Первые интегральные ультразвуковые датчики расстояния

Ультразвуковые датчики широко используются в автомобильных парктрониках, в профессиональных квадракоптерах, роботах и т.д. Эти сенсоры имеют целый ряд преимуществ перед оптическими системами, в частности, они не боятся внешних источников освещения и способны работать при ярком дневном свете. В то же время у них есть и недостатки, например, значительные габариты. Однако ситуация может измениться уже в ближайшее время. Недавно компания Chirp Microsystems анонсировала выпуск первых ультразвуковых интегральных МЭМС-датчиков CH-101 и CH-201 размером всего 3,5 x 3,5 x 1,25 мм.
2374
В избранное

Ультразвуковые датчики широко используются в автомобильных парктрониках, в профессиональных квадракоптерах, роботах и т.д. Эти сенсоры имеют целый ряд преимуществ перед оптическими системами, в частности, они не боятся внешних источников освещения и способны работать при ярком дневном свете. В то же время у них есть и недостатки, например, значительные габариты. Однако ситуация может измениться уже в ближайшее время. Недавно компания Chirp Microsystems анонсировала выпуск первых ультразвуковых интегральных МЭМС-датчиков CH-101 и CH-201 размером всего 3,5 x 3,5 x 1,25 мм.

Принцип работы ультразвуковых сенсоров основан на измерении времени пролета ультразвуковых волн (Time of flight, ToF) (рис. 1). Датчик генерирует периодические импульсы ультразвука (прямая волна). При столкновении с объектом волна отражается и возвращается обратно к датчику (отраженная волна), где регистрируется приемником. Так как скорость распространения звука известна, то, измерив время пролета ToF, можно рассчитать расстояние до объекта. Такой подход имеет свои достоинства и недостатки.

Ультразвуковые датчики расстояния выполняют измерение времени пролета прямого и отраженного ультразвука

Рис. 1. Ультразвуковые датчики расстояния выполняют измерение времени пролета прямого и отраженного ультразвука

С одной стороны, ультразвуковые сенсоры, в отличие от оптических датчиков, абсолютно устойчивы к внешним источникам света и не создают проблем при любом уровне освещения. С другой стороны, точность ультразвуковых сенсоров зависит от внешних шумов и параметров среды, которые влияют на скорость звука. Кроме того, ультразвуковые сенсоры имеют достаточно крупные габариты. Если с первыми двумя недостатками можно бороться с помощью методов цифровой обработки сигналов, то уменьшить физический размер сенсоров оказывается достаточно сложно.

В качестве примера можно привести ультразвуковые датчики компании MaxBotix (рис. 2). К услугам разработчиков предлагается широкий выбор сенсоров с различными параметрами и корпусными исполнениями. Однако все они оказываются достаточно крупными.

Многообразие ультразвуковых датчиков на примере продукции компании Maxbotix

Рис. 2. Многообразие ультразвуковых датчиков на примере продукции компании Maxbotix

Традиционный ультразвуковой датчик сложно представить в составе смартфона. Однако ситуация может измениться в ближайшее время, так как на рынке уже появляются первые интегральные ультразвуковые сенсоры, например, CH-101 и CH-201 от Chirp Microsystems (рис. 3).

Размеры датчиков CH-101 и CH-201 составляют всего 3,5 x 3,5 x 1,25 мм

Рис. 3. Размеры датчиков CH-101 и CH-201 составляют всего 3,5 x 3,5 x 1,25 мм

Chirp Microsystems является подразделением одного из крупнейших игроков на рынке МЭМС-сенсоров – компании TDK-InvenSense. Под крылом мощного производителя Chirp Microsystems продолжает развивать идеи, разработанные еще в техасском Университете.

О появлении сверхкомпактных интегральных ультразвуковых МЭМС-сенсоров компания Chirp Microsystems объявила еще в 2017 году. Сейчас, судя по новостным сообщениям, подготовка к серийному производству датчиков CH-101 и CH-201 находится на завершающей стадии.

Главной особенностью CH-101 и CH-201 является использование МЭМС-технологии для формирования интегрального пьезоэлектрического трансдьюсора PMUT (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer) прямо на кристалле микросхемы (рис. 4).

PMUT – ключевой блок для новых датчиков

Рис. 4. PMUT – ключевой блок для новых датчиков

Новые датчики CH-101 и CH-201 обещают целый ряд преимуществ, большая часть из которых является прямым следствием «интегральной» природы сенсоров.

