在自动驾驶感知层快速降本的背景下，Sub-$200 车规级 Lidar 已经从技术概念走向可量产工程产品。与传统机械旋转式 Lidar 相比，基于 MEMS 微振镜的扫描方案在体积、成本和可靠性方面具备显著优势，而其核心 —— 悬浮结构设计 —— 直接决定了产品的抗振动寿命、光学效率与量产工艺路线。本文从工程实现角度，系统解析这一结构的 설계要点与关键参数。
系统级目标与约束框架
Sub-$200 美元的车规级 Lidar 传感器模块，在年产 10 万套以上的规模下，需要达成一组相互约束的性能指标。典型目标包括：探测距离 120 至 200 米（10% 反射率），水平视场 90 至 120 度，垂直视场 20 至 30 度，帧率 10 至 20 赫兹，角分辨率水平方向 0.1 至 0.2 度、垂直方向 0.3 至 0.5 度。同时必须满足 AEC-Q 认证要求，工作温度范围覆盖负 40 摄氏度至 105 摄氏度，设计寿命超过 10 年。这些硬性约束将技术路线锁定在低通道数、单激光源、单 MEMS 扫描器的极简架构上，任何偏离都将导致成本失控。
在此约束框架下，光学与扫描架构的设计空间被大幅压缩。MEMS 微振镜作为核心扫描器件，其结构形式直接决定了光学系统的复杂度、驱动功耗与量产工艺成本。选择 2D MEMS 振镜（快轴谐振、慢轴准静态）可实现单器件完成二维光栅扫描，快轴工作于 10 至 20 千赫兹谐振模式提供水平扫描，慢轴以 50 至 200 赫兹实现垂直方向扫描，这一拓扑在成本与性能之间取得了平衡。
悬浮结构的设计原理与实现路径
MEMS 微振镜的悬浮结构是整个传感器最具技术含量的部分之一。其核心思想是通过深硅刻蚀在 SOI 晶圆上形成中心镜板，由扭转弹簧悬挂在外部框架上，镜板与弹簧之间形成背部空腔或 Undercut，从而实现真正的悬浮形态。这种结构在低驱动能量下可实现较大的偏转角度，同时通过机械止动结构限制冲击导致的过量偏转，保护振镜免受汽车行驶过程中强烈振动的损害。
悬浮结构的设计需要平衡多个物理量。镜板孔径通常控制在 2 至 5 毫米之间 —— 孔径过大将增加惯性、提升驱动电压并抬高封装成本；孔径过小则导致光学效率下降、视场受限。扭转弹簧的尺寸设计同样关键：快轴（谐振轴）采用窄而长的扭转梁，以降低刚度并实现较低的谐振频率和驱动电压；慢轴（准静态轴）则需要更厚更短的弹簧或柔性结构，以提供足够的支撑刚度并避免粘滞和迟滞现象。
在驱动器选型上，静电力梳状驱动（Electrostatic Comb-drive）与电磁驱动是两条主要技术路线。静电力驱动功耗极低、与 CMOS 工艺兼容性良好，但需要较高的驱动电压（通常 80 至 150 伏）且需要精心设计以避免吸通效应（Pull-in）；电磁驱动虽然电压需求较低、控制简单，但需要外置磁体且 BOM 成本较高。对于 Sub-$200 美元的成本目标并面向量产的方案，静电力梳状驱动配合集成驱动 IC 是更主流的选择。
抗振动寿命的工程化保障
车规级 Lidar 面临的振动环境远比消费电子严苛，MEMS 振镜必须承受 1000 至 2000 克冲击以及持续的随机振动。悬浮结构的抗振动设计需要从机械与控制两个层面同时入手。
机械层面的保障措施包括：在振镜周围设计机械止动结构（Stopper），限制冲击下的最大偏转角度；采用对称布局以最小化应力导致的翘曲和热漂移；在封装腔体内引入受控阻尼机制，如充入特定压力的惰性气体或采用薄膜挤压膜阻尼（Squeeze-film Damping），既抑制振镜的过激振动又不影响正常扫描性能。控制层面则需要闭环驱动方案：利用电容传感电极实时检测振镜位置，闭环控制快轴的谐振振幅以补偿温度和老化带来的频率漂移，典型的闭环带宽应达到谐振频率的 5% 至 10% 以保证相位裕度。
