CN119001727A - 具有双向检测功能的pMUT器件、距离检测方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有双向检测功能的pMUT器件、距离检测方法与应用。所述器件包括电路板、pMUT芯片以及信号处理单元；电路板设置有通孔，pMUT芯片设置于通孔处，任一面均可发射及接收超声波，且第一面自通孔中暴露出，第二面背向通孔；信号处理单元用于识别接收到的超声波信号。本发明基于pMUT的双向检测方法利用压电薄膜双向振动的特点，在电路板上设计通孔结构，使超声波能够在前后两个方向传播，通过给予pMUT器件初始运动、处理正背向回波叠加信号，获取两个方向上障碍物的距离和方向，能够在微小体积和超低功耗的情况下实现双向探测目标物的功能，可以简化全向感知系统，使其在微型机器避障等方面发挥重要作用。

Description

具有双向检测功能的pMUT器件、距离检测方法与应用

技术领域

本发明涉及微纳装备和器件技术领域，尤其涉及一种具有双向检测功能的pMUT器件、距离检测方法与应用。

背景技术

超声波传感器具有抗干扰能力强、不受被测物颜色影响、可测透光物体等特点，是实现空间感知的典型硬件选择。单个超声波传感器只能测量单一方向上障碍物与机器的距离。为了获得更佳的空间感知效果，通常采取部署多个超声波传感器、超声波传感器与其他传感器融合、超声波传感器旋转测量等做法。传统超声波传感器体积大功耗高，而上述几种方法往往带来了感知系统体积、重量和功耗的增加，使得这些方法对于微型机器而言并不适用。

基于MEMS技术的pMUT与传统超声波传感器相比，具有体积小、功耗低、易于集成等优点。但目前的pMUT仍旧只能够实现单一方向的简单距离探测，对于系统集成度和简洁化的助益并不显著。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有双向检测功能的pMUT器件、距离检测方法与应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种具有双向检测功能的pMUT器件，其包括电路板、pMUT芯片，以及信号处理单元；

所述电路板设置有通孔，所述pMUT芯片具有相背的第一面和第二面，任一面均可发射及接收超声波；所述pMUT芯片设置于所述通孔处，且第一面自所述通孔中暴露出，第二面背向所述通孔；

所述信号处理单元设置于所述电路板上，且通过所述电路板中的电路与所述pMUT芯片电连接，用于识别所述pMUT芯片接收到的超声波信号。

第二方面，本发明还提供一种应用于上述pMUT器件的双向距离检测方法，其包括：

使pMUT芯片的第一面和第二面同时发出超声波，并接收回波信号；

通过对所述回波信号进行数据解析，识别获得第一距离、第二距离，以及所述第一距离对应的第一方向和第二距离对应的第二方向。

第三方面，本发明还提供一种微型机器人，包括运动部分和感知部分，所述运动部分承载所述感知部分同步运动，所述感知部分包括上述pMUT器件。

基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明所提供的器件结构和双向检测方法满足了微型机器的空间感知需求，使用尽可能少且最小型的传感器来为微型机器搭建感知系统，基于pMUT的双向检测方法利用压电薄膜双向振动的特点，在电路板上设计通孔结构，使超声波能够在前后两个方向传播，通过给予pMUT器件初始运动、处理正背向回波叠加信号，获取两个方向上障碍物的距离和方向，能够在微小体积和超低功耗的情况下实现双向探测目标物的功能，可以简化全向感知系统，使其在微型机器避障等方面发挥重要作用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例提供的pMUT器件的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例提供的pMUT器件的检测原理示意图；

图3是本发明一典型实施案例提供的pMUT器件的距离解析的过程示意图；

图4是本发明一典型实施案例提供的pMUT器件的方向解析的过程示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

现有技术中，存在多种在微型运动机器人上采用超声的方式来感知周围物体的距离的技术方案，例如一些现有技术利用三个方位上的超声波传感器增加了扫地机器人在室内环境定位检测的准确性；另一些现有技术使用安装在移动社交机器人上的多个红外传感器和超声波传感器来确定室内环境中人员的位置；还有一些现有技术提出了一种融合超声相控阵和单目摄像机的多视角室内三维重建方法，其在仿真环境中生成环境地图的能力良好；此外，还有部分现有技术依靠电机带动超声波传感器旋转，建立了一个三位置超声检测模型，以减少定位和映射的不确定性。

