一個基于芯片式氮化鋁（AlN）超聲波換能器的發(fā)射與接收系統(tǒng)

據(jù)麥姆斯咨詢報道，茂丞科技與北京大學深圳研究生院信息工程學院金玉豐教授團隊、廈門大學機電工程系馬盛林教授團隊共同研究，「A Novel Ultrasonic TOF Ranging System Using AlN Based PMUTs」成果，獲發(fā)表于國際知名MEMS微機電期刊－micromachines。（micromachines 2021， 12（3）， 284.）。

圖1 micromachines期刊發(fā)表首頁

本文介紹：我們設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于芯片式氮化鋁（AlN）超聲波換能器的發(fā)射與接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)50cm的測距范圍和1mm的精度，基于此研究基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)超近距離檢測高精度應(yīng)用環(huán)境，茂丞科技進一步研制了超高頻率的陣列式氮化鋁超聲波換能器JMS812。

圖2 茂丞科技JMS812陣列式氮化鋁超聲波換能器

日常生活中物質(zhì)的性質(zhì)決定了我們處理它們的方式，就像掃地機器人制定清潔計劃一樣，它需要識別地板的材質(zhì)，如木頭、玻璃、瓷磚或地毯，以決定是否需要用水來拖地、是否需要加強動力以避免被困，是否需要加強吸塵清潔效率等等。近年來對材料識別的研究主要集中在圖像識別、熱識別、渦流識別和超聲回波信號識別等方面，圖像識別的使用識別準確度與物體的顏色形狀以及環(huán)境光的強度有關(guān)，同時圖像識別運算速度慢且耗電。熱識別基于熱傳導原理，當恒溫傳感器與目標材料接觸時，接觸表面瞬間達到相同的溫度，通過分析物體的溫度變化曲線，可以識別物體的材料特性，使用識別準確度易受環(huán)境溫度影響。而渦流法只能識別金屬材料而無法識別地毯。與這些方法相比，基于超聲回波信號識別技術(shù)可以無差別的對物體進行有效識別，且不受環(huán)境光照、溫度和物體外觀特征的影響。

基于超聲回波信號識別技術(shù)中，超聲波換能器器件可分為傳統(tǒng)壓電陶瓷技術(shù)，以及采用微機電系統(tǒng)（MEMS）工藝制造的新型壓電氮化鋁超聲波換能器（AlN PMUT）技術(shù)。傳統(tǒng)壓電陶瓷超聲波換能器其空氣與壓電陶瓷的聲阻抗比約為1:105，這種阻抗失配會導致壓電陶瓷換能器的傳輸效率極低，一般通過在傳感器和介質(zhì)之間添加耦合介質(zhì)，以減少阻抗失配提高傳輸效率，但這是以降低帶寬為代價。而新型氮化鋁超聲波換能器，是利用壓電薄膜的彎曲將超聲波傳輸?shù)降妥杩菇橘|(zhì)中，由于氮化鋁薄膜比壓電陶瓷塊體具有更大的柔韌性，有效聲阻抗遠低于壓電陶瓷超聲換能器的特性阻抗，而具有更好的傳輸效率。

超聲回波信號識別材料技術(shù)原理，是利用兩種不同材料之間的阻抗差異，來實現(xiàn)超聲識別，阻抗差異越大，在它們之間的邊界反射的聲波比例就越大，材料的反射系數(shù)由材料本身的特性決定，因此，可以從反射系數(shù)進行分析，以獲得材料本身的特性，進而對材料進行識別。

表1 茂丞科技JMS812材料識別實驗

如表1所示。用不同材料、不同厚度的物體材質(zhì)進行識別實驗。大理石地板、瀝青聚丙烯、PVC聚丙烯、聚氯乙烯尼龍、瀝青聚丙烯、軟毛等六種材料分別作為待測物體，與JMS812 PMUT陣列的距離固定為3.5 cm，采用相同的脈沖作為驅(qū)動激勵，記錄超聲波的接收時間和接收電壓幅值。從識別實驗結(jié)果可知，隨著地毯厚度的增加，地毯表面與JMS812 PMUT陣列之間的距離減小，因此接收時間相應(yīng)縮短。在不同物體材質(zhì)，也能得到不同的接受電壓幅值，進而從不同的電壓值進行物體材質(zhì)識別。

圖3 茂丞科技和樂動機器人宣布戰(zhàn)略合作

茂丞科技總經(jīng)理邱奕翔及新瑞杰科技董事長荊溪瑞一行，與樂動機器人總經(jīng)理郭蓋華、首席技術(shù)官李少海等暢敘戰(zhàn)略合作，并就超聲波傳感器項目進度、戰(zhàn)略目標展開深入研討。深圳樂動機器人有限公司是一家專注于機器人、人工智能以及相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)，生產(chǎn)和全球銷售的國家高新技術(shù)企業(yè)，樂動擁有超過300項人工智能和機器人技術(shù)核心知識產(chǎn)權(quán)，專利300+項、發(fā)明專利200+項，全球布局的知識產(chǎn)權(quán)體系覆蓋機器人環(huán)境重構(gòu)與識別、機器視覺、深度學習及人工智能等相關(guān)核心領(lǐng)域，全球已有上百家頂級機器人和人工智能企業(yè)選擇與樂動機器人合作。2018公司獲評最具影響力機器人公司，贏得中國高價值專利獎，團隊先后承擔多個廣東省和深圳市科技攻關(guān)項目， 核心團隊入選深圳高層次人才計劃。

