一个基于芯片式氮化铝（AlN）超声波换能器的发射与接收系统

据麦姆斯咨询报道，茂丞科技与北京大学深圳研究生院信息工程学院金玉丰教授团队、厦门大学机电工程系马盛林教授团队共同研究，「A Novel Ultrasonic TOF Ranging System Using AlN Based PMUTs」成果，获发表于国际知名MEMS微机电期刊－micromachines。（micromachines 2021， 12（3）， 284.）。

图1 micromachines期刊发表首页

本文介绍：我们设计并实现了一个基于芯片式氮化铝（AlN）超声波换能器的发射与接收系统，该系统可以实现50cm的测距范围和1mm的精度，基于此研究基础上，为实现超近距离检测高精度应用环境，茂丞科技进一步研制了超高频率的阵列式氮化铝超声波换能器JMS812。

图2 茂丞科技JMS812阵列式氮化铝超声波换能器

日常生活中物质的性质决定了我们处理它们的方式，就像扫地机器人制定清洁计划一样，它需要识别地板的材质，如木头、玻璃、瓷砖或地毯，以决定是否需要用水来拖地、是否需要加强动力以避免被困，是否需要加强吸尘清洁效率等等。近年来对材料识别的研究主要集中在图像识别、热识别、涡流识别和超声回波信号识别等方面，图像识别的使用识别准确度与物体的颜色形状以及环境光的强度有关，同时图像识别运算速度慢且耗电。热识别基于热传导原理，当恒温传感器与目标材料接触时，接触表面瞬间达到相同的温度，通过分析物体的温度变化曲线，可以识别物体的材料特性，使用识别准确度易受环境温度影响。而涡流法只能识别金属材料而无法识别地毯。与这些方法相比，基于超声回波信号识别技术可以无差别的对物体进行有效识别，且不受环境光照、温度和物体外观特征的影响。

基于超声回波信号识别技术中，超声波换能器器件可分为传统压电陶瓷技术，以及采用微机电系统（MEMS）工艺制造的新型压电氮化铝超声波换能器（AlN PMUT）技术。传统压电陶瓷超声波换能器其空气与压电陶瓷的声阻抗比约为1:105，这种阻抗失配会导致压电陶瓷换能器的传输效率极低，一般通过在传感器和介质之间添加耦合介质，以减少阻抗失配提高传输效率，但这是以降低带宽为代价。而新型氮化铝超声波换能器，是利用压电薄膜的弯曲将超声波传输到低阻抗介质中，由于氮化铝薄膜比压电陶瓷块体具有更大的柔韧性，有效声阻抗远低于压电陶瓷超声换能器的特性阻抗，而具有更好的传输效率。

超声回波信号识别材料技术原理，是利用两种不同材料之间的阻抗差异，来实现超声识别，阻抗差异越大，在它们之间的边界反射的声波比例就越大，材料的反射系数由材料本身的特性决定，因此，可以从反射系数进行分析，以获得材料本身的特性，进而对材料进行识别。

表1 茂丞科技JMS812材料识别实验

如表1所示。用不同材料、不同厚度的物体材质进行识别实验。大理石地板、沥青聚丙烯、PVC聚丙烯、聚氯乙烯尼龙、沥青聚丙烯、软毛等六种材料分别作为待测物体，与JMS812 PMUT阵列的距离固定为3.5 cm，采用相同的脉冲作为驱动激励，记录超声波的接收时间和接收电压幅值。从识别实验结果可知，随着地毯厚度的增加，地毯表面与JMS812 PMUT阵列之间的距离减小，因此接收时间相应缩短。在不同物体材质，也能得到不同的接受电压幅值，进而从不同的电压值进行物体材质识别。

