CN107431122A - 微型微机械超声波测距仪 - Google Patents

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Abstract

一种微型测距仪，包括壳体、微机械超声波换能器和信号处理电路。壳体包括基板和盖。壳体具有一个或多个孔，并且微机械超声波换能器安装在孔上。微机械超声波换能器可以用作发送器和接收器二者。集成电路被配置为驱动换能器以发送声学信号，检测返回信号，并且确定发出声学信号与检测到返回信号之间的飞行时间。

Description

微型微机械超声波测距仪
优先权要求
本申请要求2014年8月1日提交的美国临时专利申请62/032,041号的优先权权益，该申请的全部公开内容通过引用并入本文。
资料受版权保护的通知
本专利文档中的部分资料受到美国和其他国家的版权法的版权保护。版权所有者不反对任何人摹写复制在美国专利和商标局公开可用的文件或记录中出现的专利文档或专利公开，但是除此以外保留所有任何版权。版权所有者不据此放弃其使本专利文档保密的任何权利，包括但不限于其依据37 C.F.R.§1.14的权利。
背景技术
接近传感器用于各种消费电子设备，包括在蜂窝电话中。在蜂窝电话中，接近传感器用于检测用户何时将电话靠近他们的耳朵，使得触摸屏可以被禁用。用于该应用的现有传感器是基于红外(IR)发光二极管(LED)和一个或多个光电探测器的光学接近传感器。典型的接近传感器(诸如安华高(Avago)的APDS-9950、陶斯(Taos)的TMD2771、凌耀(CapellaMicrosystems)的CM36683P)通过检测从物体反射的IR光的强度而起作用。当反射的IR电平超过预定阈值时，接近传感器指示物体何时接近传感器，通常在传感器的100mm+/-20mm内。
这些接近传感器受到多个限制。第一个是反射的IR强度是接近度的不良测量：从相同距离处的两个物体反射的IR光将取决于物体的大小和颜色。该问题对于具有黑头发和/或皮肤的蜂窝电话用户非常明显，他们经常发现他们的蜂窝电话显示器和触摸屏在他们使用电话时没有适当地禁用。第二个问题是LED源所需的高功率，其可能消耗超过10毫瓦(mW)。典型的蜂窝电话的待机功耗约为50mW，因此大多数时间必须关闭接近传感器，以避免耗尽电池。第三个问题是光学接近传感器仅可以在有限的范围(大约100mm)上检测物体。对于平板、笔记本计算机和监视器中的应用，期望能够在更长的范围(高达600mm或更多)上检测物体。最后，许多应用需要当前光学接近传感器完全不能提供的(例如到用户的手或头部的)距离的精确测量。
因此，需要的是一种接近传感器，其提供到物体的距离的精确测量，不依赖于物体的颜色或大小，功率低(理想地低于1mW)，并且可以在短距离(1cm)和长距离(>10cm)二者操作。
发明内容
本公开的各方面一般涉及超声波测距仪和接近传感器。在各种实现方式中，超声波测距仪可以包括包含微机械超声波换能器和专用集成电路(ASIC)的壳体。在各种实现方式中，测距仪可以具有数字串行接口和用于当在测距仪的预定范围内检测到物体时发信号的中断引脚。串行接口允许最终用户对预定范围进行编程，读出所检测到的物体的距离，并且配置测距仪的各个方面。测距仪可以用于接近感测应用中，诸如在消费电子器件中。可以一起使用多个测距仪以允许三角测量三维空间中的物体位置。
附图说明
通过参考以下附图将更充分地理解本发明，以下附图仅用于说明目的：
图1A-1B图示了根据本公开的各个方面的超声波测距仪的操作。
图2是根据本公开的一方面的测距仪的横截面图。
图3是根据本公开的一方面的测距仪的底视图。
图4A是根据本公开的一方面的微机械超声波换能器的顶视图。
图4B是沿图4A的A-A线所取的图4A的微机械超声波换能器的剖面横截面透视图。
图5是根据本公开的一方面的包含测距仪的电子组装件的实施例的框图。
图6是根据本公开的一方面的超声波测距仪的实施例的框图。
图7是图示根据本公开的一方面的操作超声波测距仪的方法的状态图。
图8是根据本公开的一方面的测距仪的替选实现方式的横截面图。
图9是根据本公开的一方面的测距仪的又一实现方式的横截面图。
具体实施方式