茂丞科技與樂動機器人雙方正式簽署獨家戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，助力茂丞科技芯片式超聲波傳感器在清潔機器人市場上的應(yīng)用，根據(jù)協(xié)議，雙方結(jié)合各自優(yōu)勢，重點推進JMS812超聲波傳感器，在清潔機器人的材質(zhì)識別、沿邊、防墜等應(yīng)用領(lǐng)域開展合作。

目前合作推出LD22超聲波傳感器模塊解決方案，解決了傳統(tǒng)傳感器測距受透明度、顏色和噪音影響的問題，即使在陽光直射下也可使用，且毫米級高精度準距離感測，低功率、微小體積等特點為客戶產(chǎn)品的硬件重新布局提供了絕對優(yōu)勢，利用超聲波在不同表面回波信號的能量差異來實現(xiàn)材質(zhì)的識別，從而獲取地面信息，通過IO模式輸出高低電平來區(qū)分軟硬材質(zhì)。同時，該傳感器配備有串口模式，輸出毫米級精度距離信息，以及回波強度信息，用戶可根據(jù)回波信息自行實現(xiàn)對特殊場景的性能優(yōu)化。

圖4 LD22超聲波傳感器模塊解決方案

樂動機器人總經(jīng)理郭蓋華表示：“作為國內(nèi)傳感器領(lǐng)先企業(yè)，傳感器始終是樂動機器人的核心業(yè)務(wù)，一直以來，樂動機器人以“傳感器+算法+云服務(wù)”為核心戰(zhàn)略，旨在為客戶提供更多的場景應(yīng)用和解決方案。此次合作帶來了尺寸更小且易于安裝、地毯識別準確率高、接口簡單的傳感器解決方案。”

茂丞科技總經(jīng)理邱奕翔表示：“作為國內(nèi)第一家具八吋晶圓量產(chǎn)能力的氮化鋁超聲波換能器公司，一直致力于努力填補國內(nèi)此產(chǎn)品領(lǐng)域空白，我們與樂動機器人的合作是我們創(chuàng)新器件關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)又一例證，雙方合作推出超聲波傳感器模塊解決方案，將使我們的OEM廠商能更加便捷設(shè)計和開發(fā)前沿的產(chǎn)品。期待進一步加強和樂動機器人在掃地機器人、教育機器人、服務(wù)機器人等領(lǐng)域的創(chuàng)新合作，顛覆掃地機器人的相關(guān)技術(shù)，為客戶帶來更好的性能體驗。

茂丞科技（深圳）有限公司簡介：

2017年，茂丞科技針對AlN（氮化鋁）壓電微機械超聲波換能器（pMUT， Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer）展開前沿探索研究，在新結(jié)構(gòu)器件關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)方面取得重要進展，實現(xiàn)八吋硅圓片生產(chǎn)工藝的器件流片，取得較高的超聲波機電轉(zhuǎn)換效率以及成本競爭優(yōu)勢。

階段成果在多個國際學術(shù)會議上進行發(fā)表與交流，如ICEPT 2018、IEEE-NEMS 2019、ECTC 2019、ICEPT 2019等，并獲2018電子封裝技術(shù)國際會議最佳論文獎，2019國際電子元器件技術(shù)會議口頭報告。在氮化鋁超聲波換能器科技創(chuàng)新上擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，至今已獲授權(quán)二件中國大陸專利（ZL 201710803335.0、ZL 201922293014.8）、七件中國臺灣專利（I661493、I702741、I675498、I692888、I712190、I700756、M 595789），一件美國發(fā)明專利（US10657349）。

前沿技術(shù)創(chuàng)新曾獲創(chuàng)新南山2019創(chuàng)業(yè)之星大賽IC與智能傳感專業(yè)賽成長企業(yè)組三等獎、2020明石杯微納傳感技術(shù)與智能應(yīng)用大賽三等獎、2020中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（廣東賽區(qū)）港澳臺賽綜合行業(yè)成長企業(yè)組二等獎、2020中國（深圳）集成電路峰會獲頒「優(yōu)秀芯片創(chuàng)新產(chǎn)品」獎。

茂丞科技（深圳）公司為深圳市微米納米技術(shù)學會會員單位，以微小化、節(jié)能、功能精細敏銳及便利使用為原則，致力于新一代芯片級超聲波換能器技術(shù)研發(fā)及商品化。

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