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基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能

基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能,并具有业内最低的功耗。这种MEMS超声波飞行时间(ToF)传感器可用于距离测量、位置追踪、人员存在检测以及消费电子、机器人、无人机等领域的避障应用。

Chirp Microsystems(TDK集团成员单位)首席执行官江梦雄(Meng-Hsiung Kiang)表示:超声波ToF传感器通常被认为是适用于汽车、工业以及无人机和机器人应用的最佳测距传感器。相比于光学传感器或红外传感器,它具有诸多优势。它可提供最精确的距离测量,不受目标物体的尺寸或颜色的影响,也不受环境噪音的干扰,并且可以在阳光直射的环境下使用。这些优点以及坚固耐用、精确和可靠的特点让超声波传感器广泛应用于工业及汽车应用。 然而,直至今天,超声波ToF传感器仍需要复杂的信号处理,由于尺寸巨大而无法适用于消费电子产品。

基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能

Chirp Microsystems首席执行官江梦雄

正如TDK在并购Chirp Microsystems时,TDK高级副总裁兼Sensor Systems Business公司首席执行官Noboru Saito所说:“TDK致力于推动汽车、智能手机、健康医疗和工业产业的系统应用增长。我们的愿景是成为物联网应用的运动、声学、环境(气压、温度和湿度)以及超声波传感器的领先解决方案供应商,Chirp Microsystems独一无二的高附加值3D传感技术将完美补充我们的传感器解决方案产品线,帮助TDK成为超声波MEMS技术领域的领导者。我们的目标是继续成为客户最可靠的合作伙伴,为他们所面临的挑战提供解决方案。

千分之一的尺寸,百分之一的功耗

现在,TDK 公司推出了一个基于 MEMS 的微型超声波传感器产品,相比于传统的超声波传感 器,它可以提供相同的性能和可靠性,但其尺寸只有传统产品的千分之一,功耗低至传统产品 的百分之一。这种微型传感器尺寸微小,可以集成到紧凑的消费品中使其具备超声波检测能力, 例如,用于智能手机和可穿戴设备中。测量距离时,这种传感器首先发射超声波脉冲,然后监 听传感器视场范围内目标物的反射回声。每个回声均以声速传播,通过测量回声的飞行时间可 精确地测量传感器至目标物的距离。

基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能

左侧图为MEMS超声波ToF传感器产品,右侧方框图为显示了与压电式MEMS超声换能器(PMUT)相连的SoC

PMUT由于采用了MEMS技术,收发恢复速度都非常快,因此可实现单孔收发。

目前,有两种产品可向客户提供工程样品,即最大传感范围为100cm的CH-101型和最大传感范围为500cm的CH-201长距离型传感器。这些微型装置采用了紧凑的3.5mm x 3.5mm LGA封装,将PMUT与定制的SoC芯片集成在一起,完成了所有超声波ToF传感器信号处理过程。CH-101和CH-201均采用1.8 V电源供电,并具有方便的I2C接口,可方便地集成到消费电子产品中。

基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能

如上图所示的超声波传感器参数,在功耗方面,Chirp Microsystems的技术是传统红外ToF传感器的1/500,非常适合消费类和便携式产品。

高精度距离测量性能和宽视场

尽管尺寸小巧,这种全新的MEMS超声波传感器仍具有卓越的性能。例如,CH-201在120cm处的距离测量信号噪音仅为0.35mm(1σ),是竞品红外ToF传感器噪音的百分之一。此外,CH-101和CH-201可提供视场(FoV)最高可达到180°,因此只需一个部件就能够实现对整个空间范围的检测。还有多种外壳参考设计可供选择,使得客户能通过改变传感器声学端 口周围区域的形状以聚焦和引导超声波束,从而实现所需的水平和垂直视场。

基于MEMS技术的微型硅基声呐器件提供了毫米级精度的距离传感功能

120cm处的距离噪音目标距离,带有窄视场外壳时的视场。CH-201型超声波ToF传感器的距离噪音仅为传统红外ToF传感器的百分之一(左图)。窄视场外壳是可用的参考设计之一,可将该传感器超声波束整形以实现预期的视场(右图)。

超低功耗的片上系统(SoC)控制整个ToF处理过程:发送超声波脉冲,将接收的超声回波数字化,检测ToF到最近目标并通过I2C返回16位ToF信号。SoC使唤醒检测应用能够始终处于工作状态;在每秒1次采样测量的状况下,总电流消耗低至8µA。由于驱动程序采用C语言编写,开发者可以在嵌入式系统中轻松使用CH-101和CH-201。此外,单个微控制器即可控制多个CH-101和CH-201传感器,有助于实现复杂的多传感器测量功能。

极其广泛的潜在应用

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