2021年10月15日-利用675型高性能AWG进行超声MEMS测试

本应用说明描述了如何使用675型高性能任意波形发生器产生用于超声波MEMS传感器测试和设计的信号。

675型高性能AWG简化了通常用于执行设计测试和描述MEMS传感器的脉冲和啁啾信号的产生。考虑到24 Vpp到高阻抗(12 Vpp到50欧姆)的振幅加入±12V到高阻抗的模拟位移，模型675代表了这些类型的测试的理想解决方案，其中高电压幅值，可编程脉冲宽度和上升/下降时间是强制性的。

加速超声MEMS传感器的测试、可靠性、表征和故障分析。
减少产生复杂列车脉冲场景的时间。

MEMS传感器的一般考虑

MEMS(微机电系统)传感器利用硅的独特机械性能集成机械结构，能够感知加速度、旋转、角速度、振动、位移、方向和其他物理和环境特性。这些考虑，结合到一个具有良好的谐波失真的模拟前端，产生一个电路，结合了电路和三维机械结构。

如今，MEMS传感器和麦克风被广泛应用于从距离和运动检测、移动设备、物联网、无人机、汽车、压力测量、湿度和温度传感等多个领域。

MEMS传感器的主要类型

加速度计
陀螺仪
数字E-Compasses
惯性测量单位(IMU)
MEMS麦克风
压力传感器
温度传感器
接近传感器
湿度传感器

应用程序

距离测量用超声波传感器

为了减少COVID-19的传播，办公室和工厂被要求创造一种环境，确保工人之间的社会距离和安全的工作做法。

超声波传感器的距离测量精度小于1厘米，超宽频传感器的距离测量精度小于10厘米，而BLE传感器的距离为几米，当两个人接近推荐的大约2米的安全距离时，这不足以检测到他们。安装在传感器上的超声波换能器发射超声波脉冲并接收从物体反射回来的波。利用这个飞行时间(ToF)，可以准确地检测到与物体的距离。

用于工业和汽车的超声MEMS

工业应用包括精密农业、建筑机械、无人机、自动导向车辆(agv)、机器人和工业电机。在这些工业应用中，运动传感器数据已经成为实现自动化、提高效率和监测条件的关键。

MEMS加速度计产品提供这些应用所需的精确运动、振动和倾斜测量。

在汽车领域，MEMS传感器可广泛应用于航迹估算、车辆定位、视觉系统、增强现实、电梯门控制、车载信息娱乐和智能天线等领域。

MEMS气压传感器

最新的气压传感器采用创新的电容式MEMS架构，比竞争技术更低的功耗和噪音。

这些MEMS可以测量小到5厘米的高度变化，比一个楼梯的高度还小。因此，它们最适合智能手机、平板电脑、可穿戴设备、无人机和许多其他设备，以确定紧急呼叫的准确位置，跟踪海拔变化以进行活动监控，支持室内或3D导航，以及其他基于运动或位置的服务。

MEMS的信号产生

超声医学成像应用

超声成像在医学领域引起了很大的兴趣，因为与其他众所周知的方法(如磁共振成像、计算机断层扫描和x射线)相比，它对人体的危害较小。

Diagram, schematic</p> <p>描述自动生成

此外，电容式微机械超声换能器(CMUT)设备技术的出现进一步推动了人们的兴趣。与其压电对等体相比，CMUT具有更宽的操作带宽和更简单的制造大阵列的优势。

高压输出脉冲驱动器和电平移位器采用多层叠结构，并带有动态门偏置电路，在油类环境中驱动CMUT器件时，在1.25 mhz频率下产生超过10vpp的脉冲信号。

脉冲宽度、周期和所需产生的声压量，与输出脉冲信号的最大电压有关，取决于具体的医学成像应用，以及以下换能器的设备特性，在系统级决定。

cmt安装的PCB被放置在一个充满植物油的玻璃容器中，以模拟水下环境，而ic安装的电路板被放置在外部。水听器被放置在距离CMUT几毫米的地方，测量由此产生的传播声压，并将其转换为电压信号。

通常，在设计阶段需要一个外部任意波形发生器来产生10Vpp的输入脉冲来驱动输出端的CMUT。

具体的医学成像应用需要不同幅度级的信号:CMUT将电信号转换为与施加电压量相对应的声压信号。

BNC AWG发生器具有无与伦比的电压摆动能力，并结合了硬件偏移功能：12 V pp（50Ω到50Ω）振幅范围和±6 V（50Ω到50Ω）硬件偏移电压提供24 Vpp到50Ω或48 Vpp到高阻抗的总电压窗口。

所有的脉冲参数可以在没有小故障的情况下使用任意函数发生器模式改变:您可以实时控制脉冲宽度，上升和下降时间，周期，延迟，和振幅。

多层脉冲医学成像应用

提出了一种用于医学超声成像的两或三电平脉冲，特别是那些使用电容式微机械超声换能器(CMUT)的应用。

该脉冲发生器采用自举电路与动态偏置叠加晶体管相结合，允许在不降低设备可靠性的情况下，在超过工艺限制的条件下进行高压工作。

医学超声成像以高时空分辨率、无创和低成本提供不同器官的实时图像，显著影响了临床实践。近年来，电容式微机械超声换能器(CMUT)由于其更小的尺寸、更宽的带宽和易于与接口电路集成而显示出与传统大块压电换能器相比的几个优势。然而，与压电换能器相比，cmut在相同换能器区域通常有更大的电阻抗。

