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TDK的全資子公司。Chirp位于美國伯克利，核心技術(shù)來自加州伯克利大學(xué)。不久前，Chirp首席執(zhí)行官M(fèi)ichelle Meng-Hsiung Kiang （江夢熊）博士來到上海，接受了電子產(chǎn)品世界等媒體的采訪，介紹了其“全球首款MEMS 超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器”。

    1  MEMS超聲波ToF的優(yōu)勢

    問：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ToF傳感器的應(yīng)用數(shù)量不斷增加，以及快速擴(kuò)張的大規(guī)模市場逐漸成型，Chirp的超聲波檢測方案預(yù)計將在許多垂直領(lǐng)域占據(jù)較大的市場份額。功能更強(qiáng)的MEMS超聲波ToF傳感器將會創(chuàng)造出原先ToF傳感器從未企及的全新應(yīng)用場景（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）的增長。我們希望在不久的將來，能有越來越多基于MEMS超聲波傳感器的創(chuàng)新應(yīng)用和各種產(chǎn)品能夠進(jìn)入市場。

    另外，與采用傳統(tǒng)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(nèi)將PMUT（壓電微機(jī)械超聲波變送器）與混合信號ASIC相結(jié)合的一整套系統(tǒng)。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(fèi)IoT（物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)用中。

    2  MEMS超聲波ToF的應(yīng)用領(lǐng)域

    問：這種技術(shù)的應(yīng)用前景如何？

    答：消費(fèi)電子市場包括許多不同的產(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(jī)器人（比如機(jī)器人真空吸塵器）以及移動/可穿戴設(shè)備等等。我們使用“消費(fèi)IoT”來指代這個廣泛的產(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)勢正好能夠滿足此類產(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，然后逐步擴(kuò)展到具有更長設(shè)計周期的其他垂直領(lǐng)域（比如工業(yè)和汽車領(lǐng)域）。

表：兩款產(chǎn)品的尺寸和功耗（號稱千分之一的尺寸，百分之一的功耗）

    問：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)品的客戶來自VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）領(lǐng)域，比如HTC和Pico。與此同時，Chirp正在與各個行業(yè)（包括智能家居、PC、機(jī)器人和汽車等）的客戶合作，希望未來幾年能有更多客戶發(fā)布采用Chirp傳感器的產(chǎn)品。

    問：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(xiàn)了Snapdragon Mobile XR參考平臺上的6DoF控制器追蹤。它現(xiàn)在可以支持SD845，也兼容早期的芯片組（比如SD835等）。

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

    答：手表的表盤較小，人手在表盤上操作不方便，因此在手表的右側(cè)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：2018年初Chirp被TDK收購，時隔一年，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，我們一直在著手將Chirp整合到SSBC的MEMS Business Group，它們具有相同的無晶圓業(yè)務(wù)模型，而且其MEMS產(chǎn)品線正好與Chrip超聲波檢測方案互補(bǔ)。Chirp的主要辦公和研發(fā)活動仍在伯克利進(jìn)行，但是也有許多研發(fā)、銷售和運(yùn)營人員奔赴TDK的全球工作地點(diǎn)開展工作。

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

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

    4  Chirp的詳細(xì)資料說明

    以下是Chirp江夢熊博士提供的官方資料，進(jìn)一步闡述了MEMS 超聲波飛行時間 (ToF) 傳感器及應(yīng)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(nèi)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(fèi)電子、機(jī)器人、無人機(jī)等領(lǐng)域的避障應(yīng)用。

    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(jī)和機(jī)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(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(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(fèi)電子產(chǎn)品。

    4.1  千分之一的尺寸，百分之一的功耗

    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(fèi)品中使其具備超聲波檢測能力，例如，用于智能手機(jī)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。

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(tǒng) (SoC)

    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（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(fèi)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(shí)現(xiàn)所需的水平和垂直視場。

圖3：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(shí)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(shí)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(jī)及機(jī)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(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)系統(tǒng)中，追蹤手持式游戲控制器。智能手機(jī)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(jī)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(jī)前面的光學(xué)接近傳感器，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)全面屏設(shè)計。

    在距離測量和物體探測應(yīng)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(shè)計師們現(xiàn)在可以受益于新型超聲波傳感器的能力：

    ? 提供精確、低延時的距離測量結(jié)果，測量速度高達(dá)每秒采樣 100 次，位置噪音小于1mm；

    ? 在人員接近、移動和活動檢測等應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)傳感器始終保持工作狀態(tài)，功耗低至 15 μW；

    ? 探測物體的視場高達(dá) 180°，因此一個傳感器就能夠檢測整個房間場景；

    ? 在所有照明條件下均能完美工作，即使在陽光直射的環(huán)境下；

    ? 可探測任何顏色的物體，包括透明物體，提高了目標(biāo)物探測能力；

    ? 通過避免使用基于激光的紅外傳感器來保護(hù)眼睛。