尽管在此的描述包含许多细节，但是这些不应被解释为限制所要求保护的发明的范围，而是仅仅提供对本公开的一些方面的说明。因此，应当理解，本发明的范围完全包括本领域技术人员可以理解的其他实现方式。
根据本公开的一方面，超声波测距仪可以包括在与微机电系统(MEMS)麦克风的壳体类似的小壳体中封装在一起的微机械超声波换能器(MUT)和专用集成电路(ASIC)。应当理解，以下实施例仅作为示例提供，并且许多变型和修改是可能的。例如，虽然实现方式被示为在壳体的底部具有声学端口，但是声学端口可以具有其他位置，诸如在壳体的顶部中。对于本领域普通技术人员而言显而易见的所有这样的变型旨在落入本公开的范围内。还应当理解，附图不一定是按比例的，其中重点在于在此公开的测距设备的区别特征。
本主题的益处包括但不限于：1)可以使用超声波飞行时间(time-of-flight)而不是简单的反射强度来测量到物体的距离的测距仪，并且因此提供比现有光学接近传感器更准确的测量；2)与现有光学接近传感器不同，超声波飞行时间测量对物体的颜色不敏感，因此其提供对大范围的物体的距离和接近度的更一致的测量；3)超声波换能器消耗远小于在光学接近传感器中使用的类型的光源的功率；4)集成电路电子器件提供简单的数字接口，使得传感器比现有超声波传感器更容易使用；5)集成电路电子器件可以并入电荷泵，使得测距仪仅需要低压电源输入；6)超声波测距仪可以用作超声波的发送器和接收器二者，从而消除对单独的发送器和接收器设备的需要；7)超声波测距仪具有比其他超声波传感器更低的制造成本。
图1A-B图示了根据本公开的各个方面的超声波测距仪10的操作。测距仪10发送超声波14的脉冲。当原始超声波脉冲14从物体12反射时，基于反射回波16检测到接近测距仪10的物体12。作为从发送原始脉冲14到接收到反射回波16所经过的时间的飞行时间(ToF)用于检测物体12与测距仪10的距离。使用声速的已知值c，将距离计算为距离＝ToF*c/2。虽然图1A-B示出了单个物体12，但是也可以检测与测距仪10具有不同距离的多个物体。
图2图示了超声波测距仪的实施例的横截面图。测距仪包括基板18、微机械超声波换能器(MUT)20、专用集成电路22和盖24。基板18可以由类似于在MEMS麦克风的封装中常用的层压材料构成。许多材料可以用于盖24，包括层压板、塑料或金属。作为示例而非作为限制，集成电路(IC)22可以是专用集成电路(ASIC)。如本领域技术人员通常理解的，术语ASIC通常是指针对特定用途定制的IC，而不是旨在用于通用用途。ASIC有时被称为片上系统(SoC)。ASIC设计的示例包括标准单元、门阵列，诸如现场可编程门阵列(FPGA)，全定制和结构化。
声孔或端口26可以位于MUT 20下方，使得端口26在MUT 20中形成的腔或管道28下方对准。可以使管道28的直径30和长度34以及端口26的直径32和长度26形成所需尺寸，以使端口26和管道28形成声谐振器，以便增强MUT的声学性能。对于给定的操作频率f，当声谐振器的有效长度Le等于四分之一波长的奇数倍时发生谐振条件，Le＝n*λ/4，其中n＝1,3,5...为奇整数，λ＝c/f为具有速度c和频率f的声音的声波长。有效长度Le是管道长度34和端口长度36之和加上由管道直径30和端口直径32确定的校正因子α。对于具有大约相等的管道直径30和端口直径32的圆形端口，校正因子约等于α＝0.35*D，其中D是端口26和管道28二者的直径。对于其他几何形状，校正因子α可以在0.25至0.7的范围内。在一些实施例中，声谐振器可以包括其中并入测距仪10的产品内的声管。作为示例而非作为限制，可以穿过产品的覆盖玻璃或壳体钻出圆柱形洞。在该情况下，声谐振器的长度为基板18中的端口26、MUT 20中的管道28和覆盖玻璃或壳体中的声管的长度之和。
测距仪的高度38通常为0.4mm至3mm，具体可以在0.5mm至1.5mm的范围内，更具体地为0.7mm至1.3mm。考虑内部尺寸，MUT 20的顶部与盖24之间的间隙40被选择为使得从盖24反射的声音不会降低测距仪的声学性能。作为说明，对于在200kHz操作的MUT，声波长为λ＝1.7mm，并且间隙40被选择为小于λ/4＝0.43mm。替选地，通过设置间隙40以增加由于从盖24反射的声音所引起的阻尼，间隙40可以被选择为使MUT 20的带宽最大化。
