傳統(tǒng)的超聲波傳感器采用高輸出功率的塊體壓電陶瓷材料

隨著商用機器人、智能居家及便攜式設備的不斷發(fā)展和廣泛應用，雷達測距、紅外測距、激光測距、超聲波測距等測距技術成為保證精確定位的關鍵。與其他測距方法相比，超聲波測距不受目標物體透明度和顏色的影響，對環(huán)境噪聲不敏感，可在陽光直射下使用。此外，由于聲波速度較低，基于超聲波換能器的測距技術減輕了射頻和光測距對高速電子的要求，同時超聲波測距具有低功耗的特點，這使得超聲波測距在小于一米的近距離測距中，成為極具競爭力的選擇。

茂丞科技芯片級超聲波傳感器-JMS系列

據(jù)麥姆斯咨詢報道，茂丞科技（J-Metrics）近日發(fā)布了中國首款自主研發(fā)的芯片級超聲波傳感器產(chǎn)品——JMS系列，為國內(nèi)傳感器領域填補了這一空白。JMS系列芯片級超聲波傳感器基于氮化鋁（AlN）材料制造，氮化鋁（AlN）具有良好的壓電效應，較低的介電常數(shù)使其在較小體積的設計下，能獲得與塊體壓電陶瓷材料（PZT）相當?shù)男阅堋鹘y(tǒng)的超聲波傳感器采用高輸出功率的塊體壓電陶瓷材料（PZT），聲場與聲阻抗的不匹配導致電場與聲場之間的轉換效率較差。此外，其體積大、功耗高也限制了其在便攜式設備中的使用。

JMS芯片級超聲波傳感器實現(xiàn)距離感測示意圖

JMS芯片級超聲波傳感器采用飛行時間（ToF）測量原理，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級精準距離感測，該傳感器主要由四個部分組成：電荷泵電路（CP）、數(shù)字單元電路（DU）、發(fā)射電路（TX）和接收電路（RX）。CP將升高1.8V到5V和32V分別驅(qū)動數(shù)字單元電路（DU）和電壓位移（LSF）。振蕩器（OSC）將產(chǎn)生1.73 MHz的系統(tǒng)時鐘（System OSC）和90 KHz的驅(qū)動時鐘（TX OSC）。電壓位移（LSF）將驅(qū)動時鐘（TX OSC）的電壓提高到32V，再由TX驅(qū)動器放大對JMS芯片級超聲波傳感器進行驅(qū)動。JMS芯片級超聲波傳感器將驅(qū)動信號轉換為超聲聲波，超聲波以120°度的角度傳播至空氣中，飛行至待測物并反射回來時，接收電路（RX）接收到反射超聲波信號，對接收到的回波信號進行放大和檢測，并將其發(fā)送到數(shù)字單元電路（DU）。在不考慮濕度和大氣壓的情況下，25℃時空氣中的聲速是346 m/s，系統(tǒng)OSC的頻率被設計成1.73 MHz，所以一個周期的最小距離分辨率為0.1 mm（Lmin=c/2fsys=0.1 mm），其中c為傳播介質(zhì)中的聲速。分母中的系數(shù)為2是因為超聲波在相同的距離內(nèi)來回傳播。最后，目標的估計距離為L=nclk x 0.1 mm。

JMS芯片級超聲波傳感器距離誤差實驗結果

JMS芯片級超聲波傳感器實驗結果如圖四所示，由于茂丞科技采用了更先進的設計與制造工藝，使得測距系統(tǒng)具有更高的精準度。實驗結果表明，10 cm ~ 50 cm測距精度為0.8 mm，精準度優(yōu)于現(xiàn)有的測距儀。

JMS產(chǎn)品型號與技術規(guī)格

茂丞科技總經(jīng)理邱奕翔表示，JMS芯片級超聲波傳感器擁有毫米級高精準距離感測、低功率消耗以及微小體積等優(yōu)勢，封裝尺寸僅為5.2 mm x 5.2 mm x 1.05 mm。JMS系列產(chǎn)品現(xiàn)已開始銷售，可提供客戶JMS601、JMS602、JMS603三種產(chǎn)品型號，最大感測范圍分別為10 cm、50 cm和100 cm，以滿足客戶在不同應用條件的需求。同時，茂丞科技可提供客戶專業(yè)的超聲波技術支持以協(xié)助客戶進行產(chǎn)品導入，解決客戶在產(chǎn)品應用上遇到的技術問題。例如，在掃地機器人應用中，JMS芯片能夠更準確地判斷掃地機器人是否位于毛毯之上，近距離偵測墻邊距離時不受踢腳板顏色深淺干擾，同時JMS芯片的微小體積也更有助于客戶產(chǎn)品的硬件布局。

除此之外，JMS芯片級超聲波傳感器還可以應用于智能家居、機器人、無人機、商用顯示、手勢識別以及氣體流量等應用。茂丞科技實現(xiàn)芯片級超聲波傳感器的國產(chǎn)化，意味著能更實時快速度的為客戶提供全方位的服務。

茂丞科技簡介：

茂丞科技（J-Metrics）位于中國科技創(chuàng)新之都——深圳，在科技創(chuàng)新上，茂丞科技擁有完全自主知識產(chǎn)權，至今已取得三件中國臺灣發(fā)明專利（發(fā)明第I661493號、發(fā)明第I675498號、發(fā)明第I692888號），以及一件美國發(fā)明專利（US 10，657，349）。

從專利布局也可管窺茂丞科技未來的技術發(fā)展路徑：茂丞科技預計將在今年下半年以晶圓級封裝技術，發(fā)布2 mm x 2 mm x 0.9 mm全球最小封裝體積的芯片級超聲波傳感器，以實現(xiàn)智能眼鏡、耳機、智能手表等可穿戴設備，以及隔空觸控和手勢識別等功能，繼續(xù)朝全球第一邁進，為中國智造盡一已之力。

茂丞科技成立于2008年，依據(jù)生物識別市場需求及前瞻性考慮，以微小化、節(jié)能、功能精細敏銳及便利使用為原則，致力于以芯片級超聲波傳感器為基礎來完成距離偵測、手勢識別 、指紋識別等相關應用的開發(fā)。
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