图3 茂丞科技和乐动机器人宣布战略合作

茂丞科技总经理邱奕翔及新瑞杰科技董事长荆溪瑞一行，与乐动机器人总经理郭盖华、首席技术官李少海等畅叙战略合作，并就超声波传感器项目进度、战略目标展开深入研讨。深圳乐动机器人有限公司是一家专注于机器人、人工智能以及相关核心技术的研发，生产和全球销售的国家高新技术企业，乐动拥有超过300项人工智能和机器人技术核心知识产权，专利300+项、发明专利200+项，全球布局的知识产权体系覆盖机器人环境重构与识别、机器视觉、深度学习及人工智能等相关核心领域，全球已有上百家顶级机器人和人工智能企业选择与乐动机器人合作。2018公司获评最具影响力机器人公司，赢得中国高价值专利奖，团队先后承担多个广东省和深圳市科技攻关项目， 核心团队入选深圳高层次人才计划。

茂丞科技与乐动机器人双方正式签署独家战略合作框架协议，助力茂丞科技芯片式超声波传感器在清洁机器人市场上的应用，根据协议，双方结合各自优势，重点推进JMS812超声波传感器，在清洁机器人的材质识别、沿边、防坠等应用领域开展合作。

目前合作推出LD22超声波传感器模块解决方案，解决了传统传感器测距受透明度、颜色和噪音影响的问题，即使在阳光直射下也可使用，且毫米级高精度准距离感测，低功率、微小体积等特点为客户产品的硬件重新布局提供了绝对优势，利用超声波在不同表面回波信号的能量差异来实现材质的识别，从而获取地面信息，通过IO模式输出高低电平来区分软硬材质。同时，该传感器配备有串口模式，输出毫米级精度距离信息，以及回波强度信息，用户可根据回波信息自行实现对特殊场景的性能优化。

图4 LD22超声波传感器模块解决方案

乐动机器人总经理郭盖华表示：“作为国内传感器领先企业，传感器始终是乐动机器人的核心业务，一直以来，乐动机器人以“传感器+算法+云服务”为核心战略，旨在为客户提供更多的场景应用和解决方案。此次合作带来了尺寸更小且易于安装、地毯识别准确率高、接口简单的传感器解决方案。”

茂丞科技总经理邱奕翔表示：“作为国内第一家具八吋晶圆量产能力的氮化铝超声波换能器公司，一直致力于努力填补国内此产品领域空白，我们与乐动机器人的合作是我们创新器件关键技术开发又一例证，双方合作推出超声波传感器模块解决方案，将使我们的OEM厂商能更加便捷设计和开发前沿的产品。期待进一步加强和乐动机器人在扫地机器人、教育机器人、服务机器人等领域的创新合作，颠覆扫地机器人的相关技术，为客户带来更好的性能体验。

茂丞科技（深圳）有限公司简介：

2017年，茂丞科技针对AlN（氮化铝）压电微机械超声波换能器（pMUT， Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer）展开前沿探索研究，在新结构器件关键技术开发方面取得重要进展，实现八吋硅圆片生产工艺的器件流片，取得较高的超声波机电转换效率以及成本竞争优势。

阶段成果在多个国际学术会议上进行发表与交流，如ICEPT 2018、IEEE-NEMS 2019、ECTC 2019、ICEPT 2019等，并获2018电子封装技术国际会议最佳论文奖，2019国际电子元器件技术会议口头报告。在氮化铝超声波换能器科技创新上拥有自主知识产权，至今已获授权二件中国大陆专利（ZL 201710803335.0、ZL 201922293014.8）、七件中国台湾专利（I661493、I702741、I675498、I692888、I712190、I700756、M 595789），一件美国发明专利（US10657349）。

前沿技术创新曾获创新南山2019创业之星大赛IC与智能传感专业赛成长企业组三等奖、2020明石杯微纳传感技术与智能应用大赛三等奖、2020中国创新创业大赛（广东赛区）港澳台赛综合行业成长企业组二等奖、2020中国（深圳）集成电路峰会获颁「优秀芯片创新产品」奖。

茂丞科技（深圳）公司为深圳市微米纳米技术学会会员单位，以微小化、节能、功能精细敏锐及便利使用为原则，致力于新一代芯片级超声波换能器技术研发及商品化。

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