مستشعر محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية MEMS: تعزيز التقدم التكنولوجي AR / VR

يتم استخدام أنظمة الواقع المعزز / الواقع الافتراضي (AR / VR) بشكل متزايد في مجالات مختلفة، مثل الترفيه والتعليم والرعاية الصحية والتطبيقات الصناعية الأخرى. وباستخدام هذه التقنيات، يمكن للمستخدمين محاكاة المهام المعقدة أو العمليات الجراحية في مساحة افتراضية. تتيح تقنية الاستشعار للمستخدمين الحصول على تجربة واقعية في الفضاء الافتراضي من خلال تحديد المواقع / اكتشاف الحركة المتقدم والدقيق. يستخدم أحدث نظام AR / VR تقنية وقت الرحلة (ToF) لقياس المسافة إلى جسم ما، وقد اجتذب محول قياس العمق بالموجات فوق الصوتية اهتمامًا كبيرًا.

يتم استخدام أنظمة الواقع المعزز / الواقع الافتراضي (AR / VR) بشكل متزايد في مجالات مختلفة، مثل الترفيه والتعليم والرعاية الصحية والتطبيقات الصناعية الأخرى. وباستخدام هذه التقنيات، يمكن للمستخدمين محاكاة المهام المعقدة أو العمليات الجراحية في مساحة افتراضية. تتيح تقنية الاستشعار للمستخدمين الحصول على تجربة واقعية في الفضاء الافتراضي من خلال تحديد المواقع / اكتشاف الحركة المتقدم والدقيق. يستخدم أحدث نظام للواقع المعزز/الواقع الافتراضي تقنية زمن الرحلة (ToF) لقياس المسافة إلى جسم ما، وقد جذبت أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية اهتمامًا كبيرًا.

التحدي المتمثل في جعل AR / VR أكثر واقعية: تقليل حجم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية
مع شاشات العرض المثبتة على الرأس المختلفة (HMD) AR / VR، بدأت تصبح متاحة بأسعار معقولة في عام 2016، وقد نما سوق AR / VR العالمي بشكل كبير، وبحلول عام 2025، من المرجح أن يتجاوز حجم السوق 11 مليار دولار أمريكي (المصدر: 'الآفاق المستقبلية للأسواق ذات الصلة بالواقع المعزز / الواقع الافتراضي لعام 2017'، فوجي كامري جنرال الأبحاث). تم استخدام أنظمة الواقع المعزز/الواقع الافتراضي بشكل أساسي في تطبيقات الترفيه مثل الألعاب في الماضي، ولكن من المتوقع أن يزداد استخدامها في مجالات أخرى، مثل التجميع والتصنيع والنقل وتجارة التجزئة والتعليم والرعاية الصحية.
السوق العالمية للواقع المعزز/الواقع الافتراضي

باستخدام أحدث طراز من نظام AR/VR، يمكن للمستخدمين محاكاة العمليات الجراحية المعقدة في الفضاء الافتراضي. شاشة عرض مثبتة على الرأس ووحدة تحكم يدوية بستة درجات من الحرية (6-DoF1) تجعل هذا التطبيق ممكنًا. وبهذه الطريقة يمكن تحقيق التوليف السلس بين حركة الإنسان في الفضاء الافتراضي وحركة الإنسان في الفضاء الفعلي. ويرجع ذلك إلى تقنية تعتمد على أجهزة الاستشعار تسمى تتبع الموقع 2، والتي تستخدم طريقة ToF لقياس المسافة إلى كائن ما.

تقوم تقنية محول الطاقة عن بعد بالموجات فوق الصوتية ToF بقياس المسافة إلى جسم ما بناءً على الفارق الزمني بين انعكاس الضوء أو الأشعة تحت الحمراء أو الموجات فوق الصوتية من الجسم وإعادتها إلى المستشعر. سواء كانت تقنية ToF الضوئية أو الأشعة تحت الحمراء، على الرغم من أنها دقيقة للغاية، إلا أنه لا يمكن استخدامها للقياس في وجود عوائق، فهي مناسبة لقياس المسافة من الزجاج أو الأجسام الشفافة الأخرى. يمكن لتقنية الموجات فوق الصوتية ToF قياس المسافة إلى الأجسام بدقة، حتى لو كانت هذه الأجسام ذات انعكاسية عالية، ولن تتأثر هذه التقنية بظروف إضاءة الكائن وحجمه ولونه. تتطلب مستشعرات ToF التقليدية بالموجات فوق الصوتية معالجة معقدة للإشارات وهي كبيرة جدًا بحيث لا يمكن دمجها في الأجهزة المنزلية

