Ultraschallsensoren, die das Time-of-Flight-Laufzeitverfahren (ToF) nutzen, gelten als die am besten geeigneten Sensoren zur Entfernungsmessung für Kraftfahrzeug- und Industrie-Anwendungen sowie für die Roboter- und Drohnen-Technik. Sie zeichnen sich gegenüber optischen oder Infrarot-Sensoren (IR) durch verschiedene Vorteile aus. So ermöglichen sie unabhängig von der Größe oder Farbe des Messobjekts die präziseste Entfernungs­messung, sind unempfindlich gegenüber Umgebungsrauschen und funktionieren auch bei direkter Sonneneinstrahlung. Sie sind zudem robust, präzise und zuverlässig. Allerdings erforderten Ultraschallsensoren bisher eine relativ komplexe Signalverarbeitung und waren wegen ihren relativ großen Abmessungen ungeeignet für Geräte der Konsum-Elektronik.

Hundertmal geringerer Stromverbrauch

Eckdaten

Mittels ToF-Sensoren lassen sich im Automotive- wie auch dem Industrialbereich die Positionen und Entfernungen von Maschinen und Fahrzeugen präzise bestimmen. TDK bringt jetzt den ersten Sensor dieser Art als MEMS auf dem Markt. Dieser eignet sich aufgrund seiner geringen Abmessungen sowie eines geringen Stromverbrauchs nicht nur für Automotive- und Industrialanwendungen, sondern auch für den Consumerbereich.

Jetzt führt TDK eine neue Baureihe von kleinen MEMS-Ultraschallsensoren ein, die die gleiche Leistung und Zuverlässigkeit wie herkömmliche Ultraschallsensoren bieten, aber bis zu 1000 Mal kleiner sind. Zudem ist ihr Stromverbrauch bis zu hundertmal geringer. Die Mini-Sensoren sind so klein, dass sie im gesamten Anwendungsspektrum kompakter mobiler Geräte wie Smartphones und Wearables einsetzbar sind.

Die Sensoren messen die Entfernung, indem sie ein Ultraschallsignal aussenden und auf das Echo warten, das die Objekte reflektieren, die sich im Messfeld des Sensors befinden. Die Echosignale breiten sich mit Schallgeschwindigkeit aus, sodass die Ent­fernung zum betreffenden Messobjekt anhand der Laufzeit dieses Echos exakt berechenbar ist.

Jetzt stehen zwei Sensormodelle als Entwicklungsmuster zur Verfügung: Der CH-101 hat eine maximale Reichweite von 100 cm. Der für längere Strecken ausgelegte CH-201 ist über eine Entfernung von bis zu 500 cm einsetzbar. Diese Mini-Systeme kombinieren einen piezoelektrischen MEMS-Ultraschallwandler (PMUT) mit einem speziellen Low-Power CMOS-System auf einem Chip (SoC), sodass die gesamte Verarbeitung des ToF-Ultra­schallsignals in einem kompakten LGA-Gehäuse von 3,5 × 3,5 mm2 erfolgen kann (Bild 1). Sowohl der CH-101 als auch der CH-201 werden mit 1,8 V betrieben und bieten eine I2C-Schnittstelle, sodass sie sich mühelos in Geräte der Konsum-Elektronik integrieren lassen.

Präzise Entfernungsmessung in weitem Messfeld

Bild 1: Ober- und Unterseite eines MEMS-Ultraschallsensors.

Bild 1: Ober- und Unterseite eines MEMS-Ultraschallsensors. TDK Electronics

Trotz ihrer kompakten Abmessungen bieten die neuen MEMS-Ultraschallsensoren hohe Leistungsparameter. So beträgt das Entfernungsrauschen des CH-201 bei 120 cm 0,35 mm (1 Sigma) und ist damit bis zu hundertmal kleiner als das Rauschen vergleichbarer ToF-IR-Sensoren. Zudem deckt das Messfeld (Field of View, FoV) der Sensoren CH-101 und CH-201 einen Bereich von bis zu 180° ab, wodurch es möglich ist, einen ganzen Raum mit einem einzigen Sensor zu erfassen. Es stehen mehrere Referenz­gehäuse-Designs zur Verfügung, die dem Kunden erlauben, durch Formung des Abstrahl­musters am Akustik-Port des Sensors die Ultraschallsignale zu fokussieren und auszurichten und auf diese Weise das gewünschte horizontale und vertikale FoV zu erzielen.

