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MEMS 超声波传感器:推动 AR/VR 技术进步
2019年12月3日

MEMS 超声波传感器:推动 AR/VR 技术进步

增强现实/虚拟现实 (AR/VR) 系统正在各个领域得到日益广泛的应用,例如在娱乐、教育、医疗保健和其他工业应用中。借助这些技术,用户能够在虚拟空间中模拟复杂任务或外科手术。传感技术让用户能够通过先进精确的定位/运动检测,在虚拟空间中获得现实的体验。最新的 AR/VR 系统使用飞行时间 (ToF) 技术来测量与某个物体的距离,超声波传感器吸引了极大关注。

让 AR/VR 变得更真实的挑战:减小超声波传感器的尺寸

随着各种头戴式显示器 (HMD) AR/VR 耳机在 2016 年开始以实惠价格提供,全球 AR/VR 市场得以大幅增长,到 2025 年,该市场的规模很可能超过 110 亿美元(来源:“2017 AR/VR 相关市场的未来前景”,富士凯美莱总研)。AR/VR 系统过去主要用于游戏等娱乐应用,但它们在其他领域的使用预期也将会增加,例如在装配、制造、交通运输、零售、教育和医疗保健领域。

全球 AR/VR 市场

来源:“2017 AR/VR 相关市场的未来前景”,富士凯美莱总研。

使用最新型号的 AR/VR 系统,用户能够在虚拟空间中模拟复杂的外科手术。具有六自由度 (6-DoF1) 的头戴式显示器和手部控制器让这种应用成为可能。这样可以实现虚拟空间中的人体运动与实际空间中的人体运动之间的无缝合成。这要归功于一种基于传感器、名为位置跟踪2的技术,它能够使用 ToF 方法来测量与物体的距离。
ToF 技术基于光线、红外线或超声波从发射到被物体反射后返回传感器之间的时间差,来测量与物体的距离。无论是光学还是红外线 ToF 技术,虽然它们非常精确,但在存在障碍物的情况下都无法用于测量,也不适合测量与玻璃或其他透明物体的距离。超声波 ToF 技术可以精确测量与物体的距离,即便这些物体具有很高的反射性,而且这种技术也不会受到物体的光照条件、尺寸和颜色的影响。传统的超声波 ToF 传感器需要复杂的信号处理,而且尺寸过大,无法嵌入在家用电器中。

采用基于 MEMS 的超小型传感器的 ToF 解决方案

TDK 应对这一挑战的解决方案是 CH-101,它是新型的超小型超声波 ToF 传感器,其体积仅为传统超声波 ToF 传感器的千分之一。作为全球首款基于 MEMS 的超声波传感器,CH-101 在 Chirp 品牌下销售,它是一款真正具有突破性的产品,将压电微机械超声波换能器 (PMUT3)、高能效 DSP(数字信号处理器4)、低功耗 CMOS ASIC5组合在一起,采用尺寸仅为 3.5 x 3.5 x 1.25 mm 的小型封装。

体积仅为传统传感器千分之一的超小型传感器

体积仅为传统传感器千分之一的超小型传感器
CH-101 将 PMUT、高能效 DSP(数字信号处理器)、低功耗 CMOS ASIC 组合在一起,采用尺寸仅为 3.5 x 3.5 x 1.25 mm 的小型封装,其体积仅为传统超声波 ToF 传感器的千分之一。

蝙蝠能够在黑暗中自由飞行,而不会撞在物体上,是因为它们通过发出脉冲超声波并接收物体产生的回音,检测物体的位置和相对速度。这种方法叫回声定位,同样的原理也用于超声波传感器的位置跟踪。
CH-101 带有嵌入式 PMUT,它可以发出超声波脉冲,并接收来自传感器视场范围内的物体的回声。结合各种不同的信号处理,该产品可在多种应用中使用,包括检测与物体的距离及其位置,感应物体存在并避免碰撞。此外,它需要的功耗也非常低,比传统超声波传感器的功耗低一百倍,从而提供了出色的环保性能。

CH-101 超声波传感器支持“无处不在的 VR”

CH-101 超声波传感器支持“无处不在的 VR”
现有的基于光学传感器的 VR 系统将外部传感器与有线耳机和控制器组合在一起,前者发出红外线,后者则可响应红外线,从而定位用户的位置。采用 CH-101 的 VR 系统让用户只需使用耳机和控制器即可体验 VR。CH-101 超声波传感器可用于 HTC 开发的独立耳机 Vive Focus Plus 一体机。

CH-101 超声波传感器支持最大 100 cm 的传感范围,而即将于 2019 年底投入批量生产的新产品 CH-201 则支持最大 500 cm 的传感范围。由于使用了 MEMS 技术,传感器的尺寸变得空前小巧,我们预期它们将实现一系列应用,包括在 AR/VR 耳机、智能家居、无人机、机器人、智能手机和可穿戴设备等产品中。

超声波传感器应用于各个不同领域

超声波传感器应用于各个不同领域

CH-101:超声波 ToF 传感器

CH-101:超声波 ToF 传感器
CH-101 是一款基于 MEMS 的超声波 ToF 传感器。与光学 ToF 传感器不同,它能够精确地测量与物体的距离,而不受物体尺寸、颜色和透明度的影响。此外,它也不会受到环境噪声的影响,例如周边环境中的杂音和噪声。如需获取详细信息,请访问 Chirp 网站。
Chirp (CH-101)

用語解説

  1. 6-DoF:DoF 代表自由度。三自由度(即 3-DoF)对应于围绕 x、y、z 轴的旋转运动。这三种旋转运动与围绕这些轴的平移运动一起称为 6-DoF。
  2. 位置跟踪:在 AR/VR 系统中,位置跟踪指使用传感器来感测 HMD 系统和手部控制器的位置和方向的技术,从而让真实世界中的运动与虚拟世界中的运动保持同步。
  3. PMUT(压电微机械超声波换能器):基于 MEMS 的元件,用于发射压电超声波。
  4. DSP(数字信号处理器):设计用于处理数字信号的专用微控制器(即具有 CPU 功能的芯片)。
  5. CMOS ASIC:基于 CMOS 的 ASIC(专用集成电路),它是一种 LSI(大规模集成)结构。
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