TDK收購Chirp，ToF傳感器中閃出黑馬—MEMS超聲波

    2018年，TDK收購高性能超聲波傳感先鋒企業(yè)Chirp Microsystems，Chirp成為T(mén)DK的全資子公司。Chirp位于美國伯克利，核心技術(shù)來(lái)自加州伯克利大學(xué)。不久前，Chirp首席執行官Michelle Meng-Hsiung Kiang （江夢(mèng)熊）博士來(lái)到上海，接受了電子產(chǎn)品世界等媒體的采訪(fǎng)，介紹了其“全球首款MEMS 超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器”。

    1  MEMS超聲波ToF的優(yōu)勢

    問(wèn)：超聲波ToF傳感器相對于其他競爭技術(shù)（光學(xué)ToF傳感器、紅外ToF傳感器等）的優(yōu)勢在哪里？

    答：與基于紅外（激光）技術(shù)的ToF產(chǎn)品相比，Chirp的MEMS超聲波ToF傳感器功耗更低（最多可減少500X）、對照明條件不敏感（能在陽(yáng)光直射下工作）、可檢測暗色和透明物體、測量噪聲低得多（低100倍），而且有比基于紅外技術(shù)的產(chǎn)品有更寬廣的視野。

    隨著(zhù)ToF傳感器的應用數量不斷增加，以及快速擴張的大規模市場(chǎng)逐漸成型，Chirp的超聲波檢測方案預計將在許多垂直領(lǐng)域占據較大的市場(chǎng)份額。功能更強的MEMS超聲波ToF傳感器將會(huì )創(chuàng )造出原先ToF傳感器從未企及的全新應用場(chǎng)景（比如面向VR/AR的6DoF控制器追蹤以及超聲波指紋傳感器等），從而進(jìn)一步促進(jìn)TAM（總體有效市場(chǎng)）的增長(cháng)。我們希望在不久的將來(lái)，能有越來(lái)越多基于MEMS超聲波傳感器的創(chuàng )新應用和各種產(chǎn)品能夠進(jìn)入市場(chǎng)。

    另外，與采用傳統技術(shù)的超聲波ToF傳感器相比，Chirp的MEMS超聲波ToF傳感器是在一體化封裝 (SiP)內將PMUT（壓電微機械超聲波變送器）與混合信號ASIC相結合的一整套系統。這樣做的好處是可以大大減小傳感器的尺寸和功耗，從而使超聲波ToF能被部署到超聲波ToF產(chǎn)品此前從未涉足的消費IoT（物聯(lián)網(wǎng)）應用中。

    2  MEMS超聲波ToF的應用領(lǐng)域

    問(wèn)：這種技術(shù)的應用前景如何？

    答：消費電子市場(chǎng)包括許多不同的產(chǎn)品領(lǐng)域，比如VR/AR、智能家居、顯示器（包括PC、平板和TV等）、家用電器/機器人（比如機器人真空吸塵器）以及移動(dòng)/可穿戴設備等等。我們使用“消費IoT”來(lái)指代這個(gè)廣泛的產(chǎn)品領(lǐng)域，Chirp的超聲波ToF產(chǎn)品在極低功耗、小尺寸和可靠性能等方面所具備的優(yōu)勢正好能夠滿(mǎn)足此類(lèi)產(chǎn)品的需要。我們希望Chirp的產(chǎn)品能夠首先進(jìn)入這些通用性市場(chǎng)，然后逐步擴展到具有更長(cháng)設計周期的其他垂直領(lǐng)域（比如工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域）。

表：兩款產(chǎn)品的尺寸和功耗（號稱(chēng)千分之一的尺寸，百分之一的功耗）

    問(wèn)：Chirp已于2017年推出了第一款壓電式MEMS超聲波ToF傳感器，目前是否有客戶(hù)采用該傳感器做出商用產(chǎn)品？

    答：首批采用Chirp傳感器并發(fā)布商業(yè)化產(chǎn)品的客戶(hù)來(lái)自VR（虛擬現實(shí)）領(lǐng)域，比如HTC和Pico。與此同時(shí)，Chirp正在與各個(gè)行業(yè)（包括智能家居、PC、機器人和汽車(chē)等）的客戶(hù)合作，希望未來(lái)幾年能有更多客戶(hù)發(fā)布采用Chirp傳感器的產(chǎn)品。

    問(wèn)：TDK與高通的合作中也包括了Chirp的合作。目前Chirp與高通的合作進(jìn)展如何？

    答：Chirp已經(jīng)與高通合作實(shí)現了Snapdragon Mobile XR參考平臺上的6DoF控制器追蹤。它現在可以支持SD845，也兼容早期的芯片組（比如SD835等）。

    問(wèn)：您展示的應用案例中有手表，用途是在手表的側面進(jìn)行手勢識別。手表為何也可能用到它？

    答：手表的表盤(pán)較小，人手在表盤(pán)上操作不方便，因此在手表的右側安裝這種傳感器，可以識別右手的手勢。

    3  被TDK收購的效果

    問(wèn)：2018年初Chirp被TDK收購，時(shí)隔一年，這次合并對Chirp的影響是什么？

    答：自從一年前并入TDK的Sensor Systems Business Company（SSBC）以來(lái)，我們一直在著(zhù)手將Chirp整合到SSBC的MEMS Business Group，它們具有相同的無(wú)晶圓業(yè)務(wù)模型，而且其MEMS產(chǎn)品線(xiàn)正好與Chrip超聲波檢測方案互補。Chirp的主要辦公和研發(fā)活動(dòng)仍在伯克利進(jìn)行，但是也有許多研發(fā)、銷(xiāo)售和運營(yíng)人員奔赴TDK的全球工作地點(diǎn)開(kāi)展工作。

目前，Chirp正在加速推進(jìn)第一款傳感器產(chǎn)品的量產(chǎn)，以及支持多個(gè)垂直領(lǐng)域的一級客戶(hù)將Chirp的解決方案應用到客戶(hù)產(chǎn)品中。

    Chirp與TDK業(yè)務(wù)之間巨大的協(xié)同效應是兩家公司一年前合并的主要原因，我們將繼續努力實(shí)現先前達成的共同愿景，那就是通過(guò)合并助力Chrip的業(yè)務(wù)更快更好地發(fā)展。

    4  Chirp的詳細資料說(shuō)明

    以下是Chirp江夢(mèng)熊博士提供的官方資料，進(jìn)一步闡述了MEMS 超聲波飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器及應用。

    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。

    4.1  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。

     圖2：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 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 (SoC) 結合在一起，完成了所有超聲波 ToF 信號處理過(guò)程（如圖1和圖2）。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)。

圖3：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 15 μW；

    ? 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。