基于 MEMS 的微型“硅芯片聲吶”裝置提供了毫米級精度的距離傳感功能，并具有業(yè)內最低的功耗。這種 MEMS 超聲波傳感器可用于距離測量、位置追蹤、人員存在檢測以及消費電子、機器人、無(wú)人機等領(lǐng)域的避障應用。
超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器通常被認為是適用于汽車(chē)、工業(yè)以及無(wú)人機和機器人應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。它可提供最精確的距離測量， 不受目標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)以及堅固耐用、精確和可靠的特點(diǎn)讓超聲波傳感器廣泛應用于工業(yè)及汽車(chē)應用。 然而，直至今天，超聲波傳感器仍需要復雜的信號處理，由于尺寸巨大而無(wú)法適用于消費電子產(chǎn)品。
千分之一的尺寸，百分之一的功耗
現在，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，但其尺寸只有傳統產(chǎn)品的千分之一，功耗低至傳統產(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品中使其具備超聲波檢測能力，例如，用于智能手機和可穿戴設備中。測量距離時(shí)，這種傳感器首先發(fā)射超聲波脈沖，然后監 聽(tīng)傳感器視場(chǎng)范圍內目標物的反射回聲。每個(gè)回聲均以聲速傳播，通過(guò)測量回聲的飛行時(shí)間可精確地測量傳感器至目標物的距離。
圖1：MEMS 超聲波傳感器的頂面和底面（左圖）。
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(SoC)。
目前，有兩種產(chǎn)品可向客戶(hù)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(cháng)距離型傳感器。這些微型裝置采用了緊湊的 3.5 mm x 3.5 mmLGA 封裝，將壓電式 MEMS 超聲波傳感器(PMUT)與定制的 CMOS 片上系統 (SoC) 結合在一起，完成了所有超聲波 ToF 信號處理過(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電子產(chǎn)品中。
高精度距離測量性能和寬視場(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 處的距離測量信號噪音僅為 0.35 mm (1σ)，是競品紅外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)最高可達到 180 °，因此只需一個(gè)部件就能夠實(shí)現對整個(gè)空間范圍的檢測。還有多種外殼參考設計可供選擇，使得客戶(hù)能通過(guò)改變傳感器聲學(xué)端口周?chē)鷧^域的形狀以聚焦和引導超聲波束，從而實(shí)現所需的水平和垂直視場(chǎng)。
120cm 處的距離噪音
目標距離
帶有窄視場(chǎng)外殼時(shí)的視場(chǎng)
圖 2：CH-201 型傳感器的距離噪音僅為傳統紅外 ToF 傳感器的百分之一（左圖）。
窄視場(chǎng)外殼是可用的參考設計之一，可將傳感器超聲波束整形以實(shí)現預期的視場(chǎng)（右圖）。
超低功耗的片上系統 (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字化，檢測 ToF 到最近目標并通過(guò) I2C 返回 16 位 ToF 信號。片上系統 (SoC) 使喚醒檢測應用能夠始終處于工作狀態(tài)；在每秒 1 次采樣測量的狀況下，總電流消耗低至 8 µA。由于驅動(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)現復雜的多傳感器測量功能。
極其廣泛的潛在應用
全新的 MEMS 超聲波傳感器是無(wú)人機及機器人等應用注定要選擇的產(chǎn)品，在這類(lèi)應用中，其它類(lèi)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(lèi)應用中，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物，例如，在虛擬現實(shí)和增強現實(shí)(VR/AR)系統中，追蹤手持式游戲控制器。智能手機是另一個(gè)重要的應用領(lǐng)域：由于 CH-101 具有寬視場(chǎng)，即使安裝在手機的頂部或底部仍能夠實(shí)現精確的距離測量，因此設計師可以省略手機前面的光學(xué)接近傳感器，從而實(shí)現手機全面屏設計。
在距離測量和物體探測應用中，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計師們現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)的距離測量結果，測量速度高達每秒采樣100次，位置噪音小于1mm
• 在人員接近、移動(dòng)和活動(dòng)檢測等應用中可實(shí)現傳感器始終保持工作狀態(tài)，功耗低至15µW
• 探測物體的視場(chǎng)高達 180°，因此一個(gè)傳感器就能夠檢測整個(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
• 可探測任何顏色的物體，包括透明物體，提高了目標物探測能力
• 通過(guò)避免使用基于激光的紅外傳感器來(lái)保護眼睛 |