自检机制是车规安全的重要一环。上电时需执行振镜运动检查，监测谐振频率和品质因数（Q 值）的偏移；运行中持续监控这些关键参数，一旦超出阈值立即触发故障处理。激光安全联锁同样关键 —— 当振镜运动丢失或异常时，硬件级联锁需在微秒级别内关闭激光器，这一功能必须独立于主控软件实现。
光学系统与封装集成
Sub-$200 美元的成本压力要求光学系统极度精简。典型配置仅包含三个光学元件：发射端的准直透镜、MEMS 扫描振镜以及接收端的会聚透镜。发射端采用 905 纳米边发射激光二极管阵列，相比 1550 纳米光源在探测器和激光器成本上具有显著优势 —— 硅光电二极管或 SiPM 在 905 纳米波段的响应度远高于 1550 纳米所需的 InGaAs 探测器。接收端通常采用单通道或少量 APD 通道，通过与 MEMS 扫描时序复用实现多方向探测，从而将通道数降至最低。
封装环节采用晶圆级封装（WLP）或玻璃盖板与 MEMS 芯片阳极键合或熔融键合，形成气密或真空腔体。光学窗口采用车规级玻璃或聚合物材料，需镀减反射膜以降低损耗。塑料注塑光学元件在成本允许的前提下可部分替代玻璃透镜，但需要模具精度和光学表面粗糙度的严格管控。模组外壳需设计精确的对位特征，确保光学元件与 MEMS 振镜的相对位置在装配后保持稳定。
工艺流程与成本控制路线
悬浮结构 MEMS 振镜的典型工艺流程如下：首先以 SOI 晶圆作为起始材料，器件层厚度 30 至 70 微米用于形成镜板和扭转弹簧；通过光刻和刻蚀图案化镜板结构；沉积并图案化反射金属层（铝或金）；形成驱动电极和布线金属化；从背面进行深反应离子刻蚀（DRIE）以释放镜板并在把守层形成锚点；与玻璃盖板晶圆键合形成气密封装；最后切割、倒装并与驱动 ASIC 共封装在同一基板上。
实现 Sub-$200 美元目标的成本杠杆主要来自以下几个方面：单一 MEMS 振镜加单一光学平台覆盖全视场；905 纳米发射器加硅接收器的组合方案；晶圆级光学与封装工艺的导入；将驱动电路、TDC 和 MCU 集成至单颗车规级 SoC；以及极简的连接器数量和被动散热设计。在这一架构下， BOM 成本的优化空间已经非常有限，真正的降本取决于规模效应、供应链整合与制造良率的持续提升。
工程落地关键监控点
对于计划导入这一技术路线的工程团队，建议重点监控以下参数与环节。第一，MEMS 振镜的谐振频率偏差必须控制在 ±2% 以内，超出此范围将导致扫描线畸变和角分辨率退化。第二，驱动电压的温度系数需要通过闭环控制补偿，典型补偿系数在负 0.1%/ 摄氏度至负 0.3%/ 摄氏度之间。第三，冲击测试后振镜的残余偏置变化不应超过满量程的 5%，否则需要重新设计止动结构或增加阻尼。第四，封装气密性测试要求漏率低于 1×10⁻⁸atm・cc/s，以保障振镜在十年寿命周期内的性能稳定。第五，激光器与振镜的时序同步精度需优于 1 纳秒，以确保测距准确度不因扫描位置误差而恶化。
综合来看，Sub-$200 车规级 Lidar 的 MEMS 悬浮结构设计是一个在多重约束下寻求平衡的工程艺术。悬浮结构通过深硅刻蚀实现了低功耗大角扫描，静电力驱动配合闭环控制保障了车规级可靠性，而晶圆级封装与高度集成的 ASIC 则将成本压缩至可量产的区间。随着自动驾驶渗透率的提升，这一技术路线有望在未来三至五年内成为中短距 Lidar 的主流方案。
资料来源：本文技术参数参考 IEEE Spectrum 关于 Sub-$200 Lidar 产业分析的技术讨论，以及 EDN 关于 RoboSense 低成本 Lidar 系统方案的技术概述。