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解讀全球首款MEMS超聲波ToF傳感器

2019-04-09 來源:微迷網

據麥姆斯咨詢介紹,基于MEMS技術的微型硅基聲吶器件提供了毫米級精度的距離傳感功能,并具有業內最低的功耗。這種MEMS超聲波飛行時間(ToF)傳感器可用于距離測量、位置追蹤、人員存在檢測以及消費電子、機器人、無人機等領域的避障應用。

Chirp Microsystems(TDK集團成員單位)首席執行官江夢雄(Meng-Hsiung Kiang)表示:超聲波ToF傳感器通常被認為是適用于汽車、工業以及無人機和機器人應用的最佳測距傳感器。相比于光學傳感器紅外傳感器,它具有諸多優勢。它可提供最精確的距離測量,不受目標物體的尺寸或顏色的影響,也不受環境噪音的干擾,并且可以在陽光直射的環境下使用。這些優點以及堅固耐用、精確和可靠的特點讓超聲波傳感器廣泛應用于工業及汽車應用。 然而,直至今天,超聲波ToF傳感器仍需要復雜的信號處理,由于尺寸巨大而無法適用于消費電子產品。

解讀全球首款MEMS超聲波ToF傳感器

Chirp Microsystems首席執行官江夢雄

正如TDK在并購Chirp Microsystems時,TDK高級副總裁兼Sensor Systems Business公司首席執行官Noboru Saito所說:“TDK致力于推動汽車、智能手機、健康醫療和工業產業的系統應用增長。我們的愿景是成為物聯網應用的運動、聲學、環境(氣壓、溫度和濕度)以及超聲波傳感器的領先解決方案供應商,Chirp Microsystems獨一無二的高附加值3D傳感技術將完美補充我們的傳感器解決方案產品線,幫助TDK成為超聲波MEMS技術領域的領導者。我們的目標是繼續成為客戶最可靠的合作伙伴,為他們所面臨的挑戰提供解決方案。

千分之一的尺寸,百分之一的功耗

現在,TDK公司推出了一個基于MEMS的微型超聲波傳感器產品,相比于傳統的超聲波傳感器,它可以提供相同的性能和可靠性,但其尺寸只有傳統產品的千分之一,功耗低至傳統產品的百分之一。這種微型傳感器尺寸微小,可以集成到緊湊的消費品中使其具備超聲波檢測能力,例如,用于智能手機和可穿戴設備中。測量距離時,這種傳感器首先發射超聲波脈沖,然后監 聽傳感器視場范圍內目標物的反射回聲。每個回聲均以聲速傳播,通過測量回聲的飛行時間可精確地測量傳感器至目標物的距離。

解讀全球首款MEMS超聲波ToF傳感器

左側圖為MEMS超聲波ToF傳感器產品,右側方框圖為顯示了與壓電式MEMS超聲換能器(PMUT)相連的SoC

PMUT由于采用了MEMS技術,收發恢復速度都非常快,因此可實現單孔收發。

目前,有兩種產品可向客戶提供工程樣品,即最大傳感范圍為100cm的CH-101型和最大傳感范圍為500cm的CH-201長距離型傳感器。這些微型裝置采用了緊湊的3.5mm x 3.5mm LGA封裝,將PMUT與定制的SoC芯片集成在一起,完成了所有超聲波ToF傳感器信號處理過程。CH-101和CH-201均采用1.8 V電源供電,并具有方便的I2C接口,可方便地集成到消費電子產品中。

解讀全球首款MEMS超聲波ToF傳感器

如上圖所示的超聲波傳感器參數,在功耗方面,Chirp Microsystems的技術是傳統紅外ToF傳感器的1/500,非常適合消費類和便攜式產品。

高精度距離測量性能和寬視場

盡管尺寸小巧,這種全新的MEMS超聲波傳感器仍具有卓越的性能。例如,CH-201在120cm處的距離測量信號噪音僅為0.35mm(1σ),是競品紅外ToF傳感器噪音的百分之一。此外,CH-101和CH-201可提供視場(FoV)最高可達到180°,因此只需一個部件就能夠實現對整個空間范圍的檢測。還有多種外殼參考設計可供選擇,使得客戶能通過改變傳感器聲學端 口周圍區域的形狀以聚焦和引導超聲波束,從而實現所需的水平和垂直視場。

解讀全球首款MEMS超聲波ToF傳感器

120cm處的距離噪音目標距離,帶有窄視場外殼時的視場。CH-201型超聲波ToF傳感器的距離噪音僅為傳統紅外ToF傳感器的百分之一(左圖)。窄視場外殼是可用的參考設計之一,可將該傳感器超聲波束整形以實現預期的視場(右圖)。

超低功耗的片上系統(SoC)控制整個ToF處理過程:發送超聲波脈沖,將接收的超聲回波數字化,檢測ToF到最近目標并通過I2C返回16位ToF信號。SoC使喚醒檢測應用能夠始終處于工作狀態;在每秒1次采樣測量的狀況下,總電流消耗低至8μA。由于驅動程序采用C語言編寫,開發者可以在嵌入式系統中輕松使用CH-101和CH-201。此外,單個微控制器即可控制多個CH-101和CH-201傳感器,有助于實現復雜的多傳感器測量功能。

極其廣泛的潛在應用

全新的MEMS超聲波傳感器是無人機及機器人等應用注定要選擇的產品,在這類應用中,其它類型的距離傳感器無法提供所需的性能。它們也是智能音箱等智慧家庭產品的理想選擇,在這類應用中,被動紅外(PIR)和光學接近傳感器都沒有超聲波傳感器有效。這種微型超聲波傳感器還可以精確地追蹤目標物,例如,在虛擬現實和增強現實(VR/AR)系統中,追蹤手持式游戲控制器。智能手機是另一個重要的應用領域:由于CH-101具有寬視場,即使安裝在手機的頂部或底部仍能夠實現精確的距離測量,因此設計師可以省略手機前面的光學接近傳感器,從而實現手機全面屏設計。

根據Chirp Microsystems提供的Demo演示,產品可以安裝到到智能手表側面或者筆記本中,實現用戶檢測或者手勢識別等工作。

據介紹,目前HTC已選擇Chirp放置在其VIVE Focus all-in-one VR系統中的頭盔和手柄中,利用多顆6軸超聲波ToF傳感器實現最精確的控制。

在距離測量和物體探測應用中,以前被迫在大尺寸超聲波傳感器與基于激光的紅外ToF傳感器之間選擇的設計師們現在可以受益于新型超聲波傳感器的能力:

- 提供精確、低延時的距離測量結果,測量速度高達每秒采樣100次,位置噪音小于1mm。

- 在人員接近、移動和活動檢測等應用中可實現傳感器始終保持工作狀態,功耗低至15μW。

- 探測物體的視場高達180°,因此一個傳感器就能夠檢測整個房間場景。

- 在所有照明條件下均能完美工作,即使在陽光直射的環境下。

- 可探測任何顏色的物體,包括透明物體,提高了目標物探測能力。

- 通過避免使用基于激光的紅外傳感器來保護眼睛。

江夢雄特別強調,對于TDK的定位來說,最重要的是為客戶提供完整的解決方案,這和Chirp Microsystems的理念相一致,都是為了盡可能的減少設計開發難度。所以公司與高通進行合作,共同為基于驍龍移動XR平臺的移動VR/AR頭顯開發內向外六自由度控制器追蹤。未來,Chirp Microsystems還將和Invensense的MEMS傳感器、指紋識別傳感器以及EPCOS的壓電陶瓷傳感器等結合,提供全傳感器融合的解決方案。


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