全球首款 MEMS 超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器

基于 MEMS 的微型“硅芯片聲吶”裝置提供了毫米級(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(wú)人機(jī)等領(lǐng)域的避障應(yīng)用。

超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器通常被認(rèn)為是適用于汽車(chē)、工業(yè)以及無(wú)人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用的最佳距離傳感器。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(yáng)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(chē)應(yīng)用。然而，直至今天，超聲波傳感器仍需要復(fù)雜的信號(hào)處理，由于尺寸巨大而無(wú)法適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。

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，然后聽(tīng)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(guò)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。

MEMS 超聲波傳感器的頂面和底面。

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(tǒng) (SoC)。

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 100 cm 的 CH-101 型和最大傳感范圍為 500 cm 的 CH-201 長(zhǎng)距離型傳感器。這些微型裝置采用了緊湊的 3.5 mm x 3.5 mm LGA 封裝，將壓電式 MEMS 超聲波傳感器(PMUT)與定制的 CMOS 片上系統(tǒng) (SoC) 結(jié)合在一起，完成了所有超聲波 ToF 信號(hào)處理過(guò)程（圖 1）。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。

高精度距離測(cè)量性能和寬視場(chǎng)

盡管尺寸微小，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(cè)量信號(hào)噪音僅為 0.35 mm (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(guò)改變傳感器聲學(xué)端口周?chē)鷧^(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)。

CH-201 型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，可將傳感器超聲波束整形以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的視場(chǎng)（右圖）。

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)

超低功耗的片上系統(tǒng) (SoC) 控制整個(gè) ToF 處理過(guò)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(guò) I2C 返回 16 位 ToF 信號(hào)。片上系統(tǒng) (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 8 μA。由于驅(qū)動(dòng)程序采用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)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(wú)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(wú)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(méi)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)。

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 15 μW 

? 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(yáng)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(guò)避免使用基于激光的紅外傳感器來(lái)保護(hù)眼睛