然而上述现有技术中，采用传统超声波传感器体积大功耗高(例如大小为40.0mm×20.0mm，功耗约75.0mV)。多超声波传感器组合、超声波传感器与其他传感器融合、超声波传感器旋转测量等现有增加检测范围的方法带来了感知系统体积、重量和功耗的增加。

为满足微型机器的空间感知需求，本发明提出了一种基于pMUT实现双向检测的技术方案，实现了单颗器件(例如在一些实施案例中，该器件的大小为2.0mm×2.0mm，功耗约0.2mW)的双向检测功能，为系统集成化、小型化提供帮助。

如图1所示，本发明实施例提供一种具有双向检测功能的pMUT器件，其包括电路板、pMUT芯片，以及信号处理单元；所述电路板设置有通孔，所述pMUT芯片具有相背的第一面和第二面，任一面均可发射及接收超声波；所述pMUT芯片设置于所述通孔处，且第一面自所述通孔中暴露出，第二面背向所述通孔；所述信号处理单元设置于所述电路板上，且通过所述电路板中的电路与所述pMUT芯片电连接，用于识别所述pMUT芯片接收到的超声波信号。

在一些实施方案中，所述pMUT芯片具有镂空框架和震动膜层，所述震动膜层覆盖在所述镂空框架的镂空区域上，且所述第一面背向所述镂空区域，所述第二面自所述镂空区域中暴露出；所述镂空框架嵌入所述通孔中或贴合在所述通孔边缘。

在一些实施方案中，所述信号处理单元包括滤波器、放大器以及数据处理器，所述滤波器用于滤除所述超声波信号的杂波，所述放大器用于放大经过滤波器的超声波信号，所述数据处理器用于基于放大后的超声波信号计算第一面和第二面对应的回波距离。

在一些实施方案中，所述放大器和数据处理器之间还设置有数模转换器，用于将模拟信号转化为数字信号。

作为上述技术方案的一些典型示例，图1为pMUT双向检测装置的示意图，pMUT双向检测装置由PMUT芯片、电路板、信号处理单元和上位机组成。图2为pMUT双向检测系统的原理示意图，pMUT双向检测系统主要分为三部分：能够双向发射超声波的pMUT芯片与使得超声波能够双向传播的电路板通孔结构、对回波进行放大滤波的信号发射接收电路、对回波信号进行有关双向距离检测和方向判断的数据处理系统。

关于pMUT芯片的具体结构，图2中标号为①的区域为pMUT振膜振动示意图。在制作pMUT的过程中，衬底中心的部分会被刻蚀镂空从而形成背腔结构，剩余衬底将pMUT主体部分托举，形成振膜。振膜产生的振动能够在前后两个方向上传播，使得单颗pMUT器件有检测前后两个方向上障碍物的可能。而在电路板上做出圆心与pMUT振膜中心位置相同、大小与振膜大小一致的通孔结构。pMUT芯片与电路板进行组装，使得发射的超声波信号能够双向传播。

需要说明的是，本发明所提供的装置、系统及方法中，数据的处理可以在电路板中的MCU中完成，亦可通过数据传输在上位机中完成，任何可变的数据处理架构均属于等效替代。

而上述实施例中，pMUT振膜部分的形状可以为圆形，也可以替换成矩形，方形，多边形等。基板的通孔结构可替换为三角柱、四棱柱等，通常与振动膜部分的形状相仿。pMUT芯片粘贴在基板外表面，pMUT芯片也可嵌入于基板中。基板的材料为FR-4，也可替换为FPC、高TG FR-4等。对回波信号进行放大滤波的电路可以在PCB板上制作，也可以用具有相同功能的集成芯片替换。上述实施案例实现了对单颗pMUT器件的双向检测，本发明所提出的方法对于多颗双向pMUT的耦合集成也同样适用，例如两个双向pMUT器件相互交叉形成四向检测等。

