基于MEMS技術(shù)的微型硅基聲吶器件提供了毫米級(jí)精度的距離傳感功能

基于MEMS技術(shù)的微型硅基聲吶器件提供了毫米級(jí)精度的距離傳感功能，并具有業(yè)內(nèi)最低的功耗。這種MEMS超聲波飛行時(shí)間（ToF）傳感器可用于距離測(cè)量、位置追蹤、人員存在檢測(cè)以及消費(fèi)電子、機(jī)器人、無人機(jī)等領(lǐng)域的避障應(yīng)用。

Chirp Microsystems（TDK集團(tuán)成員單位）首席執(zhí)行官江夢(mèng)雄（Meng-Hsiung Kiang）表示：超聲波ToF傳感器通常被認(rèn)為是適用于汽車、工業(yè)以及無人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用的最佳測(cè)距傳感器。相比于光學(xué)傳感器或紅外傳感器，它具有諸多優(yōu)勢(shì)。它可提供最精確的距離測(cè)量，不受目標(biāo)物體的尺寸或顏色的影響，也不受環(huán)境噪音的干擾，并且可以在陽光直射的環(huán)境下使用。這些優(yōu)點(diǎn)以及堅(jiān)固耐用、精確和可靠的特點(diǎn)讓超聲波傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)及汽車應(yīng)用。 然而，直至今天，超聲波ToF傳感器仍需要復(fù)雜的信號(hào)處理，由于尺寸巨大而無法適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。

Chirp Microsystems首席執(zhí)行官江夢(mèng)雄

正如TDK在并購(gòu)Chirp Microsystems時(shí)，TDK高級(jí)副總裁兼Sensor Systems Business公司首席執(zhí)行官Noboru Saito所說：“TDK致力于推動(dòng)汽車、智能手機(jī)、健康醫(yī)療和工業(yè)產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)應(yīng)用增長(zhǎng)。我們的愿景是成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)、聲學(xué)、環(huán)境（氣壓、溫度和濕度）以及超聲波傳感器的領(lǐng)先解決方案供應(yīng)商，Chirp Microsystems獨(dú)一無二的高附加值3D傳感技術(shù)將完美補(bǔ)充我們的傳感器解決方案產(chǎn)品線，幫助TDK成為超聲波MEMS技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。我們的目標(biāo)是繼續(xù)成為客戶最可靠的合作伙伴，為他們所面臨的挑戰(zhàn)提供解決方案。

千分之一的尺寸，百分之一的功耗

現(xiàn)在，TDK 公司推出了一個(gè)基于 MEMS 的微型超聲波傳感器產(chǎn)品，相比于傳統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)品的千分之一，功耗低至傳統(tǒng)產(chǎn)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(fèi)品中使其具備超聲波檢測(cè)能力， 例如，用于智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備中。測(cè)量距離時(shí)，這種傳感器首先發(fā)射超聲波脈沖，然后監(jiān) 聽傳感器視場(chǎng)范圍內(nèi)目標(biāo)物的反射回聲。每個(gè)回聲均以聲速傳播，通過測(cè)量回聲的飛行時(shí)間可 精確地測(cè)量傳感器至目標(biāo)物的距離。

左側(cè)圖為MEMS超聲波ToF傳感器產(chǎn)品，右側(cè)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(shù)，收發(fā)恢復(fù)速度都非常快，因此可實(shí)現(xiàn)單孔收發(fā)。

目前，有兩種產(chǎn)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(zhǎng)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(hào)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(fèi)電子產(chǎn)品中。

如上圖所示的超聲波傳感器參數(shù)，在功耗方面，Chirp Microsystems的技術(shù)是傳統(tǒng)紅外ToF傳感器的1/500，非常適合消費(fèi)類和便攜式產(chǎn)品。

高精度距離測(cè)量性能和寬視場(chǎng)

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(cè)量信號(hào)噪音僅為0.35mm（1σ），是競(jìng)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(chǎng)（FoV）最高可達(dá)到180°，因此只需一個(gè)部件就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整個(gè)空間范圍的檢測(cè)。還有多種外殼參考設(shè)計(jì)可供選擇，使得客戶能通過改變傳感器聲學(xué)端 口周圍區(qū)域的形狀以聚焦和引導(dǎo)超聲波束，從而實(shí)現(xiàn)所需的水平和垂直視場(chǎng)。

