全球首款MEMS超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器

超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器通常被認(rèn)為是適用于汽車、工業(yè)以及無人機和機器人應(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。它可提供最精確的距離測量，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)點以及堅固耐用、精確和可靠的特點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，超聲波傳感器仍需要復(fù)雜的信號處理，由于尺寸巨大而無法適用于消費電子產(chǎn)品。

現(xiàn)在，TDK公司推出了一個基于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(shè)備中。測量距離時，這種傳感器首先發(fā)射超聲波脈沖，然后監(jiān)聽傳感器視場范圍內(nèi)目標(biāo)物的反射回聲。每個回聲均以聲速傳播，通過測量回聲的飛行時間可精確地測量傳感器至目標(biāo)物的距離。

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信號處理過程（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

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(FoV)最高可達(dá)到180 °，因此只需一個部件就能夠?qū)崿F(xiàn)對整個空間范圍的檢測。還有多種外殼參考設(shè)計可供選擇，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，從而實現(xiàn)所需的水平和垂直視場。

圖2：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）。窄視場外殼是可用的參考設(shè)計之一，可將傳感器超聲波束整形以實現(xiàn)預(yù)期的視場（右圖）。

超低功耗的片上系統(tǒng) (SoC) 控制整個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ToF到最近目標(biāo)并通過I2C返回16位ToF信號。片上系統(tǒng) (SoC) 使喚醒檢測應(yīng)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(qū)動程序采用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，單個微控制器即可控制多個CH-101和CH-201傳感器，有助于實現(xiàn)復(fù)雜的多傳感器測量功能。

極其廣泛的潛在應(yīng)用

全新的MEMS超聲波傳感器是無人機及機器人等應(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)實和增強現(xiàn)實(VR/AR)系統(tǒng)中，追蹤手持式游戲控制器。智能手機是另一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域：由于CH-101具有寬視場，即使安裝在手機的頂部或底部仍能夠?qū)崿F(xiàn)精確的距離測量，因此設(shè)計師可以省略手機前面的光學(xué)接近傳感器，從而實現(xiàn)手機全面屏設(shè)計。