图3图示了测距仪的实施例的底视图。基板18包含多个电接触垫42，其提供到MUT和ASIC的电连接。声学端口26被密封环44包围，密封环44可以使用焊料回流工艺附接到最终用户电路板。接触垫42上携带的信号可以包括电源、地、中断引脚和数字串行接口，例如串行外围接口(SPI)或集成电路总线(I2C)。下表示出了在I2C串行接口的情况下在接触垫42上携带的信号的示例：
表1
信号 描述
VDD 电源电压
GND 地
SCL I2C接口的串行数据时钟
SDA I2C接口的串行数据I/O端子
INT 中断引脚
图4A示出了微机械超声波换能器(MUT)20的一个实施例的顶视图。图4B示出了MUT20的一个实施例的横截面图，其对应于通过图4A中的线AA切割的横截面。已经证明了各种类型的MUT，在其之中的为电容式MUT(CMUT)和压电式MUT(PMUT)。每个类型的MUT由薄膜片或隔膜46组成。CMUT和PMUT在用于提供隔膜振动的电换能的方法上不同：在CMUT中，使用电容式换能，而在PMUT中使用压电式换能。图4A-4B示出了具有环绕(span)隔膜46的周边的压电材料环52的PMUT。顶部电极48和底部电极50提供到压电环52的电接触，压电环52将隔膜46的振动转换为电信号。当MUT用作发送器时，施加在电极48与电极50之间的电信号产生隔膜46的振动，从而发射声压波。当MUT用作接收器时，入射在隔膜46上的声压波引起隔膜振动，从而在电极48和50上产生可测量的电信号。
在图4A-4B所示的实现方式中，隔膜46由沉积在MUT基板56的表面上的薄钝化层54形成。诸如硅、二氧化硅、氮化硅之类的各种材料可以用于形成钝化层54。MUT基板56可以由硅或者诸如玻璃之类的其他材料制成。管状谐振腔28被蚀刻到MUT基板56中以释放隔膜46。当基板56为硅时，可以使用深反应离子蚀刻(DRIE)来蚀刻腔28。MUT基板56的厚度确定管道28的长度34，并且腔28的直径30由DRIE工艺确定。图4A-4B示出了圆形腔28和隔膜46，然而许多其他配置(包括正方形、六边形和矩形)是可能的。腔28的直径示为与隔膜46的直径相同，然而腔28可以小于或大于隔膜46。
根据本公开的各方面，在此描述的类型的声学测距装置可以并入电荷泵，以将输入电源电压转换为用于发送超声波的更高电压。测距装置还可以包括允许最终用户对最小和最大距离阈值进行编程的数字串行接口。当在距离阈值内检测到物体时，测距仪将数字输出中的一个设置为高电平，从而指示已在范围内检测到物体。最终用户还可以通过数字串行接口读取到物体的距离。
关于测距电子子组装件提供进一步细节。在图5的实施例中，除了MUT20之外的所有块包含在控制测距测量的ASIC组装件22中。应当理解，ASIC组装件22可以包括单个集成电路或多个集成电路，并且可以包括附加的分立组件。
在图5所示的实现方式中，测量周期开始于由信号生成块200生成发送脉冲。可编程电荷泵226将1V至5V的范围内的输入电源电压升高到发送电压电平，其在1.8V至100V的范围内，更具体地在5V至32V的范围内。可编程电荷泵226还可以向换能器20提供偏置电压。放大器202通过闭合的发送开关204发送信号，以致动微机械超声波换能器20，微机械超声波换能器20发出声音脉冲。放大器202可以被配置为以非线性方式操作。
在10微秒至30毫秒的范围内、更具体地在50微秒至1毫秒的范围内的发送持续时间之后，发送开关204打开并且接收开关210闭合。通过换能器20接收到的回波信号通过放大器212放大，并且通过混频器和滤波器块214解调和滤波。在所示实现方式中，使用相位不敏感的解调器。本领域设计人员将理解，可以代替使用对接收到的回波信号的同相和正交分量进行解调的复合解调器。接收周期在100微秒与50毫秒之间持续，更具体地在200微秒至10毫秒的范围内持续。
