全球首款業內最低的功耗MEMS 超聲波傳感器 可提供毫米級精度的距離

2020-12-04 電子發燒友

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

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。

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）。

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 mmLGA 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 120cm 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。

120cm 處的距離噪音目標距離帶有窄視場外殼時的視場

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 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

• 通過避免使用基於雷射的紅外傳感器來保護眼睛

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 基於MEMS 的「矽晶片聲納」超聲波ToF傳感器擴大了感應範圍
    通過基於超聲波飛行時間（ToF）計算的距離，傳感器可以確定某一物體相對於器件的位置，同時觸發程序設計行為。5UFednc日本TDK的MEMS超聲波技術利用3.5mm×3.5mm封裝的自研ToF傳感器，並在定製的低功耗混合信號CMOSASIC上結合了MEMS超聲換能器和節能數位訊號處理器（DSP）。
  • 功耗僅60μA,隔空智能發布全球首款超低功耗微波雷達傳感器AT5815
    在本次論壇上，隔空（上海）智能科技有限公司（以下簡稱「隔空智能」）發布了全球首款超低功耗微波雷達傳感器AT5815。雷達（RADAR）即用無線電波探測和測距。而雷達所能探測到的信息主要取決於雷達的功能和其所支持的運行模式。
  • 超聲波傳感器可即時測量員工之間的距離
    作為一種可準確測量員工之間距離的手段，基於超聲波傳感器*1 技術的解決方案引起了人們的關注。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202011/420729.htm在企業中確保社交距離為了防止傳染性疾病的傳播，與他人保持安全距離並最大程度減少接觸是十分必要的。
  • Acconeer超低功耗PCR雷達傳感器開啟晶片化時代
    打開APP Acconeer超低功耗PCR雷達傳感器開啟晶片化時代 發表於 2018-09-29 09:55:00 　　全球首款超低功耗
  • 超聲波避障傳感器及超聲波測距傳感器在機器人中的應用
    當然，這就產生了多傳感器信息的融合處理的問題，增大了信息處理的工作量和難度。除了這種傳感器避障方法，還有很多其他方法融合處理多種傳感器信息，讓全自主機器人實現完美避障，比如：超聲波聲波避障控制法能夠實時監測長距離超聲波傳感器，為機器人搜索開闊路徑。當機器人離障礙物還有一定距離時，超聲波傳感器就能夠檢測到相關信息，並據此控制機器人離開。
  • 超聲波傳感器應用場景案例分析
    他們還可以滿足不同的應用需求，因此超聲波傳感器的多樣化應用領域可歸納為以下幾個方面：液體或物料的液位/料位測量、行人檢測、機器人避障/防護、以及AVG檢測等。本文主要圍繞超聲波傳感器應用場景案例提供相對應的解決方案。
  • 基於超聲波傳感器的社交距離解決方案
    作為一種可準確測量員工之間距離的手段，基於超聲波傳感器*1 技術的解決方案引起了人們的關注。 在企業中確保社交距離 為了防止傳染性疾病的傳播，與他人保持安全距離並最大程度減少接觸是十分必要的。對企業來說，降低那些會危及供應鏈、企業聲譽和生產力的感染風險也非常重要，更不用說創造一個讓員工安心工作的環境了。
  • 搭載全球首款集成三軸加速度計的單晶片傳感器
    打開APP 搭載全球首款集成三軸加速度計的單晶片傳感器 發表於 2019-05-06 10:59:47 傳感器的融合是未來發展必然的趨勢
  • 擁抱Hot級應用場景,ADI這樣玩轉MEMS傳感器
    7IZednc因此，自動駕駛領域的導航系統精度無法只通過高精度衛星來保障，基於MEMS傳感器技術的慣性測量單元（IMU）才是保障自動駕駛的最後一道屏障。因為無論是攝像頭、毫米波雷達、雷射雷達，還是衛星導航定位，都會受到外部環境的影響，只有基於IMU的慣性導航能夠完全不受外界環境的影響地為自動駕駛系統提供連續、高精度、高可靠的車輛位置、方向、速度等多維度的信息，保障車輛的安全行駛。
  • 一公司推出1mm精度超聲波ToF手勢識別
