據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，茂丞科技與北京大學(xué)深圳研究生院信息工程學(xué)院金玉豐教授團(tuán)隊(duì)、廈門大學(xué)機(jī)電工程系馬盛林教授團(tuán)隊(duì)共同研究，「A Novel Ultrasonic TOF Ranging System Using AlN Based PMUTs」成果，獲發(fā)表于國際知名MEMS微機(jī)電期刊－micromachines。（micromachines 2021， 12（3）， 284.）。

圖1 micromachines期刊發(fā)表首頁

本文介紹：我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于芯片式氮化鋁（AlN）超聲波換能器的發(fā)射與接收系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)50cm的測(cè)距范圍和1mm的精度，基于此研究基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)超近距離檢測(cè)高精度應(yīng)用環(huán)境，茂丞科技進(jìn)一步研制了超高頻率的陣列式氮化鋁超聲波換能器JMS812。

圖2 茂丞科技JMS812陣列式氮化鋁超聲波換能器

日常生活中物質(zhì)的性質(zhì)決定了我們處理它們的方式，就像掃地機(jī)器人制定清潔計(jì)劃一樣，它需要識(shí)別地板的材質(zhì)，如木頭、玻璃、瓷磚或地毯，以決定是否需要用水來拖地、是否需要加強(qiáng)動(dòng)力以避免被困，是否需要加強(qiáng)吸塵清潔效率等等。近年來對(duì)材料識(shí)別的研究主要集中在圖像識(shí)別、熱識(shí)別、渦流識(shí)別和超聲回波信號(hào)識(shí)別等方面，圖像識(shí)別的使用識(shí)別準(zhǔn)確度與物體的顏色形狀以及環(huán)境光的強(qiáng)度有關(guān)，同時(shí)圖像識(shí)別運(yùn)算速度慢且耗電。熱識(shí)別基于熱傳導(dǎo)原理，當(dāng)恒溫傳感器與目標(biāo)材料接觸時(shí)，接觸表面瞬間達(dá)到相同的溫度，通過分析物體的溫度變化曲線，可以識(shí)別物體的材料特性，使用識(shí)別準(zhǔn)確度易受環(huán)境溫度影響。而渦流法只能識(shí)別金屬材料而無法識(shí)別地毯。與這些方法相比，基于超聲回波信號(hào)識(shí)別技術(shù)可以無差別的對(duì)物體進(jìn)行有效識(shí)別，且不受環(huán)境光照、溫度和物體外觀特征的影響。

基于超聲回波信號(hào)識(shí)別技術(shù)中，超聲波換能器器件可分為傳統(tǒng)壓電陶瓷技術(shù)，以及采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝制造的新型壓電氮化鋁超聲波換能器（AlN PMUT）技術(shù)。傳統(tǒng)壓電陶瓷超聲波換能器其空氣與壓電陶瓷的聲阻抗比約為1:105，這種阻抗失配會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷換能器的傳輸效率極低，一般通過在傳感器和介質(zhì)之間添加耦合介質(zhì)，以減少阻抗失配提高傳輸效率，但這是以降低帶寬為代價(jià)。而新型氮化鋁超聲波換能器，是利用壓電薄膜的彎曲將超聲波傳輸?shù)降妥杩菇橘|(zhì)中，由于氮化鋁薄膜比壓電陶瓷塊體具有更大的柔韌性，有效聲阻抗遠(yuǎn)低于壓電陶瓷超聲換能器的特性阻抗，而具有更好的傳輸效率。

超聲回波信號(hào)識(shí)別材料技術(shù)原理，是利用兩種不同材料之間的阻抗差異，來實(shí)現(xiàn)超聲識(shí)別，阻抗差異越大，在它們之間的邊界反射的聲波比例就越大，材料的反射系數(shù)由材料本身的特性決定，因此，可以從反射系數(shù)進(jìn)行分析，以獲得材料本身的特性，進(jìn)而對(duì)材料進(jìn)行識(shí)別。

表1 茂丞科技JMS812材料識(shí)別實(shí)驗(yàn)

如表1所示。用不同材料、不同厚度的物體材質(zhì)進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn)。大理石地板、瀝青聚丙烯、PVC聚丙烯、聚氯乙烯尼龍、瀝青聚丙烯、軟毛等六種材料分別作為待測(cè)物體，與JMS812 PMUT陣列的距離固定為3.5 cm，采用相同的脈沖作為驅(qū)動(dòng)激勵(lì)，記錄超聲波的接收時(shí)間和接收電壓幅值。從識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著地毯厚度的增加，地毯表面與JMS812 PMUT陣列之間的距離減小，因此接收時(shí)間相應(yīng)縮短。在不同物體材質(zhì)，也能得到不同的接受電壓幅值，進(jìn)而從不同的電壓值進(jìn)行物體材質(zhì)識(shí)別。