比较器218将经解调的回波信号与通过数模转换器216设置的阈值进行比较。比较器218的输出可以用于多个模式。在第一模式中，可编程数字计时器222使用可编程时钟228累积自发送脉冲开始的时间。可编程数字计时器222被配置为当比较器218从低转变到高时将其计数值加载到输出寄存器224中，从而发信号通知接收到回波。可编程数字计时器可以被配置为仅当计数值在某个高与低阈值之间时将其计数值加载到输出寄存器224中，从而发信号通知物体在预编程范围内。可编程数字定时器222可以为了唤醒外部设备而触发外部中断。
在第二模式中，比较器218的输出可以由逐次逼近寄存器(SAR)逻辑220使用以重新配置数模转换器(DAC)216，以提供回波信号值的更好近似。以该方式可以存储回波信号的高分辨率采样。比较器218之前可以是采样和保持块(未示出)，其可以用于周期性地对信号进行采样并将模拟信号转换为对应的数字值。该模拟至数字转换处理的采样率可以在例如1kHz至100kHz的范围内，更具体地在4kHz至40kHz的范围内。SAR逻辑220在每样本4至16次之间重新配置DAC 216，从而提供4至16位之间的分辨率，更具体地提供8至12位之间的分辨率。回波信号的该数字表示存储在存储器(例如输出寄存器224)中。在测量期间，输出信号234可以用于发信号通知唤醒事件、输出距离数据或者输出回波信号数据。
来自外部电子设备的配置信号232配置对设计中的各种块进行控制的配置寄存器230，包括但不限于块200、226、204、210、212、214、220、216和222。可编程时钟228向包括但不限于信号生成块200、可编程电荷泵226、发送开关204、接收开关210、放大器212、混频器和滤波器块214、DAC 216、SAR逻辑220、比较器218、可编程数字计时器222和输出寄存器224的块提供稳定的参考时钟。时钟228用于在测距仪的发送、接收和空闲状态之间进行计时和转变。模拟参考234向包括但不限于可编程电荷泵226、放大器212、混频器和滤波器块214、比较器218和DAC 216的块提供模拟参考信号。
在图6所示的实现方式中，可以如以上关于图2至图5所描述的那样配置的测距仪140可以是包含微处理器142、无线电收发器146、存储器148和多个外围设备144、150的电子组装件154的一部分。可以通过共享总线152连接测距仪140，与(多个)附加外围设备144共享该共享总线152。作为示例而非作为限制，ASIC 22可以耦合到共享总线152。测距仪140可以被配置为以例如1msec与10sec之间的周期、或者更具体地10msec与1sec之间的周期来周期性地进行距离测量。电子组装件154上的其他组件被配置为处于低功率状态。因为测距仪140可以在低功耗模式中操作，所以应当理解，测距仪140可以用作电子组装件154的唤醒开关。当测距仪140检测到进入或退出预定义的距离范围的物体时，其可以发信号通知电子组装件上的其他组件以唤醒并进入较高功率状态。
在一个实现方式中，测距仪140可以被配置为检测某个范围内的物体。在检测到物体时，测距仪唤醒微处理器142，微处理器142使用无线电收发器146通过信道164发送信号。该信号由电子组装件158上的另一无线电收发器156接收，使得微处理器160触发外围设备162进行有用动作。本领域设计人员将理解，类似的实施例可以用于触发不同的(多个)外围设备162的不同动作。这可以包括用有线串行连接或者光学或红外信号设备代替无线电146、信道164和收发器156。应当理解，在一些情况下，收发器146可以仅作为发送器操作，并且收发器156可以仅作为接收器操作。
现在关于测距仪的各种状态的操作提供进一步细节。在图7所示的操作方法中，测距仪在通电时处于开始状态100。在转变时段118之后，测距仪进入睡眠状态102，其中大部分电子电路被断电。例如，在图5中，信号生成块200、放大器202、可编程电荷泵226、发送开关204、接收开关210、放大器212、混频器和滤波器块214、DAC 216、比较器218、可编程数字计时器222、输出寄存器224、SAR逻辑220和/或输出信号234可以被配置为关闭或处于低功率状态。
外部设备或工厂编程可以使得测距仪转变120成接近状态104或者转变124成距离测量状态108。睡眠信号122可以使得测距仪转换到睡眠状态102。