    手勢控制換能器是壓電微加工超聲換能器（PMUT），可以把傳送至傳感器膜結構上的超聲壓力轉換成電信號。因為換能器不使用類似於常規壓電傳感器的背板，所以膜結構的運動沒有嚴格的限制，從而可實現更高質量的信號。Chirp的FoT傳感器將PMUT與專有的超低功耗、混合信號的集成電路結合在一起，以處理飛行時間計算。
  • mems傳感器現狀_mems傳感器製作工藝
    打開APP mems傳感器現狀_mems傳感器製作工藝 網絡整理 發表於 2019-12-25 10:03:09 　　mems傳感器研究現狀 　　1、微機械壓力傳感器 　　微機械壓力傳感器是最早開始研製的微機械產品，也是微機械技術中最成熟、最早開始產業化的產品。
  • 油罐常用的液位測量儀「超聲波液位傳感器」有哪些優勢?
    ，每種測量儀表都有其自身的優點及適合應用工況罐區液位儀表的發展趨勢是高精度、多功能、高度自動化的方向發展，並且一些罐區包含給生產裝置供料的任務，因此必須要有較高測量精度及自動化程度下面介紹一下超聲波液位傳感器在油罐檢測中相關的應用。
  • 超聲波測距傳感器在礦用機車上的應用
    近年來，使超聲波測距系統在提高有效作用距離的同時，相應提高測量精度與抗幹擾能力，成為超聲波測距技術的又一個重要研究方向。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸的基本物理特性，超聲波測距就是利用其反射特性來工作的。超聲波發射器不斷發出一系列連續脈衝（比如30 kHz的超聲波），並給測量邏輯電路提供一個短脈衝。超聲波接收器則在接收到所發射超聲波遇障礙物反射回來的反射波後，也向測量邏輯電路提供一個短脈衝，再利用雙穩電路把上述兩個短脈衝轉化為一個方波脈衝。方波脈衝的寬度即為兩個短脈衝之間的時間間隔。
  • MEMS電磁傳感器匯總分析 磁傳感器廠家解析
    這款產品將14位加速度傳感器和16位磁力計與高性能ASIC結合在一起構建電子羅盤解決方案，典型的方向解析度為0.1°，羅盤方位精度誤差小於5°，可滿足很多應用。 主要目標產品有智慧型手機、平板電腦。  2、Allegro  ATS19580   這是業內首款完全集成的、背磁（back-biased）巨磁阻（GMR）變速箱速度和方向傳感器。
  • mems傳感器有啥優點
    打開APP mems傳感器有啥優點 網絡整理 發表於 2019-12-25 10:21:25 　　mems傳感器有啥優點 　　MEMS是指可批量製作的，將微型機構、微型傳感器、微型執行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等集成於一塊或多塊晶片上的微型器件或系統。
  • 超聲波傳感器在AGV機器人中的應用詳解
    打開APP 超聲波傳感器在AGV機器人中的應用詳解 工採網 發表於 2020-11-30 11:35:28 為提升AGV機器人技術以及AGV小車在運行過程的安全工採網推薦使用MaxBotix 超聲波避障傳感器 - MB1043。
  • 愛奇藝奇遇VR將發布奇遇3,可對標Oculus Quest2
    奇遇VR本次推出的追光CV頭手6DoF交互技術方案，由奇遇VR團隊自主研發，實現了毫米級定位精度、毫秒級初始化速度和毫秒級延遲速度，相較於電磁、超聲波、紅外雷射等傳統技術方案，追光在精度、延時、部署便利性、舒適性、跟蹤FoV以及功耗等多個維度具備綜合優勢。CV是計算機視覺技術的簡稱，是一門讓智能設備學會「看」的科學。
  • 深迪發布中國首款消費級商用三軸MEMS陀螺儀
    ,Ltd)正式發布其首款三軸微機電（MEMS）陀螺儀產品，ST200G。這是中國首款完全擁有自主智慧財產權的消費級商用三軸MEMS陀螺儀。它繼深迪2009年底發布中國首款消費級商用單軸MEMS陀螺儀SSZ0304CN打破國內消費電子廠商100%依賴進口陀螺儀晶片之後，又一款裡程碑的產品，並宣告中國自主智慧財產權的消費級MEMS陀螺儀進入三軸時代。
  • 半導體mems企業有哪些_國內十大半導體mems企業排行榜
    ，現已成為全球領先的通信、I T消費類電子市場的一體化微型元器件整體解決方案供貨商， 為客戶提供聲學、觸控反饋、無線射頻及光學的創新技術解決方案。公司研發了擁有完全自主智慧財產權的先進的MEMS工藝和集成技術，專注於為消費電子及汽車電子市場設計和生產低成本、高性價比、低功耗、小尺寸的商用MEMS陀螺儀晶片，並為客戶提供各種全面的應用解決方案和極其優質的服務。
  • 艾邁斯半導體創新推出全球最高精度的數字溫度傳感器,適用於可穿戴...
    全球領先的高性能傳感器解決方案供應商艾邁斯半導體（ams AG）近日宣布推出全球最高精度的數字溫度傳感器AS6221。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202012/420867.htmAS6221可在20°C至42°C的溫度範圍內實現±0.09°C的測量精度，適合測量人體及皮膚溫度。而當今市場上，尚未有任何其他同類數字溫度傳感器能夠實現優於±0.10°C測量精度。