本发明实施例的第二个方面还提供了上述任一实施方式所提供的pMUT器件的双向距离检测方法，其包括如下的步骤：

使pMUT芯片的第一面和第二面同时发出超声波，并接收回波信号；

通过对所述回波信号进行数据解析，识别获得第一距离、第二距离，以及所述第一距离对应的第一方向和第二距离对应的第二方向。

在一些实施方案中，所述数据解析包括距离解析和方向解析，并将所述距离解析和方向解析的结果进行融合，得出所述第一距离、第二距离、第一方向和第二方向。

在一些实施方案中，所述距离解析采用双极值法进行，具体包括：

在所述回波信号中寻找按时间先后顺序排列的第一峰值，并记录对应的归零时间索引；

在所述归零时间索引之后，寻找最大值，记录对应的第一时间索引；

排除所述第一时间索引附近的预设长度时间段，在剩余数据中寻找最大值，记录对应的第二时间索引；

基于所述第一时间索引计算所述第一距离，基于所述第二时间索引计算所述第二距离。

在一些实施方案中，所述方法还可以包括：

重复进行所述双极值法的过程，不断更新所述第一距离和第二距离。

在一些实施方案中，所示方向解析包括如下的步骤：

获取所述pMUT器件的运动方向，并计算所述运动方向在所述pMUT器件的声波发射轴上的投影分量方向；

统计所述第一距离和第二距离的变化趋势，以处于所述投影分量方向的一面对应的距离出现缩短为判据，判断所述第一距离和第二距离对应的第一方向和第二方向。

在一些实施方案中，所述方向解析具体可以包括：

建立预设数目容量的数组集合；

将最新获得的所述第一距离或第二距离存入所述数组集合，且所述数组集合充满时，去除最大值和最小值后，计算所述数组集合的当前平均值；

计算所述当前平均值与上一轮计算的数组集合的平均值的大小关系，当所述当前平均值更小时，所述第一距离或第二距离对应的方向为顺向所述投影分量方向，当所述当前平均值更大时，所述第一距离或第二距离对应的方向为逆向所述投影分量方向。

作为上述技术方案的典型应用示例，图3为双向距离检测方法流程图。双极值检测法在极值检测法的基础上，忽略回波信号中最大峰值的前后某范围内的采样值，重新遍历数组找到次极大值。由极大值与次极大值所对应时间即可推出两个方向上障碍物的距离。

具体的，图2中标号为②的区域为典型的双向检测回波信号图。发射阶段，两个方向的超声波信号同时向外传播。接收阶段，若两障碍物距离不同，两个方向的回波信号会一前一后地返回，在示波器上将会看到两个回波峰值。对两个峰值对应时间进行计算就能得出两个方向上障碍物的距离。

图4为方向判断流程图。在已知pMUT初始运动方向的情况下能够通过连续时刻下pMUT回波信号的动态变化来准确判断障碍物的方向和距离。将当前平均值与上一组平均值作比较，通过结果判断当前时刻的distance1和/或distance2的方向，在实际应用中，可以仅判断其中一个方向，另一个方向自然是反向的，或者判断二者的方向，若二者无矛盾，则采信，若二者存在矛盾，则忽略后重新判断，或者采信置信度较高的一者。

作为上述技术方案的应用，本发明实施例还提供了一种微型机器人，包括运动部分和感知部分，所述运动部分承载所述感知部分同步运动，所述感知部分包括上述任一实施方案所提供的pMUT器件，并且优选的至少采用上述任一实施方案所提供的双向检测方法进行周围距离的检测。

本发明所提供的实施案例利用压电薄膜双向振动的特点，在基板上设计通孔结构，使超声波能够在前后两个方向传播，实现双向探测，扩大单个器件的探测范围，利用双极值检测法和动态方向判断方法，得到两个方向上障碍物的距离和对应方向。

