Lernen aus der Tierwelt:
Weltweit erste MEMS-Ultraschall Time-of-Flight Sensoren

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Kommunikation nach dem Vorbild der Delfine:
Ingenieure haben sich schon häufig und sehr erfolgreich Inspiration aus der Tierwelt geholt.

Ultraschall
Delfine nutzen Ultraschall-Laute nicht nur zur Verständigung, sondern auch zur Orientierung. Dabei verfügen sie über ein natürliches Sonar-System. Das Prinzip: Je weiter ein Gegenstand entfernt ist, desto mehr Zeit benötigen die Echos, um nach der Reflexion zurückzukehren. Dabei lässt das Delfin-Sonar auch einen Rückschluss auf die stoffliche Zusammensetzung von Objekten zu. Jeder Gegenstand erzeugt nämlich ein ganz charakteristisches Reflexionsspektrum.

Time-of-Flight (ToF)
Wir kennen heute die Time-of-Flight (ToF) Sensoren aus z.B. Drohnen und Smartphones. Dort wird bislang die Infrarot (IR) Technologie genutzt. Anhand der Berechnung von Signallaufzeiten kann der Sensor die Position eines Objektes in Bezug auf ein Gerät bestimmen und ggf. eine programmierte Aktion auslösen. Beim IR-Sensor erfolgt dies mittels einem Lichtimpuls.

Einzigartig – Ultraschall und ToF in einem 3,5 x 3,5 mm Sensor
TDK Chirp Microsystems hat nun eine hochwertige 3D-Sensortechnologie entwickelt. Diese baut auf dem Sonar-Prinzip auf und verknüpft sie mit der ToF-Sensor-Technologie. Die Time-of-Flight (ToF) Ultraschall-Sensoren CH101 und der CH201. In der Industrie sind es aktuell die einzigen MEMS-basierten Sonar auf einem Chip in mm-Größe.

Reichweiten von 4 cm bis zu 5 m
Die Reichweite der ToF Ultraschall-Sensoren liegt bei 4 cm bis 5 m. Das Sichtfeld umfasst 180° bei einer Genauigkeit von bis zu 0,2 mm.

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Die ToF-Ultraschall-Sensoren haben einen MEMS PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) mit einem leistungseffizienten digitalem Signalprozessor (DSP) ASIC integriert. Das Ganze findet sich in einer kleinen Gehäusegröße von 3,5 mm x 3,5 mm x 1,26mm.

  CH101 CH201
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Reichweite 4 cm bis 120 cm  20 cm bis 500 cm
Stromverbrauch 12 µA bis 50 µA  14 µA bis 247 µA
Genauigkeit 1,0 mmRMS @ 30 cm  0,2 mmRMS @ 1 m
Temperaturbereich -40 ºC bis 85 ºC
I2C Schnittstelle
Spannung 1,8 V (1,62 V bis 1,98 V)
Gehäuse 3,5 x 3,5 x 1,26 mm 8-Pin LGA Gehäuse

Während der CH101 sehr genaue Entfernungsmessung zu Zielen bis 1,2 m liefert, eignet sich der CH201 besonders gut für Entfernungsmessung bis 5 m.

Ideal für Social Distancing und Industrieanwendungen
Der Sensor beherrscht viele Funktionen und Algorithmen zur Verarbeitung von Ultraschallsignalen. Das ermöglicht Ihnen neue flexible industrielle Designoptionen für Ihre Entwicklung. Mit den neuen ToF Ultraschall-Sensoren können Sie Entfernungsmessung, Anwesenheits- und Näherungssensorik, Objekterkennung und -vermeidung sowie Positionsbestimmung sehr gut realisieren.

Sie sind in der Lage, Ziele beliebiger Beschaffenheit bei allen Lichtverhältnissen zu erfassen. Auch transparente/durchsichtige Gegenstände wie Glas werden somit deutlich wahrgenommen. Ebenso die Farbe oder ob das Ziel transparent ist, wird deutlich erkannt. Mit der neuen Technologie können Sie eine Vielzahl von Anwendungen umsetzen wie z.B. Hindernisvermeidung, Anwesenheitserkennung, Robotik, Sicherheit und Überwachung, AR/VR, Drohnen, Flüssigkeitsstanderfassung, Smart Home/Gebäude und allgemeine IoT Anwendungen.

Das breite Sichtfeld (Field of View - FoV) des Sensors kann individuell angepasst werden und ermöglicht gleichzeitige Entfernungsmessungen zu mehreren Objekten innerhalb des FoV. Diese Anpassungen lassen sich mit Akustik-Gehäuseoptionen realisieren. Sie sind als File hier zum Download bereit.

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Zusammenfassung und Fazit
Ob Social Distancing oder Industrieanwendungen: Die MEMS-Ultraschall-ToF-Sensorlösungen von TDK Chirp Microsystems bieten zahlreiche Vorteile gegenüber den optischen IR-ToF-Sensoren:

  • Ultra-niedriger Stromverbrauch
  • Präzise Entfernungsmessung unabhängig von der Größe oder Farbe des Ziels; selbst optisch transparente Objekte wie Fenster und Glastüren/-wände werden zuverlässig erkannt
  • Unempfindlich gegenüber Umgebungsrauschen
  • Funktioniert bei allen Lichtverhältnissen
  • Bietet Augensicherheit
  • Erkennung von Objekten in einem Sichtfeld von bis zu 180° - dadurch kann ein einziger Sensor raumgreifende Messungen unterstützen

Entwicklungsboards und Muster für den schnellen Einstieg

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