Nowy zintegrowany czujnik optyczny od STMicroelectronics 17 października 2013

STMicroelectronics opracował nowy układ czujnika optycznego MEMS, który jest zalążkiem nowej rodziny układów o nazwie FlightSense. Pierwszy czujnik o oznaczeniu VL6180 zawiera w jednej obudowie sensor mierzący odległość, natężenie światła i źródło promieniowania podczerwonego. Całość razem tworzy układ pomiarowy typu time-of-flight, mierzący czas, przez jaki światło pokonuje dystans od czujnika do obiektu umieszczonego przed nim i z powrotem.

Ponieważ prędkość światła jest wartością stałą i niezmienną, zmierzony czas można precyzyjnie przeliczyć na odległość. Zaletą czujników time-of-flight jest wysoka precyzja pomiaru, niezależna od koloru i stopnia odbijania światła przez badany obiekt, z czym mają problem inne metody pomiarowe, na przykład te opierające się na pomiarze amplitudy w czujnikach zbliżeniowych.

Rys. 1. Czujnik ToF VL6180 i schemat blokowy

Konstrukcja czujnika bazuje na fotodiodzie lawinowej, która została zintegrowana w jednym chipie z całą resztą układów czujnika, poza emiterem promieniowania podczerwonego. Fotodioda lawinowa to czujnik światła o wysokiej czułości zdolny do wykrywania pojedynczych fotonów (SPAD - Single Photon Avalanche Detector), który dla osiągnięcia wysokiej czułości musi być spolaryzowany w kierunku zaporowym wysokim napięciem leżącym w zakresie napięcia przebicia wstecznego złącza, podobnie jak dzieje się to w licznikach Geigera-Müllera.

Kiedy pojedynczy foton trafi w obszar tak spolaryzowanego złącza, powoduje powstanie pary elektron-dziura, która następnie jest przyspieszana w silnym polu elektrycznym i powoduje generację kolejnych par w krótkim czasie. W efekcie pojedynczy foton generuje lawinowo narastający krótkotrwały impuls prądu na zaciskach sensora.

Dioda lawinowa charakteryzuje się wysoką czułością i w opisywanym czujniku została wykorzystana do pomiaru dwóch parametrów - amplitudy światła odbitego od obiektu, wyznaczanej poprzez zliczanie liczby zarejestrowanych fotonów i odległości, wyznaczanej poprzez pomiar czasu pomiędzy emisją światła, a rejestracją promieniowania odbitego.

Oparcie pomiaru wyłącznie na pomiarze czasu jest nieefektywne, ponieważ generowany przez diodę LED impuls promieniowania podczerwonego nie ma charakteru szpilkowego. Jest on krótki, ale po stronie detektora trudno rozpoznać, który foton pochodzi jeszcze ze światła otoczenia a który wyemitowała dioda LED zawarta w sensorze, zbocze impulsu świetlnego też w czasie propagacji przez ośrodek się rozmywa. Na pracę detektora ma również wpływ szum sensora, przez co pomiar ToF wymaga emisji serii impulsów, po to, aby na bazie wielu wyników pomiarów za pomocą narzędzi statystycznych wyeliminować takie błędy.

Rys. 2. Rzeczywista odległość do obiektu, a wartość zmierzona przez VL6180

Czujniki odległości są powszechnie wykorzystywane w smartfonach, gdzie pozwalają na wyznaczenie odległości do głowy człowieka i zapewniają blokadę ekranu podczas telefonowania i w wielu aplikacjach profesjonalnych i przemyśle. Niemniej klasyczne rozwiązania bazujące na pomiarze amplitudy światła odbitego mają małą dokładność, bo na wynik pomiaru ma wpływ współczynnik odbijania światła przez obiekt. Co więcej, gdy współczynnik odbicia światła od obiektu jest niewielki, np. 3% dla czarnej matowej powierzchni, amplituda sygnału odbitego też jest trudna do precyzyjnego zmierzenia na skutek szumów nakładających się na mierzony sygnał. Błędy pomiaru dla obiektów o niskim współczynniku odbicia są więc duże.

Charakterystyka czujnika ToF VL6180

• Trzy sensory w jednym czujniku,

• Szybkie i dokładne pomiary niezależne od natężenia światła otoczenia i stopnia odbijania światła przez obiekt,

• Możliwość kompensacji wpływu szkła ochronnego obudowy,

• Czujnik światła otoczenia fabrycznie kalibrowany w luksach,

• Łatwa integracja, pojedyncze napięcie zasilania, interfejs I2C,

• Dwa porty GPIO do programowania, generacja przerwań,

Szeroki zakres aplikacyjny: elektronika konsumencka i przemysłowa.

Opracowany przez STMicroelectronics czujnik ToF charakteryzuje się w takich aplikacjach wysoką dokładnością (rys. 2), a wyniki pomiaru są niezależne od wartości współczynnika odbicia światła przez badany obiekt. Niemniej w złych warunkach oświetleniowych, gdy odbitego światła będzie niewiele pomiar może nie dojść do skutku.

Zakres pomiarowy dla VL6180 w przypadku obiektów silnie pochłaniających światło wynosi ok. 10 cm, dla dobrze odbijających około 25 cm. Czas pojedynczego cyklu pomiarowego odległości trwa 10 ms, w przypadku pomiarów ciągłych czas repetycji pomiarów można zaprogramować, dostępne są także tryby automatycznego generowania przerwania po przekroczeniu zaprogramowanej wartości progowej, co minimalizuje obciążenie hosta.

Gotowy element umieszczony został w niewielkiej obudowie LGA o wymiarach 4,8×2,8×1 mm o 12 końcówkach. Zakres temperatur pracy wynosi -20°C...+70°C, zasilanie 2,5-3 V a pobór prądu 2 mA podczas pomiarów odległości, 250 μA przy pomiarach jasności oświetlenia i 1 μA w trybie bezczynności. Wbudowana dioda LED emituje promieniowanie podczerwone o długości fali 850 nm. Warto zwrócić też uwagę na szeroki zakres pomiarowy jasności światła - od 0,046 luksa do 95 kiloluksa z 8 programowalnymi zakresami wzmocnienia i 16-bitowym, kalibrowanym wyjściem cyfrowym danych.