TDK发布全球首款MEMS超声波飞行时间 (ToF) 传感器

来源:TDK

发布时间:2019年4月2日下午 05:04:38

基于MEMS 的微型“硅芯片声呐”装置提 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 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。

超声波飞行时间 (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距离传感器。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 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。

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。

图 1:MEMS 超声波 传感器的顶面和底面(左图)。此传感 器方框图显示了与压电式MEMS 超声波传感器 (PMUT) 相连的CMOS 片上系统 (SoC)。

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100 cm 的CH-101 型和最大传感范围为500 cm 的CH-201 长距离型传感器。这些微 型装置采用了紧凑的3.5 mm x 3.5 mm TDK Corporation 2 / 3 LGA 封装,将压电式MEMS 超声波传感器(PMUT)与定制的CMOS 片上系统 (SoC) 结合在一起,完成了所有超声波ToF 信号处理过程(图1)。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。

高精度 距离测量性能和宽视场

尽管尺寸微小,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0.35 mm (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。

120cm 处的距离噪音

目标距离

带有窄 视场外壳时的视场

图 2:CH-201 型传感 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。片上系统 (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8 μA。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。

TDK Corporation 3 / 3极其广 泛的潜在应用全新的MEMS 超声波 传感器是无人机及机器人等应用注定要选择的产品,在这类应用中,其它类 型的距离传感器无法提供所需的性能。它们也 是智能音箱等智慧家庭产品的理想选择,在这类应用中,被动红外(PIR)和光学 接近传感器都没有超声波传感器有效。这种微 型超声波传感器还可以精确地追踪目标物,例如,在虚拟 现实和增强现实(VR/AR)系统中,追踪手 持式游戏控制器。智能手 机是另一个重要的应用领域:由于CH-101 具有宽视场,即使安 装在手机的顶部或底部仍能够实现精确的距离测量,因此设 计师可以省略手机前面的光学接近传感器,从而实 现手机全面屏设计。

在距离 测量和物体探测应用中,以前被 迫在大尺寸超声传感器与基于激光的红外ToF 传感器 之间选择的设计师们现在可以受益于新型超声波传感器的能力:

o 提供精确、低延时 的距离测量结果,测量速 度高达每秒采样100 次,位置噪音小于1mm

o 在人员接近、移动和 活动检测等应用中可实现传感器始终保持工作状态,功耗低至15μW

o 探测物体的视场高达180°,因此一 个传感器就能够检测整个房间场景

o 在所有 照明条件下均能完美工作,即使在 阳光直射的环境下

o 可探测 任何颜色的物体,包括透明物体,提高了 目标物探测能力

o 通过避 免使用基于激光的红外传感器来保护眼睛

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