von LiDAR-Sensoren ist die Laserquelle. Hier stehen typischerweise, aber nicht ausschließlich, Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen zur Auswahl. Einige LiDAR-Hersteller setzen auf Faserlaser, die mit einer Wellenlänge von 1550 nm arbeiten. Diese Wellenlänge kann vom menschlichen Auge nicht mehr fokussiert werden und kann mit hoher Energie augensicher eingesetzt werden, was in einer größeren Reichweite resultiert – je mehr Energie eingesetzt wird, desto weiter „sieht“ das Gerät. Allerdings hat diese Art der Laserquelle einen entscheidenden Nachteil: 1550 nm Laser sind groß und aufwändig herzustellen, was zu höheren Preisen und großen LiDAR-Gehäuseabmessungen führt.

Daher werden in vielen LiDAR-Anwendungen Laserdioden eingesetzt, die Laserpulse mit einer Wellenlänge von 905 nm aussenden. Diese haben den entscheidenden Vorteil, dass sie sehr klein sind und bereits seit langer Zeit in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden. Dadurch sind die Dioden günstig und in großer Stückzahl auf dem Markt verfügbar. Allerdings definieren Augensicherheitsbestimmungen die Strahlstärke der Dioden, sodass die Leistung der Laserpulse geringer ist als bei 1550nm Lasern.

Auf der Suche nach der richtigen Spiegelgröße

Die Optimierung auf Emitter-Seite ist also begrenzt. Wie sieht es aus, wenn das Licht zurückkommt, auf der Detektor-Seite? Hier spielt die Apertur eine wichtige Rolle für eine hohe Reichweite. Sie beschreibt die Größe der Detektorfläche. Im Fall von unserem MEMS-basierten Aufbau entspricht die Apertur der Spiegelgröße. Um möglichst viel Licht aufzufangen, wird eine große Apertur, also ein möglichst großer Spiegel, benötigt. Die Spiegelgröße wird allerdings auch von bestimmten Faktoren begrenzt – es gilt also, die optimale Größe auf Basis dieser Faktoren zu berechnen. Hierzu müssen die zu empfangende Photonenzahl, die Kollimation, Ablenkwinkel und die Resonanzfrequenz betrachtet werden.

Photonenzahl

Zum einen hängt die Größe des Spiegels davon ab, wie viele Photonen ausgesendet werden müssen, damit eine ausreichende Anzahl an Photonen zurückkommt, um ein Objekt genau zu erkennen. Diese Mindestanzahl an Photonen lässt sich gemäß der Leistungsübertragungsbilanz, oder auch des Link Budgets, mit guter Genauigkeit berechnen. Hierbei wird mit einbezogen, wie viele Photonen auf die Distanz und durch wenig reflektive Oberflächen verloren gehen; zudem wird die homogene Streuung von Licht sowie die Detektoreffizienz beachtet. Auf diese Weise lässt sich abschätzen, wie viele Photonen ausgesandt werden müssen, also wie groß die Apertur sein muss, damit eine Mindestanzahl an Photonen wieder detektiert werden kann. Zudem sind Blickfeld-Sensoren koaxial aufgebaut, das heißt, dass nur das Licht wieder aufgefangen wird, das auf dem gleichen Weg zurückkommt, wie es ausgesandt wurde. Das hat den Vorteil, dass keine anderen Lichtsignale aufgenommen werden, die das Bild stören oder verfälschen.

Kollimation

Um möglichst hochaufgelöste Daten zu erhalten, die auch kleine Objekte zuverlässig identifizieren, muss der Laser gebündelt auf ein Objekt treffen. Diese Bündelung wird durch die Kollimation beschrieben. Erreicht wird diese, indem vor dem Laser eine Linse platziert wird. Nun kommt wieder die Spiegelgröße ins Spiel: Der Spiegel muss exakt so groß sein, dass er das gesamte Licht, das durch die Linse kollimiert wird, ablenken kann. Dies hängt von der Brennweite ab, die für eine optimale Kollimation und damit eine hohe Auflösung benötigt wird.

Resonanzfrequenz

MEMS-Spiegel schwingen mit einer bestimmten Resonanzfrequenz. Hierzu werden sie mit Hilfe von integrierten Aktoren angestoßen, benötigen also keinen Motor oder andere mechanische Antriebe. Dies ist von Vorteil, da Motoren und sich bewegende Teile sich abnutzen und regelmäßig gewartet werden müssen. Diese Problematiken entfallen bei einem Anstoß durch integrierte Aktoren.

Die Resonanzfrequenz, mit der ein Spiegel schwingt, hängt von der Größe und Befestigung des Spiegels ab. Hierzu haben wir eine proprietäre Einbettung der Spiegel entwickelt, um besonders große Spiegel einsetzen zu können. Durch den außergewöhnlich hohen Durchmesser können besonders viele Photonen auf die Szene und zurück auf den Detektor gelenkt werden, wodurch Blickfeld LiDAR-Sensoren eine hohe Reichweite erzielen. Zudem sind die Spiegel dank ihrer Größe robuster als herkömmliche Produkte, die nur wenige Millimeter Durchmesser haben, und verfügen durch ihre Leichtbauweise dennoch über eine hohe Resonanzfrequenz. Diese sorgt dafür, dass die Photonen zurück auf den Detektor geleitet werden. Schwingt der Spiegel zu schnell oder zu langsam, werden die Photonen aufgrund des koaxialen Aufbaus am Detektor vorbei abgelenkt.

MEMS-Technologie speziell für LiDAR-Anwendungen

Die Spiegelgröße wird also von verschiedenen Faktoren bestimmt. Um einen hochperformanten LiDAR auf MEMS-Basis zu bauen, muss dieser Spiegel in seiner Beschaffenheit, Größe und Einbettung eigens entwickelt werden. Nur wenn die MEMS-Technologie speziell auf die LiDAR-Anforderungen angepasst ist, lässt sich eine große Reichweite, ein breites Sichtfeld und eine hohe Auflösung erreichen.