在接近状态104中，进行接近度测量。如果在预定义的限定130内检测到目标，则发出唤醒中断110。测距仪还可以输出测量到的距离。例如，在图6中，测距仪140可以唤醒微处理器142，微处理器142可以基于测量到的距离进行不同的动作，诸如使用无线电146发送信号。在接近状态104中进行测量达可编程时间段之后，测距仪进入空闲状态106。在空闲状态106期间，多个块可以被断电。在可编程时间段之后，时钟触发器128使得测距仪重新进入接近状态104并重复测量。
在空闲状态106期间，外部输入134使得测距仪进入距离测量状态108。
在距离测量状态108期间，测距仪输出到(多个)目标的距离。测距仪还可以被配置为输出由测距仪记录的回波信号的数字化版本。在距离测量状态108之后，测距仪进入空闲状态106。在可编程时间段之后，时钟触发器134使得测距仪重新进入距离测量状态108并重复测量。
在一个实施例中，可以一起使用多个测距仪来确定多个维度中的物体的位置。例如，放置在诸如平板、膝上型计算机或监视器之类的设备的对角中的两个测距仪可以用于确定物体的z轴距离和x轴位置。类似地，三个测距仪可以用于对物体的x、y和z位置进行三角测量。
当多个测距仪一起使用时，可能期望允许测距仪一起协同工作，例如以避免在同时发送的声音脉冲之间的冲突。在这样的应用中，测距仪可以被配置为在通电时进行“发现”操作，类似于在联网中使用的操作，其中一个测距仪发送声音脉冲并等待预定间隔以接收来自第二测距仪的响应脉冲。在接收到第一声音脉冲时，第二测距仪发送响应脉冲。可以对响应脉冲进行编码以将该响应与源自第一脉冲的回波区分开。该过程可以继续，直到所有测距仪都被枚举，之后每个测距仪被配置为以时分复用(TDM)方式进行距离测量，其中第一测距仪在预定时隙中进行测量，随后是第二测距仪，等等，直到所有测量已被完成。如果在“发现”阶段期间两个测距仪同时发送，从而导致冲突，则每个测距仪以类似于以太网协议的方式在重新发送脉冲之前等待随机生成的时间量。这样的过程可以通过适当的编程来实现，其可以例如由图6所示的微处理器142来实现。
在图2和图3所示的实施例中，声学端口26和电接触42位于基板18上。然而，替选实施例是可能的。在图8所示的第二实施例中，MUT 20可以安装在盖24上，并且声学端口26在盖24中。在该第二实施例中，ASIC 22可以保持在基板18上，或者可以与MUT 20一起安装在盖24上。如果MUT 20安装在盖24上并且ASIC 22安装在基板18上，则MUT 20与ASIC 22之间的电连接可以使用盖24和基板18上的导电迹线以类似于用于连接印刷电路板上的电子组件的方式形成。在该实施例中，MUT 20首先电连接到盖24，并且ASIC 22电连接到基板18，并且可以通过可以在盖24与基板18之间创建的导电通孔在盖24与基板18之间建立连接。该工艺可以使用盖24与基板18之间的第三层，该第三层包含通孔(未示出)。
在图9所示的第三实施例中，MUT 20可以安装成使得端口28面向盖24。在该情况下，端口28的直径30和长度34以及端口26的直径23和长度36可以被设计为增强来自端口26的声学输出。在该情况下，MUT 20可以通过共晶接合、焊料接合或凸块接合电连接到基板。
所有引用的参考文献通过引用其整体在此并入本文。除了任何其他权利要求之外，(多个)申请人/(多个)发明人要求保护在此描述的本发明的每个和全部实施例，以及在此描述的任何实施例的任何方面、组件或元素，以及在此描述的任何实施例的方面、组件或元素的任何组合。
所附权利要求不应被解释为包括部件加功能的限制，除非这种限制在使用短语“用于...的部件”的给定权利要求中被明确记载。没有明确陈述“用于”进行特定功能的“装置”的权利要求中的任何元素不应被解释为如35 USC§112(f)中规定的“部件”或“步骤”条款。特别地，在此的权利要求中的“步骤”的使用不旨在援引35 USC§112(f)的规定。

Claims (23)

1.一种声学测距装置，包括：
基板；
安装到所述基板的盖；
在所述基板或盖上的微机械超声波换能器(MUT)，其中所述MUT包括可致动隔膜；
在所述基板上可操作地耦合到所述MUT的集成电路(IC)，
其中所述盖包围所述MUT和所述IC，
其中所述盖或基板包括声孔；
其中所述盖或基板包括将所述IC连接到外部基板的多个电互连；