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TDK Electronics

Der Ultra-Low-Power-SoC steuert den gesamten ToF-Sensorprozess: Er sendet einen Ultraschallpuls aus, digitalisiert das empfangene Ultraschallecho, ermittelt die ToF zum nächst gelegenen Messobjekt und gibt die 16-Bit-ToF über die I2C-Schnittstelle aus. Auch erlaubt er den Always-On-Betrieb für Wake-Up-Anwendungen. Der Gesamtstromverbrauch kann bei einer Messrate von einer Messung pro Sekunde bis auf 8 µA sinken. Dank der plattformunabhängigen C-Treibersoftware können Entwickler mit dem CH-101/CH-201 mühelos eingebettete Lösungen nach Kundenvorgaben erstellen. Zudem ist es möglich, mehrere Sensoren CH-101 und CH-201 über einen einzigen Microcontroller zu steuern, sodass anspruchsvolle Multi-Sensor-Messfunktionen realisierbar sind.

Breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten

Bild 3: Das Entfernungsrauschen des Sensors CH-201 ist bis zu 100 Mal kleiner als bei konventionellen ToF-IR-Sensoren.

Bild 3: Das Entfernungsrauschen des Sensors CH-201 ist bis zu hundertmal kleiner als bei konventionellen ToF-IR-Sensoren. TDK Electronics

Die neuen MEMS-Ultraschall-ToF-Sensoren sind für Anwendungen wie Drohnen und Roboter geeignet, bei denen andere Entfernungssensoren nicht die geforderten Leistungs­parameter aufweisen. Auch bieten sie sich für Smart-Home-Produkte, wie Smart Speaker an, bei denen passive Infrarot-Sensoren (PIR) und optische Näherungssensoren weniger effektiv sind. Die miniaturisierten Ultraschallsensoren können die Bewegung von Objekten präzise verfolgen – etwa in der Hand gehaltene Game-Controller von Virtual Reality-/Augmented Reality-Systemen (VR/AR). Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet sind Smartphones: Das weite Messfeld des CH-101 erlaubt auch dann präzise Entfernungsmessungen, wenn der Sensor auf der Ober- oder Unterseite des Telefons installiert ist. Damit ist es Designern möglich, auf den optischen Näherungssensor auf der Vorderseite des Smartphones zu verzichten und ein randloses Display zu schaffen.

Designer, die bisher zur Entfernungsmessung und Objekterkennung entweder auf Ultraschallwandler oder laserbasierte IR-ToF-Sensoren zurückzugreifen, können jetzt auf die Ultraschallsensoren von TDK zurückgreifen.

Bild 4: Das schmale FoV-Gehäuse ist eines der angebotenen Referenz-Designs, die das Abstrahlmuster der Ultraschallsignale des Sensors formen, um das gewünschte Messfeld zu erzielen.

Bild 4: Das schmale FoV-Gehäuse ist eines der angebotenen Referenz-Designs, die das Abstrahlmuster der Ultraschallsignale des Sensors formen, um das gewünschte Messfeld zu erzielen. TDK Electronics

Einer der Hauptvorteile der Ultraschallsensoren gegenüber gängigen Alternativen ist etwa die präzise, latenzarme Entfernungsmessung. Sie erfolgt bei einer Geschwindigkeit von bis zu 100 Messwerten pro Sekunde und mit einem Positionsrauschen von unter 1 mm.  Zudem unterstützen die Sensoren auch Always-On-Anwendungen wie beispielsweise bei der Präsenz-, Bewegungs-, und Aktivitätserkennung bei Leistungspegeln von weniger als 15 µW.

Weitere Vorteile sind außerdem:

  • Erkennung von Objekten in einem Messfeld von bis zu 180°, so dass ein einziger Sensor einen ganzen Raum erfassen kann
  • störungsfreier Betrieb unter allen Lichtbedingungen, selbst bei direkter Sonneneinstrahlung
  • Erkennung von Objekten unabhängig von der Farbe, einschließlich optisch transparenter Objekte, was die Erkennungsleistung optimiert
  • hohe Augensicherheit, da keine laserbasierten IR-Sensoren erforderlich