超声脉冲发生器是医学超声成像系统的关键组成部分之一，它驱动超声换能器，包括cmut，通过高压(HV)输出摆动，产生一个指向目标组织的超声压力脉冲。

BNC波形编辑器工具允许您轻松创建在该应用程序中非常关键的多级脉冲。此外，还可以添加噪声和/或滤波器以模拟真实环境。

自动驾驶汽车用超声波传感器的安全性

汽车行业是物联网(IoT)最有前途的领域之一。自动驾驶技术是建立在现代传感器上的，可以让车辆自己监控驾驶环境。因此，传感器的可靠性决定了自动驾驶汽车的安全性。

这些传感器广泛用于物联网设备的测距和占用检测，对应于车辆上的两种场景:

当汽车低速行驶时停车。
高速检测盲点。

传感器应该检测到所有存在的障碍物并避免假警报，车辆应该正确地处理以下两种情况。

有障碍物停车：车辆应停止向行驶路线上的障碍物移动，并避免主动碰撞。
无障碍行驶:当行驶路径上没有障碍物时，车辆应继续行驶，防止与无准备的车辆发生被动碰撞。

在设计阶段，可以在实验室模拟对独立超声波传感器的攻击，也可以在室外模拟几辆车的车载传感器。

通过传输使用任意波形发生器创建的无线信号，可以创建不同的攻击场景来模拟以下情况:

车辆应继续前进时却停止:我们设计了两种类型的欺骗攻击——随机欺骗和自适应欺骗，诱使车载超声波传感器报告在探测范围内任何地方不存在的障碍。
应停而行:超声波传感器的设计选择使隐藏障碍物成为可能。例如，干扰攻击或自适应欺骗攻击都可以阻止传感器报告道路上的障碍。

20世纪90年代初，超声波传感器首次作为驻车辅助系统的传感器引入汽车。

攻击场景:对手可以窃听来自机载传感器的物理信号，并主动生成任意形式的伪造回声(频率、幅度、持续时间、相位等)，从而在传播中破坏或压制其他并发的物理信号。

攻击类型

欺骗攻击:欺骗攻击包括发射精心设计的信号(如超声波脉冲)，与传感器发射的信号相同，即具有相同的频率、调制等。因此，传感器可能会以与真实信号相同的方式解读欺骗信号，从而错误地检测出不存在的障碍。此外，通过小心地调整欺骗信号的时间，对手可能会在他们选择的不同位置“制造”虚假障碍。
干扰攻击:干扰攻击包括注入类似但更强的信号来压制真实的信号。传感器通常被设计成能够抵抗良性环境噪声，但它们几乎不需要强干扰。因此，尚不清楚传感器是否能在干扰攻击存在时探测到目标。此外，如果干扰太强而导致传感器拒绝服务，那么传感器和汽车是否会优雅地故障而不会造成致命事故也就不清楚了。

创建一个随机欺骗器:我们获得了与目标传感器工作频率相同的超声波换能器，以验证欺骗攻击。为了驱动传感器，我们利用现成的硬件，可以是任意波形发生器。

下图显示了675 AWG系列的定序器，该定序器加载了一系列脉冲、一个用作暂停的直流电平和一个作为超声波响应的回波。

型号675 AWG有一个内置的高斯随机噪声发生器，可以添加噪声到您的信号，以模拟超声波传感器在噪声环境中的响应，或模拟返回信号和环境之间的交互作用。

波形编辑器软件包允许您轻松创建非常复杂的模拟和数字波形;此外，还可以为正在编辑的信号添加噪声和滤波功能。

一个包含图形用户界面描述的图片自动生成 — 图29：从MEMS传感器接收失真信号

ChartDescription自动生成 — 图30:模拟传感器接收到的噪声信号

干扰攻击

干扰攻击会产生超声波噪声，从而在传感器膜上引起持续振动，从而导致无法进行距离测量。

电压等级:压电晶体产生的声音振幅取决于驱动晶体的信号的电压水平。因此，有效干扰距离是由施加的电压决定的。

675型AWG可在高阻抗下产生高达24伏的方形脉冲。

用于传感器的超声波通信和测距系统

超声波飞行时间（ToF）传感器通常被认为是汽车和工业应用以及无人机和机器人的最佳范围传感器，因为它们比光学或红外传感器具有许多优势。例如，无论目标大小或颜色如何，它们都能提供最精确的距离测量，不受环境噪声的影响，并能在阳光直射下工作。由于这些原因，并且由于其坚固、准确和可靠，超声波传感器被广泛应用于工业和汽车应用中。

基于mems的超声传感器具有与传统超声传感器相同的性能和可靠性，但其体积比传统超声传感器小1000倍，功耗比传统超声传感器低100倍。这些微型传感器足够小，可以在小型消费者应用程序(如智能手机和可穿戴设备)中实现整个超声波传感光谱。