سنسور مبدل اولتراسونیک MEMS: پیشرفت فناوری AR / VR را ارتقا می دهد

سیستم های واقعیت افزوده / واقعیت مجازی (AR / VR) به طور فزاینده ای در زمینه های مختلف مانند سرگرمی، آموزش، مراقبت های بهداشتی و سایر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. با این فناوری ها، کاربران می توانند کارهای پیچیده یا عملیات جراحی را در فضای مجازی شبیه سازی کنند. فناوری سنجش به کاربران اجازه می دهد تا از طریق موقعیت یابی/تشخیص حرکت پیشرفته و دقیق، تجربه ای واقعی در فضای مجازی به دست آورند. جدیدترین سیستم AR/VR از فناوری زمان پرواز (ToF) برای اندازه گیری فاصله تا یک جسم استفاده می کند و مبدل اندازه گیری عمق اولتراسونیک توجه زیادی را به خود جلب کرده است.

سیستم های واقعیت افزوده / واقعیت مجازی (AR / VR) به طور فزاینده ای در زمینه های مختلف مانند سرگرمی، آموزش، مراقبت های بهداشتی و سایر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. با این فناوری ها، کاربران می توانند کارهای پیچیده یا عملیات جراحی را در فضای مجازی شبیه سازی کنند. فناوری سنجش به کاربران اجازه می دهد تا از طریق موقعیت یابی/تشخیص حرکت پیشرفته و دقیق، تجربه ای واقعی در فضای مجازی به دست آورند. جدیدترین سیستم AR/VR از فناوری زمان پرواز (ToF) برای اندازه‌گیری فاصله تا یک جسم استفاده می‌کند و حسگرهای اولتراسونیک توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند.

چالش واقعی‌تر کردن AR/VR: کاهش اندازه حسگرهای اولتراسونیک
با هدست‌های مختلف AR/VR روی سر (HMD) با قیمت‌های مقرون‌به‌صرفه در سال 2016 عرضه می‌شود، بازار جهانی AR/VR رشد قابل‌توجهی داشته است، و تا سال 2025، اندازه بازار احتمالاً از 1 میلیارد دلار فراتر خواهد رفت. 2017 AR / VR Related Markets'، تحقیقات عمومی فوجی کمری). سیستم‌های AR/VR عمدتاً برای برنامه‌های سرگرمی مانند بازی‌ها در گذشته مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما انتظار می‌رود استفاده از آنها در زمینه‌های دیگر مانند مونتاژ، تولید، حمل‌ونقل، خرده‌فروشی، آموزش و مراقبت‌های بهداشتی افزایش یابد.
بازار جهانی AR / VR

با استفاده از آخرین مدل سیستم AR/VR، کاربران می توانند عملیات جراحی پیچیده را در فضای مجازی شبیه سازی کنند. نمایشگر با شش درجه آزادی (6-DoF1) روی سر و کنترلر دستی این برنامه را ممکن می کند. به این ترتیب می توان به یک سنتز یکپارچه بین حرکت انسان در فضای مجازی و حرکت انسان در فضای واقعی دست یافت. این به دلیل یک فناوری مبتنی بر حسگر به نام ردیابی موقعیت 2 است که از روش ToF برای اندازه‌گیری فاصله تا یک جسم استفاده می‌کند.

فناوری مبدل فاصله اولتراسونیک ToF فاصله تا یک جسم را بر اساس اختلاف زمانی بین زمانی که نور، امواج مادون قرمز یا امواج مافوق صوت از جسم منعکس شده و به حسگر بازمی‌گردد، اندازه‌گیری می‌کند. چه فناوری ToF نوری و چه مادون قرمز، اگرچه بسیار دقیق هستند، اما نمی توان از آنها برای اندازه گیری در حضور موانع استفاده کرد، آنها برای اندازه گیری فاصله از شیشه یا سایر اجسام شفاف مناسب هستند. فناوری Ultrasonic ToF می تواند فاصله اشیاء را به دقت اندازه گیری کند، حتی اگر این اجسام بازتابش بالایی داشته باشند و این فناوری تحت تأثیر شرایط نوری، اندازه و رنگ جسم قرار نمی گیرد. سنسورهای ToF اولتراسونیک سنتی به پردازش سیگنال پیچیده نیاز دارند و برای تعبیه شدن در لوازم خانگی بسیار بزرگ هستند.

