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Technologie-Offensive

Erster MEMS-Ultraschall-ToF-Sensor

14. Januar 2019, 8:53 Uhr | Engelbert Hopf

Dieser MEMS-Ultraschall-ToF-Sensor ist bis zu 1000-mal kleiner und verbraucht bis zu 100-mal weniger Strom als herkömmliche Sensoren.

TDK hat den weltweit ersten MEMS-Ultraschall-ToF-Sensor für die millimetergenaue Entfernungsmessung vorgestellt.

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Eine 4D-Transponderspule, die als bislang einzige auf der Welt vier Messmodi im gleichen Gehäuse ermöglicht, und ein 3D-Hall-Effekt-Positionssensor mit Streufeldkompensation komplettieren die Vorstellung der neuesten Produktentwicklungen des TDK-Konzerns.

TDKs Tochterunternehmen Chirp hat das weltweit erste MEMS-basierte „Sonar on a Silicon Chip“-System auf den Markt gebracht. Es ermöglicht eine millimetergenaue Entfernungsmessung bei niedrigstem Stromverbrauch. Diese MEMS-Ultraschallsensoren treiben die Weiterentwicklung der Entfernungsmessung, Ortung, Präsenzerkennung und Kollisionsvermeidung unter anderem bei Geräten der Konsumelektronik sowie in der Roboter- und Drohnen-Technik voran.

Ultraschallsensoren, die das Time-of-Flight-Laufzeitverfahren (ToF) nutzen, sind robust, genau und zuverlässig. Bislang waren sie aber wegen ihrer Abmessungen ungeeignet für kompakte, mobile Geräte wie Smartphones und Wearables. Genau hier setzen die sehr kleinen Chirp-MEMS-Ultraschallsensoren an: Sie bieten die gleiche Leistung und Zuverlässigkeit wie herkömmliche Ultraschallsensoren, sind aber bis zu 1000-mal kleiner und ihr Stromverbrauch ist bis zu 100-mal geringer.

Zwei Sensormodelle stehen als Entwicklungsmuster zur Verfügung: der CH-101 mit maximaler Reichweite von 100 cm und der CH-201 für eine Entfernung von bis zu 500 cm. 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. Sowohl der CH-101 als auch der CH-201 werden mit 1,8 V betrieben und bieten eine I2C-Schnittstelle. Der Stromverbrauch beträgt bei einer Messrate von einer Messung pro Sekunde nur 8 µA.

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3D-Hall-Effekt-Positionssensor mit Streufeldkompensation

Im Bereich der Magnetfeldsensoren haben in jüngster Zeit immer strengere Vorgaben an die Streufeldkompensation zu neuen Design-Herausforderungen geführt. Das autonome Fahren etwa und strengere Sicherheitsanforderungen an die Funktionsfähigkeit sowie der wachsende Bedarf an digitalen Schnittstellen erfordern eine neue Art Sensor mit größerer Funktionalität und Flexibilität. TDK stellt dafür nun die neuartigen 3D-Hall-Effekt-Positionssensoren der Produktfamilie Micronas HAL 39xy mit Streufeldkompensation und hochflexibler Architektur vor. Sie bewältigen die anspruchsvollen Herausforderungen der Automobil- und Industrie-Elektronik und ermöglichen nicht nur die äußerst präzise Messung von Magnetfeldern, sie reagiert auch unempfindlich auf störende Magnetfelder.

Für die Streufeld-Kompensation der Micronas-HAL39xy-Sensoren sorgt ein Array von vertikal und horizontal angeordneten Hall-Platten. Herzstück des Sensors ist eine patentierte 3D-Hall-Pixel-Zelle. Das hochflexible Sensor-Array erlaubt es, das für die jeweilige Messaufgabe am besten geeignete Streufeld-Konzept auszuwählen.