由此可见，本发明实施例所提供的器件结构和双向检测方法满足了微型机器的空间感知需求，使用尽可能少且最小型的传感器来为微型机器搭建感知系统，基于pMUT的双向检测方法利用压电薄膜双向振动的特点，在电路板上设计通孔结构，使超声波能够在前后两个方向传播，通过给予pMUT器件初始运动、处理正背向回波叠加信号，获取两个方向上障碍物的距离和方向，能够在微小体积和超低功耗的情况下实现双向探测目标物的功能，可以简化全向感知系统，使其在微型机器避障等方面发挥重要作用。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有双向检测功能的pMUT器件，其特征在于，包括电路板、pMUT芯片以及信号处理单元；

所述电路板设置有通孔，所述pMUT芯片具有相背的第一面和第二面，任一面均可发射及接收超声波；所述pMUT芯片设置于所述通孔处，且第一面自所述通孔中暴露出，第二面背向所述通孔；

所述信号处理单元设置于所述电路板上，且通过所述电路板中的电路与所述pMUT芯片电连接，用于识别所述pMUT芯片接收到的超声波信号。

2.根据权利要求1所述的pMUT器件，其特征在于，所述pMUT芯片具有镂空框架和震动膜层，所述震动膜层覆盖在所述镂空框架的镂空区域上，且所述第一面背向所述镂空区域，所述第二面自所述镂空区域中暴露出；所述镂空框架嵌入所述通孔中或贴合在所述通孔边缘；

和/或，所述信号处理单元包括滤波器、放大器以及数据处理器，所述滤波器用于滤除所述超声波信号的杂波，所述放大器用于放大经过滤波器的超声波信号，所述数据处理器用于基于放大后的超声波信号计算第一面和第二面对应的回波距离。

3.根据权利要求2所述的pMUT器件，其特征在于，所述放大器和数据处理器之间还设置有数模转换器，用于将模拟信号转化为数字信号。

4.一种应用于权利要求1-3中任意一项所述的pMUT器件的双向距离检测方法，其特征在于，包括：

使pMUT芯片的第一面和第二面同时发出超声波，并接收回波信号；

通过对所述回波信号进行数据解析，识别获得第一距离、第二距离，以及所述第一距离对应的第一方向和第二距离对应的第二方向。

5.根据权利要求4所述的双向距离检测方法，其特征在于，所述数据解析包括距离解析和方向解析，并将所述距离解析和方向解析的结果进行融合，得出所述第一距离、第二距离、第一方向和第二方向。

6.根据权利要求5所述的双向距离检测方法，其特征在于，所述距离解析采用双极值法进行，具体包括：

在所述回波信号中寻找按时间先后顺序排列的第一峰值，并记录对应的归零时间索引；

在所述归零时间索引之后，寻找最大值，记录对应的第一时间索引；

排除所述第一时间索引附近的预设长度时间段，在剩余数据中寻找最大值，记录对应的第二时间索引；

基于所述第一时间索引计算所述第一距离，基于所述第二时间索引计算所述第二距离。

7.根据权利要求6所述的双向距离检测方法，其特征在于，还包括：

重复进行所述双极值法的过程，不断更新所述第一距离和第二距离。

8.根据权利要求6所述的双向距离检测方法，其特征在于，所示方向解析包括：

获取所述pMUT器件的运动方向，并计算所述运动方向在所述pMUT器件的声波发射轴上的投影分量方向；

统计所述第一距离和第二距离的变化趋势，以处于所述投影分量方向的一面对应的距离出现缩短为判据，判断所述第一距离和第二距离对应的第一方向和第二方向。

9.根据权利要求8所述的双向距离检测方法，其特征在于，所述方向解析具体包括：

建立预设数目容量的数组集合；

将最新获得的所述第一距离或第二距离存入所述数组集合，且所述数组集合充满时，去除最大值和最小值后，计算所述数组集合的当前平均值；

计算所述当前平均值与上一轮计算的数组集合的平均值的大小关系，当所述当前平均值更小时，所述第一距离或第二距离对应的方向为顺向所述投影分量方向，当所述当前平均值更大时，所述第一距离或第二距离对应的方向为逆向所述投影分量方向。

10.一种微型机器人，包括运动部分和感知部分，所述运动部分承载所述感知部分同步运动，其特征在于，所述感知部分包括权利要求1-3中任意一项所述的pMUT器件。