《TDK-Chirp超声波ToF传感器》
2020-02-15 08:50:02   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

TDK-Chirp压电MEMS超声波ToF传感器CH-101利用超声波换能器(PMUT)芯片发射超声波脉冲,然后接收传感器视场中目标物体返射的回波。通过计算超声波飞行时间,传感器可以确定某一物体相对于该器件的位置,同时触发编程行为。

TDK-Chirp Ultrasonic Time of Flight Sensor

——逆向分析报告

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TDK-Chirp超声波ToF传感器

全球首款压电MEMS超声波换能器(PMUT)飞行时间(ToF)传感器,实现超宽视场角和超低功耗,提供毫米级测距精度

根据Yole发布的《医疗、工业和消费类应用的超声波传感技术》报告显示,面向消费电子和汽车领域的压电MEMS超声波ToF传感器市场仍处于起步阶段,主要应用是汽车舱内手势识别、虚拟现实/增强现实、家用机器人、智能音箱和无人机,预计2023年将达到2200万美元。

据麦姆斯咨询报道,2019年,日本TDK公司宣布在全球范围内立即推出基于子公司Chirp Microsystems的MEMS超声波ToF传感器:CH-101。此款ToF传感器利用微型超声波换能器芯片发射超声波脉冲,然后接收传感器视场中目标物体返射的回波。通过计算超声波飞行时间,传感器可以确定某一物体相对于该器件的位置,同时触发编程行为。

TDK-Chirp超声波ToF传感器

TDK-Chirp超声波ToF传感器

TDK-Chirp超声波ToF传感器封装尺寸为3.5mm x 3.5mm x 1.25mm,内部包括自研的MEMS超声波换能器芯片,以及定制的低功耗混合信号ASIC芯片。此款ToF传感器可以具有多种超声波信号处理功能,从而为客户提供广泛的用例场景,包括测距、存在/接近感应、物体检测/避障以及位置跟踪等。

TDK-Chirp超声波ToF传感器CH-101封装外形及尺寸

TDK-Chirp超声波ToF传感器CH-101封装外形及尺寸

左侧图为MEMS超声波ToF传感器实物产品,右侧方框图为显示了与压电MEMS超声波换能器(PMUT)芯片相连的ASIC芯片各模块

左侧图为MEMS超声波ToF传感器实物产品,右侧方框图为显示了与压电MEMS超声波换能器(PMUT)芯片相连的ASIC芯片各模块

ASIC芯片控制整个ToF传感过程:发送超声波脉冲,将接收的超声回波数字化,检测飞行时间到最近目标并通过I2C接口返回16位ToF信号。ASIC芯片使唤醒检测应用能够始终处于工作状态;在每秒1次采样测量的状况下,总电流消耗低至8µA。由于驱动程序采用C语言编写,开发者可以在嵌入式系统中轻松使用CH-101。此外,单个微控制器即可控制多个CH-101,有助于实现复杂的多传感器感测功能。

CH-101是全球首款实现商用的压电MEMS超声波ToF传感器,主要应用于消费电子、增强现实/虚拟现实(AR/VR)、机器人、无人机、物联网(IoT)、汽车和工业市场领域。TDK-Chirp的MEMS超声波产品系列还包括专用于室内传感应用的超声波ToF传感器CH-201,以及全套软硬件系统解决方案Chirp SonicTrack™,可以实现AR/VR系统由内到外的六自由度位姿(6-DoF)控制器跟踪。

TDK-Chirp超声波ToF传感器:CH-101 vs. CH-201

CH-101 vs. CH-201

CH-101中的压电MEMS超声波换能器芯片由意法半导体(STMicroelectronics)生产制造。意法半导体开发了氮化铝(AlN)制造平台,以增加其MEMS组合技术。但是,AlN压电换能器的制造需要多项特殊MEMS工艺才能实现,例如薄膜沉积、刻蚀等。

TDK-Chirp压电MEMS超声波换能器芯片

TDK-Chirp压电MEMS超声波换能器芯片

这款压电MEMS超声波ToF传感器的成功秘诀不仅在于压电材料,还包括硅薄膜的设计与制造。因为硅薄膜的物理尺寸、质量和刚度决定了其谐振频率。该芯片的所有结构设计都是为了获得良好的谐振频率。

与光学ToF传感器相比,TDK-Chirp的MEMS超声波ToF传感器平台具有众多优势:

- 超低功耗运行,可为电池供电型设备提供永久在线(always-on)传感

- 无论物体的尺寸或颜色,都可以提供准确的距离测量;甚至可以精确检测透光的目标物体

- 不受环境噪声的影响,室内的宠物无法察觉

- 能够在所有光照条件下运行,这与红外ToF传感器不同,红外ToF传感器无法在阳光直射下正常工作

- 与基于激光的红外ToF传感器相比,能够确保人眼安全

- 最大180°的自定义视场,使单个传感器能够支持整个房间的场景感知

本报告对TDK-Chirp超声波ToF传感器CH-101进行详细分析,包括MEMS超声波换能器芯片和ASIC芯片。该ASIC芯片具有驱动脉冲生成、测量回波、DSP算法和I2C通信等功能。此外,我们还对CH-101进行成本分析和价格预估。最后,还将CH-101与Vesper的压电MEMS麦克风VM1000进行对比分析,比较它们在封装集成、MEMS芯片和ASIC芯片上的异同。

TDK-Chirp超声波ToF传感器CH-101拆解与逆向分析

TDK-Chirp超声波ToF传感器CH-101拆解与逆向分析

报告目录:

Overview/Introduction
• Executive Summary
• Reverse Costing Methodology

Company Profile
• TDK Chirp
• CH-101
• STMicroelectronics

Teardown Analysis
• Summary of the Physical Analysis
• Packaging
• Package views
• Package cross-section
• Package patents
• Sensor Die
• Sensor die view and dimensions, process, cross-section and process characteristics
• ASIC Die
• ASIC die view and dimensions
• ASIC delayering and main blocks
• ASIC die process, crosssection and process characteristics
• TDK CH-101. vs Vesper VM1000

Manufacturing Process
• Sensor Die Front-End Process and Fabrication Unit
• ASIC Die Front-End Process and Fabrication Unit
• Final Test and Packaging Fabrication Unit
• Summary of the Main Parts

Cost Analysis
• Summary of the Cost Analysis
• Yield Explanations and Hypotheses
• Sensor Die
• Sensor die front-end cost
• Sensor die probe test, thinning and dicing
• Sensor die wafer cost
• Sensor die cost
• ASIC Component
• ASIC die front-end cost
• ASIC die probe test, thinning and dicing
• ASIC component cost
• Complete Module
• Assembled components cost
• Summary of the assembly
• Module component cost

Selling Price

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