Первое, что привлекает внимание, конечно же, габариты. Датчики CH-101 и CH-201 представлены в 8-выводном корпусе LGA размером всего 3,5 x 3,5 x 1,25 мм. Стоит ли говорить, что это в десятки раз меньше, чем традиционные ультразвуковые сенсоры.

Во-вторых, CH-101 и CH-201 – это не просто интегральный ультразвуковой трансдьюсор, а законченная измерительная система (рис. 5). В состав датчиков кроме PMUT входит целый ряд других блоков, в том числе АЦП, модулятор, DSP-процессор, контроллер, память и коммуникационный интерфейс I2C.

Структурная схема датчиков CH-101 и CH-201

Рис. 5. Структурная схема датчиков CH-101 и CH-201

В-третьих, благодаря цифровому управлению у пользователя появляется возможность программной настройки параметров датчиков: скорости измерений, мощности излучения и т.д. Датчик CH-101 имеет максимальный радиус действия до 1,25 м, а для CH-201 максимальное расстояние до объекта достигает 5 м. Частота измерений для CH-101 составляет 1…100 Гц, а для CH-201 – 1…30 Гц.

В-четвертых, уровень потребления для CH-101 и CH-201 оказывается примерно в 500 раз меньше, чем у традиционных ультразвуковых сенсоров. Так, при частоте измерений 1 Гц и максимальном удалении объекта, потребление CH-101 составляет всего 12 мкА, а потребление CH-201 – 20 мкА. При увеличении частоты измерений до 30 Гц ток потребления возрастает до 110 мкА для CH-101 и до 330 мкА для CH-201.

В-пятых, в отличие от узконаправленных оптических сенсоров угол обзора для CH-101 и CH-201 оставляет 180 градусов. Ограничить диаграмму направленности можно с помощью дополнительных звуководов, как это показано на рис. 6.

Датчики имеют угол обзора до 180 градусов. Ограничить диаграмму направленности помогают внешние звуководы

Рис. 6. Датчики имеют угол обзора до 180 градусов. Ограничить диаграмму направленности помогают внешние звуководы

В-шестых, как уже говорилось выше, оптические сенсоры оказываются чувствительными к внешним источникам освещения. В то же время ультразвуковые датчики устойчивы к засветам, и для них не имеет значения цвет объектов. При этом CH-101 и CH-201 могут похвастаться еще и низким уровнем шумов (рис. 7). Например, даже на дистанции 5 метров погрешность от собственного шума для CH-201 составляет всего 5 мм.

График собственных шумов для CH-201

Рис. 7. График собственных шумов для CH-201

Еще одним большим плюсом CH-101 и CH-201 становится простота подключения (рис. 8). Благодаря использованию коммуникационного интерфейса I2C, разработчик может одновременно подключать множество сенсоров и создавать настоящую трехмерную картину окружающего пространства.

Типовая схема включения датчиков CH-101 и CH-201

Рис. 8. Типовая схема включения датчиков CH-101 и CH-201

В заключение хотелось бы отметить, что даже если часть из всего того, что пообещали производители, будет исполнена, то спектр применения ультразвуковых сенсоров серьезно расшириться. Например, такие компактные и малопотребляющие датчики можно без проблем встроить даже в смартфон. В «классических» приложениях также по достоинству оценят новые сенсоры, в частности, дроны выиграют от уменьшения потребления и снижения массы.

Характеристики датчиков CH-101 и CH-201:

  • Диапазон измерений: до 1,25 м (CH-101), до 5 м (CH-201);
  • Коммуникационный интерфейс: I2C;
  • Потребление при частоте измерений 1 Гц (максимальная дистанция): 12 мкА (CH-101), 20 мкА (CH-201);
  • Потребление при частоте измерений 30 Гц (максимальная дистанция): 110 мкА (CH-101), 330 мкА (CH-201);
  • Максимальная частота измерений (максимальная дистанция): 100 Гц (CH-101), 30 Гц (CH-201);
  • Угол обзора: 180°;
  • Шум (ср.кв.): 1 мм на дистанции 30 см (CH-101), 0,2 мм на дистанции 1 м (CH-201);
  • Напряжение питания: 1,8 В;
  • Корпус: 8-выводной LGA (3,5 x 3,5 x 1,25 мм).

О компании:

Chirp Microsystems – американская компания, основанная в 2013 году. Специализируется на разработке интегральных ультразвуковых датчиков расстояния. Входит в состав корпорации TDK/ InvenSense.

Сравнение позиций

  • ()