圖3 茂丞科技和樂動(dòng)機(jī)器人宣布戰(zhàn)略合作

茂丞科技總經(jīng)理邱奕翔及新瑞杰科技董事長荊溪瑞一行，與樂動(dòng)機(jī)器人總經(jīng)理郭蓋華、首席技術(shù)官李少海等暢敘戰(zhàn)略合作，并就超聲波傳感器項(xiàng)目進(jìn)度、戰(zhàn)略目標(biāo)展開深入研討。深圳樂動(dòng)機(jī)器人有限公司是一家專注于機(jī)器人、人工智能以及相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)，生產(chǎn)和全球銷售的國家高新技術(shù)企業(yè)，樂動(dòng)擁有超過300項(xiàng)人工智能和機(jī)器人技術(shù)核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，專利300+項(xiàng)、發(fā)明專利200+項(xiàng)，全球布局的知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系覆蓋機(jī)器人環(huán)境重構(gòu)與識(shí)別、機(jī)器視覺、深度學(xué)習(xí)及人工智能等相關(guān)核心領(lǐng)域，全球已有上百家頂級(jí)機(jī)器人和人工智能企業(yè)選擇與樂動(dòng)機(jī)器人合作。2018公司獲評(píng)最具影響力機(jī)器人公司，贏得中國高價(jià)值專利獎(jiǎng)，團(tuán)隊(duì)先后承擔(dān)多個(gè)廣東省和深圳市科技攻關(guān)項(xiàng)目， 核心團(tuán)隊(duì)入選深圳高層次人才計(jì)劃。

茂丞科技與樂動(dòng)機(jī)器人雙方正式簽署獨(dú)家戰(zhàn)略合作框架協(xié)議，助力茂丞科技芯片式超聲波傳感器在清潔機(jī)器人市場(chǎng)上的應(yīng)用，根據(jù)協(xié)議，雙方結(jié)合各自優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)推進(jìn)JMS812超聲波傳感器，在清潔機(jī)器人的材質(zhì)識(shí)別、沿邊、防墜等應(yīng)用領(lǐng)域開展合作。

目前合作推出LD22超聲波傳感器模塊解決方案，解決了傳統(tǒng)傳感器測(cè)距受透明度、顏色和噪音影響的問題，即使在陽光直射下也可使用，且毫米級(jí)高精度準(zhǔn)距離感測(cè)，低功率、微小體積等特點(diǎn)為客戶產(chǎn)品的硬件重新布局提供了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，利用超聲波在不同表面回波信號(hào)的能量差異來實(shí)現(xiàn)材質(zhì)的識(shí)別，從而獲取地面信息，通過IO模式輸出高低電平來區(qū)分軟硬材質(zhì)。同時(shí)，該傳感器配備有串口模式，輸出毫米級(jí)精度距離信息，以及回波強(qiáng)度信息，用戶可根據(jù)回波信息自行實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊場(chǎng)景的性能優(yōu)化。

圖4 LD22超聲波傳感器模塊解決方案

樂動(dòng)機(jī)器人總經(jīng)理郭蓋華表示：“作為國內(nèi)傳感器領(lǐng)先企業(yè)，傳感器始終是樂動(dòng)機(jī)器人的核心業(yè)務(wù)，一直以來，樂動(dòng)機(jī)器人以“傳感器+算法+云服務(wù)”為核心戰(zhàn)略，旨在為客戶提供更多的場(chǎng)景應(yīng)用和解決方案。此次合作帶來了尺寸更小且易于安裝、地毯識(shí)別準(zhǔn)確率高、接口簡單的傳感器解決方案。”

茂丞科技總經(jīng)理邱奕翔表示：“作為國內(nèi)第一家具八吋晶圓量產(chǎn)能力的氮化鋁超聲波換能器公司，一直致力于努力填補(bǔ)國內(nèi)此產(chǎn)品領(lǐng)域空白，我們與樂動(dòng)機(jī)器人的合作是我們創(chuàng)新器件關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)又一例證，雙方合作推出超聲波傳感器模塊解決方案，將使我們的OEM廠商能更加便捷設(shè)計(jì)和開發(fā)前沿的產(chǎn)品。期待進(jìn)一步加強(qiáng)和樂動(dòng)機(jī)器人在掃地機(jī)器人、教育機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域的創(chuàng)新合作，顛覆掃地機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)，為客戶帶來更好的性能體驗(yàn)。

茂丞科技（深圳）有限公司簡介：

2017年，茂丞科技針對(duì)AlN（氮化鋁）壓電微機(jī)械超聲波換能器（pMUT， Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer）展開前沿探索研究，在新結(jié)構(gòu)器件關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)八吋硅圓片生產(chǎn)工藝的器件流片，取得較高的超聲波機(jī)電轉(zhuǎn)換效率以及成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

階段成果在多個(gè)國際學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)行發(fā)表與交流，如ICEPT 2018、IEEE-NEMS 2019、ECTC 2019、ICEPT 2019等，并獲2018電子封裝技術(shù)國際會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)，2019國際電子元器件技術(shù)會(huì)議口頭報(bào)告。在氮化鋁超聲波換能器科技創(chuàng)新上擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，至今已獲授權(quán)二件中國大陸專利（ZL 201710803335.0、ZL 201922293014.8）、七件中國臺(tái)灣專利（I661493、I702741、I675498、I692888、I712190、I700756、M 595789），一件美國發(fā)明專利（US10657349）。

前沿技術(shù)創(chuàng)新曾獲創(chuàng)新南山2019創(chuàng)業(yè)之星大賽IC與智能傳感專業(yè)賽成長企業(yè)組三等獎(jiǎng)、2020明石杯微納傳感技術(shù)與智能應(yīng)用大賽三等獎(jiǎng)、2020中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽（廣東賽區(qū)）港澳臺(tái)賽綜合行業(yè)成長企業(yè)組二等獎(jiǎng)、2020中國（深圳）集成電路峰會(huì)獲頒「優(yōu)秀芯片創(chuàng)新產(chǎn)品」獎(jiǎng)。

茂丞科技（深圳）公司為深圳市微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)員單位，以微小化、節(jié)能、功能精細(xì)敏銳及便利使用為原則，致力于新一代芯片級(jí)超聲波換能器技術(shù)研發(fā)及商品化。

責(zé)任編輯：lq