據麥姆斯咨詢報道，茂丞科技與北京大學深圳研究生院信息工程學院金玉豐教授團隊、廈門大學機電工程系馬盛林教授團隊共同研究，「A Novel Ultrasonic TOF Ranging System Using AlN Based PMUTs」成果，獲發表于國際知名MEMS微機電期刊－micromachines。（micromachines 2021， 12（3）， 284.）。

圖1 micromachines期刊發表首頁

本文介紹：我們設計并實現了一個基于芯片式氮化鋁（AlN）超聲波換能器的發射與接收系統，該系統可以實現50cm的測距范圍和1mm的精度，基于此研究基礎上，為實現超近距離檢測高精度應用環境，茂丞科技進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

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

基于超聲回波信號識別技術中，超聲波換能器器件可分為傳統壓電陶瓷技術，以及采用微機電系統（MEMS）工藝制造的新型壓電氮化鋁超聲波換能器（AlN PMUT）技術。傳統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，這種阻抗失配會導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之間添加耦合介質，以減少阻抗失配提高傳輸效率，但這是以降低帶寬為代價。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到低阻抗介質中，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。

超聲回波信號識別材料技術原理，是利用兩種不同材料之間的阻抗差異，來實現超聲識別，阻抗差異越大，在它們之間的邊界反射的聲波比例就越大，材料的反射系數由材料本身的特性決定，因此，可以從反射系數進行分析，以獲得材料本身的特性，進而對材料進行識別。

表1 茂丞科技JMS812材料識別實驗

如表1所示。用不同材料、不同厚度的物體材質進行識別實驗。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動激勵，記錄超聲波的接收時間和接收電壓幅值。從識別實驗結果可知，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，因此接收時間相應縮短。在不同物體材質，也能得到不同的接受電壓幅值，進而從不同的電壓值進行物體材質識別。

圖3 茂丞科技和樂動機器人宣布戰略合作

茂丞科技總經理邱奕翔及新瑞杰科技董事長荊溪瑞一行，與樂動機器人總經理郭蓋華、首席技術官李少海等暢敘戰略合作，并就超聲波傳感器項目進度、戰略目標展開深入研討。深圳樂動機器人有限公司是一家專注于機器人、人工智能以及相關核心技術的研發，生產和全球銷售的國家高新技術企業，樂動擁有超過300項人工智能和機器人技術核心知識產權，專利300+項、發明專利200+項，全球布局的知識產權體系覆蓋機器人環境重構與識別、機器視覺、深度學習及人工智能等相關核心領域，全球已有上百家頂級機器人和人工智能企業選擇與樂動機器人合作。2018公司獲評最具影響力機器人公司，贏得中國高價值專利獎，團隊先后承擔多個廣東省和深圳市科技攻關項目， 核心團隊入選深圳高層次人才計劃。

茂丞科技與樂動機器人雙方正式簽署獨家戰略合作框架協議，助力茂丞科技芯片式超聲波傳感器在清潔機器人市場上的應用，根據協議，雙方結合各自優勢，重點推進JMS812超聲波傳感器，在清潔機器人的材質識別、沿邊、防墜等應用領域開展合作。

目前合作推出LD22超聲波傳感器模塊解決方案，解決了傳統傳感器測距受透明度、顏色和噪音影響的問題，即使在陽光直射下也可使用，且毫米級高精度準距離感測，低功率、微小體積等特點為客戶產品的硬件重新布局提供了絕對優勢，利用超聲波在不同表面回波信號的能量差異來實現材質的識別，從而獲取地面信息，通過IO模式輸出高低電平來區分軟硬材質。同時，該傳感器配備有串口模式，輸出毫米級精度距離信息，以及回波強度信息，用戶可根據回波信息自行實現對特殊場景的性能優化。

圖4 LD22超聲波傳感器模塊解決方案

樂動機器人總經理郭蓋華表示：“作為國內傳感器領先企業，傳感器始終是樂動機器人的核心業務，一直以來，樂動機器人以“傳感器+算法+云服務”為核心戰略，旨在為客戶提供更多的場景應用和解決方案。此次合作帶來了尺寸更小且易于安裝、地毯識別準確率高、接口簡單的傳感器解決方案。”

茂丞科技總經理邱奕翔表示：“作為國內第一家具八吋晶圓量產能力的氮化鋁超聲波換能器公司，一直致力于努力填補國內此產品領域空白，我們與樂動機器人的合作是我們創新器件關鍵技術開發又一例證，雙方合作推出超聲波傳感器模塊解決方案，將使我們的OEM廠商能更加便捷設計和開發前沿的產品。期待進一步加強和樂動機器人在掃地機器人、教育機器人、服務機器人等領域的創新合作，顛覆掃地機器人的相關技術，為客戶帶來更好的性能體驗。

茂丞科技（深圳）有限公司簡介：

2017年，茂丞科技針對AlN（氮化鋁）壓電微機械超聲波換能器（pMUT， Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer）展開前沿探索研究，在新結構器件關鍵技術開發方面取得重要進展，實現八吋硅圓片生產工藝的器件流片，取得較高的超聲波機電轉換效率以及成本競爭優勢。

階段成果在多個國際學術會議上進行發表與交流，如ICEPT 2018、IEEE-NEMS 2019、ECTC 2019、ICEPT 2019等，并獲2018電子封裝技術國際會議最佳論文獎，2019國際電子元器件技術會議口頭報告。在氮化鋁超聲波換能器科技創新上擁有自主知識產權，至今已獲授權二件中國大陸專利（ZL 201710803335.0、ZL 201922293014.8）、七件中國臺灣專利（I661493、I702741、I675498、I692888、I712190、I700756、M 595789），一件美國發明專利（US10657349）。

前沿技術創新曾獲創新南山2019創業之星大賽IC與智能傳感專業賽成長企業組三等獎、2020明石杯微納傳感技術與智能應用大賽三等獎、2020中國創新創業大賽（廣東賽區）港澳臺賽綜合行業成長企業組二等獎、2020中國（深圳）集成電路峰會獲頒「優秀芯片創新產品」獎。

茂丞科技（深圳）公司為深圳市微米納米技術學會會員單位，以微小化、節能、功能精細敏銳及便利使用為原則，致力于新一代芯片級超聲波換能器技術研發及商品化。

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