TDK收购Chirp，ToF传感器中闪出黑马—MEMS超声波
2018年，TDK收购高性能超声波传感先锋企业Chirp Microsystems，Chirp成为TDK的全资子公司。Chirp位于美国伯克利，核心技术来自加州伯克利大学。不久前，Chirp首席执行官Michelle Meng-Hsiung Kiang （江梦熊）博士来到上海，接受了电子产品世界等媒体的采访，介绍了其“全球首款MEMS 超声波飞行时间 (ToF) 传感器”。
问：超声波ToF传感器相对于其他竞争技术（光学ToF传感器、红外ToF传感器等）的优势在哪里？
答：与基于红外（激光）技术的ToF产品相比，Chirp的MEMS超声波ToF传感器功耗更低（最多可减少500X）、对照明条件不敏感（能在阳光直射下工作）、可检测暗色和透明物体、测量噪声低得多（低100倍），而且有比基于红外技术的产品有更宽广的视野。
随着ToF传感器的应用数量不断增加，以及快速扩张的大规模市场逐渐成型，Chirp的超声波检测方案预计将在许多垂直领域占据较大的市场份额。功能更强的MEMS超声波ToF传感器将会创造出原先ToF传感器从未企及的全新应用场景（比如面向VR/AR的6DoF控制器追踪以及超声波指纹传感器等），从而进一步促进TAM（总体有效市场）的增长。我们希望在不久的将来，能有越来越多基于MEMS超声波传感器的创新应用和各种产品能够进入市场。
另外，与采用传统技术的超声波ToF传感器相比，Chirp的MEMS超声波ToF传感器是在一体化封装 (SiP)内将PMUT（压电微机械超声波变送器）与混合信号ASIC相结合的一整套系统。这样做的好处是可以大大减小传感器的尺寸和功耗，从而使超声波ToF能被部署到超声波ToF产品此前从未涉足的消费IoT（物联网）应用中。
2 MEMS超声波ToF的应用领域
问：这种技术的应用前景如何？
答：消费电子市场包括许多不同的产品领域，比如VR/AR、智能家居、显示器（包括PC、平板和TV等）、家用电器/机器人（比如机器人真空吸尘器）以及移动/可穿戴设备等等。我们使用“消费IoT”来指代这个广泛的产品领域，Chirp的超声波ToF产品在极低功耗、小尺寸和可靠性能等方面所具备的优势正好能够满足此类产品的需要。我们希望Chirp的产品能够首先进入这些通用性市场，然后逐步扩展到具有更长设计周期的其他垂直领域（比如工业和汽车领域）。
表：两款产品的尺寸和功耗（号称千分之一的尺寸，百分之一的功耗）
问：Chirp已于2017年推出了第一款压电式MEMS超声波ToF传感器，目前是否有客户采用该传感器做出商用产品？
答：首批采用Chirp传感器并发布商业化产品的客户来自VR（虚拟现实）领域，比如HTC和Pico。与此同时，Chirp正在与各个行业（包括智能家居、PC、机器人和汽车等）的客户合作，希望未来几年能有更多客户发布采用Chirp传感器的产品。
问：TDK与高通的合作中也包括了Chirp的合作。目前Chirp与高通的合作进展如何？
答：Chirp已经与高通合作实现了Snapdragon Mobile XR参考平台上的6DoF控制器追踪。它现在可以支持SD845，也兼容早期的芯片组（比如SD835等）。
问：您展示的应用案例中有手表，用途是在手表的侧面进行手势识别。手表为何也可能用到它？
答：手表的表盘较小，人手在表盘上操作不方便，因此在手表的右侧安装这种传感器，可以识别右手的手势。
3 被TDK收购的效果
问：2018年初Chirp被TDK收购，时隔一年，这次合并对Chirp的影响是什么？
答：自从一年前并入TDK的Sensor Systems Business Company（SSBC）以来，我们一直在着手将Chirp整合到SSBC的MEMS Business Group，它们具有相同的无晶圆业务模型，而且其MEMS产品线正好与Chrip超声波检测方案互补。Chirp的主要办公和研发活动仍在伯克利进行，但是也有许多研发、销售和运营人员奔赴TDK的全球工作地点开展工作。
目前，Chirp正在加速推进第一款传感器产品的量产，以及支持多个垂直领域的一级客户将Chirp的解决方案应用到客户产品中。
Chirp与TDK业务之间巨大的协同效应是两家公司一年前合并的主要原因，我们将继续努力实现先前达成的共同愿景，那就是通过合并助力Chrip的业务更快更好地发展。
4 Chirp的详细资料说明
以下是Chirp江梦熊博士提供的官方资料，进一步阐述了MEMS 超声波飞行时间 (ToF) 传感器及应用。
基于 MEMS 的微型“硅芯片声呐”装置提供了毫米级精度的距离传感功能，并具有业内最低的功耗。这种 MEMS 超声波传感器可用于距离测量、位置追踪、人员存在检测以及消费电子、机器人、无人机等领域的避障应用。
