TDK 全球首款 MEMS 超声波飞行时间 (ToF) 传感器

Michelle Meng-Hsiung Kiang 女士首席执行官
Chirp Microsystems，TDK 集团成员

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 mmLGA 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 120 cm 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。

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：

• 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
• 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
• 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
• 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
• 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
• 通过避免使用基于激光的红外传感器来保护眼睛