其中所述IC被配置为驱动所述隔膜以发送声学信号并检测返回信号，并且其中所述IC被配置为确定在发出所述声学信号与检测到所述返回信号之间的飞行时间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述MUT是电容式微机械超声波换能器(CMUT)。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述MUT是压电式微机械超声波换能器(PMUT)。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述声孔形成在所述基板中。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述MUT固定到所述基板以实质上覆盖所述声孔。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述声孔形成在所述盖中。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述MUT固定到所述盖以实质上覆盖所述声孔。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述ASIC固定到所述基板，并且通过在所述盖和基板上或者在所述盖和基板内的导电迹线进行所述MUT与所述ASIC之间的电连接。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述隔膜是由MUT基板的表面上的有源压电层和无源材料层形成的压电单晶体。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述MUT包括环绕所述隔膜的周边的压电材料环，其中所述压电材料环夹在第一电极与第二电极之间，并且其中所述第二电极夹在所述隔膜与所述压电材料环之间。
11.根据权利要求1所述的装置，其中所述隔膜在所述声孔与所述MUT基板之间。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述MUT基板在所述隔膜与所述声孔之间。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为发送声音的初始脉冲并等待预定间隔以从另一声学测距装置接收响应脉冲；以及在从另一声学测距装置接收到第一脉冲时发送响应脉冲。
14.根据权利要求13所述的装置，其中对所述响应脉冲进行编码以将所述响应脉冲与源自所述初始脉冲的回波区分开。
15.根据权利要求13所述的装置，其中所述装置被配置为在重新发送初始脉冲之前等待随机生成的时间量。
16.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置被配置为结合一个或多个其他测距装置以时分复用(TDM)方式进行距离测量。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括电荷泵，以将输入电源电压转换为用于驱动所述隔膜的更高电压。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述集成电路包括允许用户对最小和最大距离阈值进行编程的数字串行接口。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述数字串行接口为串行外围接口(SPI)。
20.根据权利要求18所述的装置，其中所述数字串行接口为集成电路总线(I2C)接口。
21.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述IC的微处理器。
22.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述微处理器的信号收发器。
23.根据权利要求1所述的装置，还包括模数转换器，其将接收到的超声波信号转换为数字表示并将其存储在存储器中。
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