超声波飞行时间 (ToF) 传感器通常被认为是适用于汽车、工业以及无人机和机器人应用的最佳距离传感器。相比于光学传感器或红外传感器，它具有诸多优势。它可提供最精确的距离测量，不受目标物体的尺寸或颜色的影响，也不受环境噪音的干扰，并且可以在阳光直射的环境下使用。这些优点以及坚固耐用、精确和可靠的特点让超声波传感器广泛应用于工业及汽车应用。然而，直至今天，超声波传感器仍需要复杂的信号处理，由于尺寸巨大而无法适用于消费电子产品。
4.1 千分之一的尺寸，百分之一的功耗
现在，TDK 公司推出了一个基于 MEMS 的微型超声波传感器产品，相比于传统的超声波传感器，它可以提供相同的性能和可靠性，但其尺寸只有传统产品的千分之一，功耗低至传统产品的百分之一。这种微型传感器尺寸微小，可以集成到紧凑的消费品中使其具备超声波检测能力，例如，用于智能手机和可穿戴设备中。测量距离时，这种传感器首先发射超声波脉冲，然后听传感器视场范围内目标物的反射回声。每个回声均以声速传播，通过测量回声的飞行时间可精确地测量传感器至目标物的距离。
图1：MEMS 超声波传感器的顶面和底面。
图2：传感器方框图显示了与压电式 MEMS 超声波传感器 (PMUT) 相连的 CMOS 片上系统 (SoC)
目前，有两种产品可向客户提供工程样品，即最大传感范围为 100 cm 的 CH-101 型和最大传感范围为 500 cm 的 CH-201 长距离型传感器。这些微型装置采用了紧凑的 3.5 mm x 3.5 mm LGA 封装，将压电式 MEMS 超声波传感器(PMUT)与定制的 CMOS 片上系统 (SoC) 结合在一起，完成了所有超声波 ToF 信号处理过程（如图1和图2）。CH-101 和 CH-201 均采用 1.8 V 电源供电，并具有方便的 I2C 接口，可方便地集成到消费电子产品中。
高精度距离测量性能和宽视场
尽管尺寸微小，这种全新的 MEMS 超声波传感器仍具有卓越的性能。例如，CH-201 在 120 cm 处的距离测量信号噪音仅为 0.35 mm (1σ)，是竞品红外 ToF 传感器噪音的百分之一。此外，CH-101 和 CH-201 可提供视场(FoV)最高可达到 180 °，因此只需一个部件就能够实现对整个空间范围的检测。还有多种外壳参考设计可供选择，使得客户能通过改变传感器声学端口周围区域的形状以聚焦和引导超声波束，从而实现所需的水平和垂直视场。
图3：CH-201 型传感器的距离噪音仅为传统红外 ToF 传感器的百分之一（左图）窄视场外壳是可用的参考设计之一，可将传感器超声波束整形以实现预期的视场（右图）。
超低功耗的片上系统 (SoC) 控制整个 ToF 处理过程：发送超声波脉冲，将接收的超声回波数字化，检测 ToF 到最近目标并通过 I2C 返回 16 位 ToF 信号。片上系统 (SoC) 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 8 µA。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 和 CH-201。此外，单个微控制器即可控制多个 CH-101 和 CH-201 传感器，有助于实现复杂的多传感器测量功能。
极其广泛的潜在应用
全新的 MEMS 超声波传感器是无人机及机器人等应用注定要选择的产品，在这类应用中，其它类型的距离传感器无法提供所需的性能。它们也是智能音箱等智慧家庭产品的理想选择，在这类应用中，被动红外(PIR)和光学接近传感器都没有超声波传感器有效。这种微型超声波传感器还可以精确地追踪目标物，例如，在虚拟现实和增强现实(VR/AR)系统中，追踪手持式游戏控制器。智能手机是另一个重要的应用领域：由于 CH-101 具有宽视场，即使安装在手机的顶部或底部仍能够实现精确的距离测量，因此设计师可以省略手机前面的光学接近传感器，从而实现手机全面屏设计。
在距离测量和物体探测应用中，以前被迫在大尺寸超声传感器与基于激光的红外 ToF 传感器之间选择的设计师们现在可以受益于新型超声波传感器的能力：
• 提供精确、低延时的距离测量结果，测量速度高达每秒采样 100 次，位置噪音小于1mm；
• 在人员接近、移动和活动检测等应用中可实现传感器始终保持工作状态，功耗低至 15 µW；
• 探测物体的视场高达 180°，因此一个传感器就能够检测整个房间场景；
• 在所有照明条件下均能完美工作，即使在阳光直射的环境下；
• 可探测任何颜色的物体，包括透明物体，提高了目标物探测能力；
• 通过避免使用基于激光的红外传感器来保护眼睛。
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