茂丞科技发布中国首款芯片级超声波传感器，距离感测精度1毫米
2020-06-09 08:37:04   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

图1 茂丞科技发布的中国首款芯片级超声波传感器与1元硬币的对比照片

随着商用机器人、智能居家及便携式设备的不断发展和广泛应用，雷达测距、红外测距、激光测距、超声波测距等测距技术成为保证精确定位的关键。与其他测距方法相比，超声波测距不受目标物体透明度和颜色的影响，对环境噪声不敏感，可在阳光直射下使用。此外，由于声波速度较低，基于超声波换能器的测距技术减轻了射频和光测距对高速电子的要求，同时超声波测距具有低功耗的特点，这使得超声波测距在小于一米的近距离测距中，成为极具竞争力的选择。

图2 茂丞科技芯片级超声波传感器-JMS系列

据麦姆斯咨询报道，茂丞科技（J-Metrics）近日发布了中国首款自主研发的芯片级超声波传感器产品——JMS系列，为国内传感器领域填补了这一空白。JMS系列芯片级超声波传感器基于氮化铝（AlN）材料制造，氮化铝（AlN）具有良好的压电效应，较低的介电常数使其在较小体积的设计下，能获得与块体压电陶瓷材料（PZT）相当的性能。传统的超声波传感器采用高输出功率的块体压电陶瓷材料（PZT），声场与声阻抗的不匹配导致电场与声场之间的转换效率较差。此外，其体积大、功耗高也限制了其在便携式设备中的使用。

图3 JMS芯片级超声波传感器实现距离感测示意图

JMS芯片级超声波传感器采用飞行时间（ToF）测量原理，能够实现毫米级精准距离感测，该传感器主要由四个部分组成:电荷泵电路（CP）、数字单元电路（DU）、发射电路（TX）和接收电路（RX）。CP将升高1.8V到5V和32V分别驱动数字单元电路（DU）和电压位移（LSF）。振荡器（OSC）将产生1.73 MHz的系统时钟（System OSC）和90 KHz的驱动时钟（TX OSC）。电压位移（LSF）将驱动时钟（TX OSC）的电压提高到32V，再由TX驱动器放大对JMS芯片级超声波传感器进行驱动。JMS芯片级超声波传感器将驱动信号转换为超声声波，超声波以120°度的角度传播至空气中，飞行至待测物并反射回来时，接收电路（RX）接收到反射超声波信号，对接收到的回波信号进行放大和检测，并将其发送到数字单元电路（DU）。在不考虑湿度和大气压的情况下，25℃时空气中的声速是346 m/s，系统OSC的频率被设计成1.73 MHz，所以一个周期的最小距离分辨率为0.1 mm（L_min=c/2f_sys=0.1 mm），其中c为传播介质中的声速。分母中的系数为2是因为超声波在相同的距离内来回传播。最后，目标的估计距离为L=n_clk x 0.1 mm。

图4 JMS芯片级超声波传感器距离误差实验结果

JMS芯片级超声波传感器实验结果如图四所示，由于茂丞科技采用了更先进的设计与制造工艺，使得测距系统具有更高的精准度。实验结果表明，10 cm ~ 50 cm测距精度为0.8 mm，精准度优于现有的测距仪。

图5 JMS产品型号与技术规格

茂丞科技总经理邱奕翔表示，JMS芯片级超声波传感器拥有毫米级高精准距离感测、低功率消耗以及微小体积等优势，封装尺寸仅为5.2 mm x 5.2 mm x 1.05 mm。JMS系列产品现已开始销售，可提供客户JMS601、JMS602、JMS603三种产品型号，最大感测范围分别为10 cm、50 cm和100 cm，以满足客户在不同应用条件的需求。同时，茂丞科技可提供客户专业的超声波技术支持以协助客户进行产品导入，解决客户在产品应用上遇到的技术问题。例如，在扫地机器人应用中，JMS芯片能够更准确地判断扫地机器人是否位于毛毯之上，近距离侦测墙边距离时不受踢脚板颜色深浅干扰，同时JMS芯片的微小体积也更有助于客户产品的硬件布局。

除此之外，JMS芯片级超声波传感器还可以应用于智能家居、机器人、无人机、商用显示、手势识别以及气体流量等应用。茂丞科技实现芯片级超声波传感器的国产化，意味着能更实时快速度的为客户提供全方位的服务。

茂丞科技简介：

茂丞科技（J-Metrics）位于中国科技创新之都——深圳，在科技创新上，茂丞科技拥有完全自主知识产权，至今已取得三件中国台湾发明专利（发明第I661493号、发明第I675498号、发明第I692888号），以及一件美国发明专利（US 10,657,349）。

从专利布局也可管窥茂丞科技未來的技术发展路径：茂丞科技预计将在今年下半年以晶圆级封装技术，发布2 mm x 2 mm x 0.9 mm全球最小封装体积的芯片级超声波传感器，以实现智能眼镜、耳机、智能手表等可穿戴设备，以及隔空触控和手势识别等功能，继续朝全球第一迈进，为中国智造尽一已之力。

茂丞科技成立于2008年，依据生物识别市场需求及前瞻性考虑，以微小化、节能、功能精细敏锐及便利使用为原则，致力于以芯片级超声波传感器为基础来完成距离侦测、手势识别 、指纹识别等相关应用的开发。

业务与技术交流：
总经理：邱奕翔
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