راه حل ToF با سنسورهای بسیار کوچک مبتنی بر MEMS
راه حل TDK برای این چالش CH-101 است که یک سنسور ToF اولتراسونیک جدید بسیار کوچک است که تنها یک هزارم اندازه سنسورهای ToF اولتراسونیک سنتی است. به عنوان اولین حسگر اولتراسونیک مبتنی بر MEMS در جهان. این محصول واقعاً پیشرفت‌کننده‌ای است که مبدل‌های اولتراسونیک میکرومکانیکی پیزوالکتریک (PMUT3) و DSP کم‌مصرف (پردازش سیگنال دیجیتال) 4) و کم مصرف CMOS ASIC5 را با هم در یک بسته کوچک با ابعاد تنها 3.5 x 3.5 x 1.25 میلی‌متر ترکیب می‌کند.

CH-101 ترکیبی از PMUT، DSP (پردازنده سیگنال دیجیتال) با راندمان بالا و CMOS ASIC کم مصرف در یک بسته کوچک با ابعاد 3.5 x 3.5 x 1.25 میلی متر است. خفاش‌ها می‌توانند آزادانه در تاریکی بدون برخورد با اجسام پرواز کنند، زیرا آنها موقعیت و سرعت نسبی اجسام را با ارسال امواج فراصوت پالسی و دریافت پژواک از اجسام تشخیص می‌دهند. این روش echolocation نامیده می شود و از همین اصل برای ردیابی موقعیت سنسورهای اولتراسونیک نیز استفاده می شود.

CH-101 دارای یک PMUT تعبیه‌شده است که می‌تواند پالس‌های اولتراسونیک ساطع کند و پژواک را از اجسام در میدان دید سنسور دریافت کند. در ترکیب با انواع پردازش سیگنال های مختلف، این محصول می تواند در کاربردهای مختلفی از جمله تشخیص فاصله و مکان اشیاء، تشخیص حضور اشیا و اجتناب از برخورد استفاده شود. علاوه بر این، به مصرف انرژی بسیار کم نیاز دارد که صد برابر کمتر از مصرف انرژی سنسورهای اولتراسونیک سنتی است، بنابراین عملکرد محیطی عالی را ارائه می دهد.

سنسور اولتراسونیک اپتیکال موجود مبتنی بر سیستم VR یک سنسور خارجی را با یک هدست سیمی و یک کنترلر ترکیب می کند. اولی پرتوهای مادون قرمز ساطع می کند و دومی برای تعیین مکان کاربر به پرتوهای مادون قرمز پاسخ می دهد. سیستم واقعیت مجازی با استفاده از مبدل اولتراسونیک با فرکانس 200 کیلوهرتز به کاربران این امکان را می دهد که واقعیت مجازی را تنها با یک هدست و کنترلر تجربه کنند. سنسور اولتراسونیک CH-101 را می توان برای فوکوس به علاوه همه کاره، یک هدست مستقل که توسط HTC توسعه یافته است، استفاده کرد.

سنسور اولتراسونیک CH-101 حداکثر محدوده سنجش 100 سانتی متر را پشتیبانی می کند و محصول جدید CH-201 که در پایان سال 2019 به تولید انبوه می رسد، حداکثر محدوده سنجش 500 سانتی متر را پشتیبانی می کند. با توجه به استفاده از فناوری MEMS، اندازه سنسورها به طور بی سابقه ای کوچک شده است، ما انتظار داریم آنها یک سری از برنامه ها، از جمله محصولات در هدست های AR / VR، خانه های هوشمند، هواپیماهای بدون سرنشین، ربات ها، تلفن های هوشمند و دستگاه های پوشیدنی را تحقق بخشند.

CH-101 یک سنسور اولتراسونیک مبتنی بر MEMS است. برخلاف حسگرهای نوری ToF، می‌تواند فاصله تا یک جسم را بدون اینکه تحت تأثیر اندازه، رنگ و شفافیت جسم قرار گیرد، به دقت اندازه‌گیری کند. علاوه بر این تحت تأثیر نویزهای محیطی مانند نویز و سر و صدای محیط اطراف نخواهد بود.