IEEE Sensors 2021: 揭秘VL53L5，意法半導(dǎo)體最新ToF傳感器背后的秘密

在去年四季度召開的IEEE Sensors 2021大會(huì)上，意法半導(dǎo)體在會(huì)上宣講了五篇論文（全部論文名錄見下文），涵蓋多個(gè)不同的專題，其中一個(gè)研究方向引起與會(huì)者的關(guān)注。Fabrice Martin宣講的題為“內(nèi)置光源的一體式 64 區(qū) SPAD 直接飛行時(shí)間測(cè)距傳感器”的論文揭開了 VL53L5的神秘面紗，披露了目前尚未公開的技術(shù)細(xì)節(jié)。

IEEE Sensors 2021:揭秘VL53L5

測(cè)距特性

The VL53L5

2020 年底發(fā)布的VL53L5 是意法半導(dǎo)體首款能夠測(cè)量64個(gè)區(qū)域的飛行時(shí)間 (ToF) 傳感器。在 IEEE Sensors 2021 大會(huì)結(jié)束后，公眾對(duì)該產(chǎn)品的技術(shù)細(xì)節(jié)有了更好的了解。例如，意法半導(dǎo)體證實(shí)，4 x 4 或 8 x 8 網(wǎng)格模式對(duì)測(cè)距性能的影響很小。兩種模式在黑暗環(huán)境中最大測(cè)量距離均達(dá)到 4 米，在 5,000 勒克斯的標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)亮度下的最大測(cè)量距離約 1 米。此外，4 x 4 網(wǎng)格測(cè)距模式每秒可捕獲 60 幀圖像，而在測(cè)量64 個(gè)區(qū)域時(shí)捕獲速度被限制在 15 Hz。因此，工程師可以更清楚地了解每種模式固有的參數(shù)優(yōu)化情況。

VL53L5橫截面圖

硅片結(jié)構(gòu)

距離標(biāo)記與相機(jī)拍攝的照片重合的8 x 8 網(wǎng)格模式

我們還向與會(huì)者出示了 ToF 傳感器的橫截面圖和各種圖表，幫助他們了解傳感器的測(cè)距性能。無論過去是否熟悉這種產(chǎn)品，與會(huì)者都弄明白了其內(nèi)部工作原理。例如，橫截面圖描述了衍射透鏡在區(qū)域測(cè)距中的作用。我們的團(tuán)隊(duì)還展示了 VL53L5芯片。意法半導(dǎo)體提供回路SPAD二極管陣列、32 位微控制器、VCSEL 驅(qū)動(dòng)器等組件，因此，這是一個(gè)設(shè)計(jì)靈活性較高的測(cè)距系統(tǒng)。例如，MCU 執(zhí)行并行計(jì)算，滿足測(cè)距區(qū)數(shù)量增加對(duì)數(shù)據(jù)處理能力的要求。意法半導(dǎo)體還用圖示解釋了為什么 VL53L5 不用外部微控制器，本身就能計(jì)算信號(hào)數(shù)據(jù)。

IEEE Sensors 2021:窺探未來產(chǎn)品

自供電BLE藍(lán)牙傳感器

在意法半導(dǎo)體宣講的其他論文中，有一篇探討了一種無需安裝電池或外部電源即可工作的光感設(shè)備。此外，這個(gè)光傳感器還可以收集能量，驅(qū)動(dòng)BLE藍(lán)牙低功耗模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)想法并不新鮮，但該論文使用了市面有售的元器件，使這種光傳感器具有商用可行性。為了實(shí)現(xiàn)這一個(gè)概念，該光傳感器采用了將光能轉(zhuǎn)換為電流的光伏換能器。此外，BLE射頻僅在信標(biāo)模式下工作，以節(jié)省能源。

壓電顆粒物探測(cè)器

微粒物質(zhì)探測(cè)器小型化是另一個(gè)研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)上，此類設(shè)備體積龐大。意法半導(dǎo)體的論文打破傳統(tǒng)思路，研究使用壓電式微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)探測(cè)顆粒。簡(jiǎn)而言之，把正面涂覆壓電層的圓形薄膜置于兩個(gè)電極之間，當(dāng)顆粒掉落在壓電層上時(shí)，薄膜上就會(huì)出現(xiàn)較低的諧振頻率。這篇論文可以作為一項(xiàng)可行性研究，因而引起與會(huì)者的興趣。論文表明可以創(chuàng)建一個(gè)移動(dòng)性更強(qiáng)的顆粒物檢測(cè)器。研究人員仍然需要優(yōu)化該探測(cè)系統(tǒng)，但目前的研究成果為可穿戴設(shè)備安裝顆粒傳感器打開了一扇門。

ST在IEEE Sensors 2021大會(huì)上宣講的全部論文

Piezoelectric MEMS For Microparticles Detection, Francesco Foncellino

Miniaturized Quadruple Mass Gyroscopes: Challenges and Implementation, Luca Falorni

Intrinsically Self-powered, Battery-free, and Sensor-free Ambient Light Control System, Roberto La Rosa

On Amplitude-Gain-Control Optimization for Lissajous Frequency Modulated MEMS Gyroscopes, Andrea Donadel

An all-in-one 64-zone SPAD-based Direct-Time-of-Flight Ranging Sensor with Embedded Illumination, Fabrice Martin