IEEE Sensors 2021:揭秘VL53L5，意法半導體最新ToF傳感器背后的秘

在去年四季度召開(kāi)的IEEE Sensors 2021大會(huì )上，意法半導體在會(huì )上宣講了五篇論文（全部論文名錄見(jiàn)下文），涵蓋多個(gè)不同的專(zhuān)題，其中一個(gè)研究方向引起與會(huì )者的關(guān)注。Fabrice Martin宣講的題為“內置光源的一體式 64 區 SPAD 直接飛行時(shí)間測距傳感器”的論文揭開(kāi)了 VL53L5的神秘面紗，披露了目前尚未公開(kāi)的技術(shù)細節。

IEEE Sensors 2021:揭秘VL53L5

測距特性

The VL53L5

2020 年底發(fā)布的VL53L5 是 意法半導體首款能夠測量64個(gè)區域的飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器。 在 IEEE Sensors 2021 大會(huì )結束后，公眾對該產(chǎn)品的技術(shù)細節有了更好的了解。例如，意法半導體證實(shí)，4 x 4 或 8 x 8 網(wǎng)格模式對測距性能的影響很小。兩種模式在黑暗環(huán)境中最大測量距離均達到 4 米，在 5,000 勒克斯的標準室內亮度下的最大測量距離約 1 米。此外，4 x 4 網(wǎng)格測距模式每秒可捕獲 60 幀圖像，而在測量64 個(gè)區域時(shí)捕獲速度被限制在 15 Hz。因此，工程師可以更清楚地了解每種模式固有的參數優(yōu)化情況。

VL53L5橫截面圖

硅片結構

距離標記與相機拍攝的照片重合的8 x 8 網(wǎng)格模式

我們還向與會(huì )者出示了 ToF 傳感器的橫截面圖和各種圖表，幫助他們了解傳感器的測距性能。無(wú)論過(guò)去是否熟悉這種產(chǎn)品，與會(huì )者都弄明白了其內部工作原理。例如，橫截面圖描述了衍射透鏡在區域測距中的作用。我們的團隊還展示了 VL53L5芯片。意法半導體提供回路SPAD二極管陣列、32 位微控制器、VCSEL 驅動(dòng)器等組件，因此，這是一個(gè)設計靈活性較高的測距系統。例如，MCU 執行并行計算，滿(mǎn)足測距區數量增加對數據處理能力的要求。意法半導體還用圖示解釋了為什么 VL53L5 不用外部微控制器，本身就能計算信號數據。

IEEE Sensors 2021:窺探未來(lái)產(chǎn)品

自供電BLE藍牙傳感器

在意法半導體宣講的其他論文中，有一篇探討了一種無(wú)需安裝電池或外部電源即可工作的光感設備。此外，這個(gè)光傳感器還可以收集能量，驅動(dòng)BLE藍牙低功耗模塊發(fā)送數據。這個(gè)想法并不新鮮，但該論文使用了市面有售的元器件，使這種光傳感器具有商用可行性。為了實(shí)現這一個(gè)概念，該光傳感器采用了將光能轉換為電流的光伏換能器。此外，BLE射頻僅在信標模式下工作，以節省能源。

壓電顆粒物探測器

微粒物質(zhì)探測器小型化是另一個(gè)研究領(lǐng)域。傳統上，此類(lèi)設備體積龐大。意法半導體的論文打破傳統思路，研究使用壓電式微機電系統 (MEMS)探測顆粒。簡(jiǎn)而言之，把正面涂覆壓電層的圓形薄膜置于兩個(gè)電極之間，當顆粒掉落在壓電層上時(shí)，薄膜上就會(huì )出現較低的諧振頻率。這篇論文可以作為一項可行性研究，因而引起與會(huì )者的興趣。論文表明可以創(chuàng )建一個(gè)移動(dòng)性更強的顆粒物檢測器。研究人員仍然需要優(yōu)化該探測系統，但目前的研究成果為可穿戴設備安裝顆粒傳感器打開(kāi)了一扇門(mén)。

ST在IEEE Sensors 2021大會(huì )上宣講的全部論文

■   Piezoelectric MEMS For Microparticles Detection,Francesco Foncellino

■   Miniaturized Quadruple Mass Gyroscopes: Challenges and Implementation, Luca Falorni

■   Intrinsically Self-powered, Battery-free, and Sensor-free Ambient Light Control System, Roberto La      Rosa

■   On Amplitude-Gain-Control Optimization for Lissajous Frequency Modulated MEMS Gyroscopes,      Andrea Donadel

■   An all-in-one 64-zone SPAD-based Direct-Time-of-Flight Ranging Sensor with Embedded Illumination,      Fabrice Martin