全球首款MEMS超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器

2020-12-20 電子發燒友

全球首款MEMS超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器

Triquinne 發表於 2019-04-12 20:23:17

基於MEMS的微型「矽晶片聲吶」裝置提供了毫米級精度的距離傳感功能，並具有業內最低的功耗。這種MEMS超聲波傳感器可用於距離測量、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。

超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器通常被認為是適用於汽車、工業以及無人機和機器人應用的最佳距離傳感器。相比於光學傳感器或紅外傳感器，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，也不受環境噪音的幹擾，並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於工業及汽車應用。然而，直至今天，超聲波傳感器仍需要複雜的信號處理，由於尺寸巨大而無法適用於消費電子產品。

千分之一的尺寸，百分之一的功耗


圖1：MEMS超聲波傳感器的頂面和底面（左圖）。此傳感器方框圖顯示了與壓電式MEMS超聲波傳感器 (PMUT) 相連的CMOS片上系統 (SoC)。

現在，TDK公司推出了一個基於MEMS的微型超聲波傳感器產品，相比於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，用於智慧型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衝，然後監聽傳感器視場範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。

目前，有兩種產品可向客戶提供工程樣品，即最大傳感範圍為100 cm的CH-101型和最大傳感範圍為500 cm的CH-201長距離型傳感器。這些微型裝置採用了緊湊的3.5 mm x 3.5 mm LGA封裝，將壓電式MEMS超聲波傳感器(PMUT)與定製的CMOS片上系統 (SoC) 結合在一起，完成了所有超聲波ToF信號處理過程（圖1）。CH-101和CH-201均採用1.8 V電源供電，並具有方便的I2C接口，可方便地集成到消費電子產品中。

高精度距離測量性能和寬視場

儘管尺寸微小，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120 cm處的距離測量信號噪音僅為0.35 mm (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範圍的檢測。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埠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。

圖2：CH-201型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：發送超聲波脈衝，將接收的超聲回波數位化，檢測ToF到最近目標並通過I2C返回16位ToF信號。片上系統 (SoC) 使喚醒檢測應用能夠始終處於工作狀態；在每秒1次採樣測量的狀況下，總電流消耗低至8 µA。由於驅動程序採用C語言編寫，開發者可以在嵌入式系統中輕鬆使用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，有助於實現複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註定要選擇的產品，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，在虛擬實境和增強現實(VR/AR)系統中，追蹤手持式遊戲控制器。智慧型手機是另一個重要的應用領域：由於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。

在距離測量和物體探測應用中，以前被迫在大尺寸超聲傳感器與基於雷射的紅外ToF傳感器之間選擇的設計師們現在可以受益於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，測量速度高達每秒採樣100次，位置噪音小於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15 µW

  • 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

  • 通過避免使用基於雷射的紅外傳感器來保護眼睛


 

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