120cm處的距離噪音目標(biāo)距離，帶有窄視場(chǎng)外殼時(shí)的視場(chǎng)。CH-201型超聲波ToF傳感器的距離噪音僅為傳統(tǒng)紅外ToF傳感器的百分之一（左圖）。窄視場(chǎng)外殼是可用的參考設(shè)計(jì)之一，可將該傳感器超聲波束整形以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的視場(chǎng)（右圖）。

超低功耗的片上系統(tǒng)（SoC）控制整個(gè)ToF處理過程：發(fā)送超聲波脈沖，將接收的超聲回波數(shù)字化，檢測(cè)ToF到最近目標(biāo)并通過I2C返回16位ToF信號(hào)。SoC使喚醒檢測(cè)應(yīng)用能夠始終處于工作狀態(tài)；在每秒1次采樣測(cè)量的狀況下，總電流消耗低至8μA。由于驅(qū)動(dòng)程序采用C語言編寫，開發(fā)者可以在嵌入式系統(tǒng)中輕松使用CH-101和CH-201。此外，單個(gè)微控制器即可控制多個(gè)CH-101和CH-201傳感器，有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多傳感器測(cè)量功能。

極其廣泛的潛在應(yīng)用

全新的MEMS超聲波傳感器是無人機(jī)及機(jī)器人等應(yīng)用注定要選擇的產(chǎn)品，在這類應(yīng)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(chǎn)品的理想選擇，在這類應(yīng)用中，被動(dòng)紅外（PIR）和光學(xué)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(biāo)物，例如，在虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）系統(tǒng)中，追蹤手持式游戲控制器。智能手機(jī)是另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域：由于CH-101具有寬視場(chǎng)，即使安裝在手機(jī)的頂部或底部仍能夠?qū)崿F(xiàn)精確的距離測(cè)量，因此設(shè)計(jì)師可以省略手機(jī)前面的光學(xué)接近傳感器，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)全面屏設(shè)計(jì)。

根據(jù)Chirp Microsystems提供的Demo演示，產(chǎn)品可以安裝到到智能手表側(cè)面或者筆記本中，實(shí)現(xiàn)用戶檢測(cè)或者手勢(shì)識(shí)別等工作。

據(jù)介紹，目前HTC已選擇Chirp放置在其VIVE Focus all-in-one VR系統(tǒng)中的頭盔和手柄中，利用多顆6軸超聲波ToF傳感器實(shí)現(xiàn)最精確的控制。

在距離測(cè)量和物體探測(cè)應(yīng)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(shè)計(jì)師們現(xiàn)在可以受益于新型超聲波傳感器的能力：

- 提供精確、低延時(shí)的距離測(cè)量結(jié)果，測(cè)量速度高達(dá)每秒采樣100次，位置噪音小于1mm。

- 在人員接近、移動(dòng)和活動(dòng)檢測(cè)等應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)傳感器始終保持工作狀態(tài)，功耗低至15μW。

- 探測(cè)物體的視場(chǎng)高達(dá)180°，因此一個(gè)傳感器就能夠檢測(cè)整個(gè)房間場(chǎng)景。

- 在所有照明條件下均能完美工作，即使在陽光直射的環(huán)境下。

- 可探測(cè)任何顏色的物體，包括透明物體，提高了目標(biāo)物探測(cè)能力。

- 通過避免使用基于激光的紅外傳感器來保護(hù)眼睛。

江夢(mèng)雄特別強(qiáng)調(diào)，對(duì)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(shè)計(jì)開發(fā)難度。所以公司與高通進(jìn)行合作，共同為基于驍龍移動(dòng)XR平臺(tái)的移動(dòng)VR/AR頭顯開發(fā)內(nèi)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(shí)別傳感器以及EPCOS的壓電陶瓷傳感器等結(jié)合，提供全傳感器融合的解決方案。