حل ToF مع أجهزة استشعار صغيرة جدًا قائمة على MEMS.
حل TDK لهذا التحدي هو CH-101، وهو مستشعر ToF جديد صغير جدًا بالموجات فوق الصوتية، وهو لا يتجاوز حجمه واحدًا على الألف من حجم مستشعرات ToF التقليدية بالموجات فوق الصوتية. كأول مستشعر بالموجات فوق الصوتية يعتمد على MEMS في العالم. إنه منتج متطور حقًا يجمع بين محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية الكهروميكانيكية الدقيقة (PMUT3) وDSP الموفر للطاقة (معالجة الإشارات الرقمية) 4)، وCMOS ASIC5 منخفض الطاقة مدمجين معًا في حزمة صغيرة بقياس 3.5 × 3.5 × 1.25 مم فقط.

يجمع CH-101 بين PMUT وDSP (معالج الإشارات الرقمية) عالي الكفاءة وCMOS ASIC منخفض الطاقة في حزمة صغيرة بقياس 3.5 × 3.5 × 1.25 مم فقط. 1. يمكن للخفافيش الطيران بحرية في الظلام دون الاصطدام بالأشياء، لأنها تكتشف موقع الأجسام وسرعتها النسبية عن طريق إرسال موجات فوق صوتية نبضية واستقبال أصداء من الأشياء. تسمى هذه الطريقة تحديد الموقع بالصدى، ويتم استخدام نفس المبدأ أيضًا لتتبع موضع أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية.

يحتوي CH-101 على PMUT مضمن يمكنه إصدار نبضات فوق صوتية واستقبال أصداء من الكائنات الموجودة داخل مجال رؤية المستشعر. إلى جانب مجموعة متنوعة من معالجة الإشارات المختلفة، يمكن استخدام المنتج في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك اكتشاف المسافة وموقع الأشياء، واستشعار وجود الأشياء وتجنب الاصطدامات. بالإضافة إلى ذلك، فهو يتطلب استهلاكًا منخفضًا جدًا للطاقة، وهو أقل بمائة مرة من استهلاك الطاقة لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية التقليدية، وبالتالي توفير أداء بيئي ممتاز.

يجمع المستشعر البصري بالموجات فوق الصوتية القائم على نظام الواقع الافتراضي بين مستشعر خارجي وسماعة رأس سلكية ووحدة تحكم. الأول ينبعث من الأشعة تحت الحمراء، والأخير يستجيب للأشعة تحت الحمراء لتحديد موقع المستخدم. يتيح نظام الواقع الافتراضي الذي يستخدم محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بتردد 200 كيلو هرتز للمستخدمين تجربة الواقع الافتراضي باستخدام سماعة رأس ووحدة تحكم فقط. يمكن استخدام مستشعر الموجات فوق الصوتية CH-101 للتركيز بالإضافة إلى سماعة رأس مستقلة الكل في واحد تم تطويرها بواسطة HTC.

يدعم مستشعر الموجات فوق الصوتية CH-101 نطاق استشعار أقصى يبلغ 100 سم، ويدعم المنتج الجديد CH-201، الذي سيتم طرحه في الإنتاج الضخم في نهاية عام 2019، نطاق استشعار أقصى يبلغ 500 سم. نظرًا لاستخدام تقنية MEMS، أصبح حجم أجهزة الاستشعار صغيرًا بشكل غير مسبوق، ونتوقع منها تحقيق سلسلة من التطبيقات، بما في ذلك المنتجات في سماعات الرأس AR / VR والمنازل الذكية والطائرات بدون طيار والروبوتات والهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء.

CH-101 هو جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية القائم على MEMS. على عكس مستشعرات ToF الضوئية، يمكنها قياس المسافة إلى كائن بدقة دون أن تتأثر بحجم الكائن ولونه وشفافيته. بالإضافة إلى ذلك، لن يتأثر بالضوضاء البيئية، مثل الضوضاء والضوضاء في البيئة المحيطة.