IEEE Sensors 2021: 揭秘VL53L5，意法半导体最新ToF传感器背后的秘密

在去年四季度召开的IEEE Sensors 2021大会上，意法半导体在会上宣讲了五篇论文（全部论文名录见下文），涵盖多个不同的专题，其中一个研究方向引起与会者的关注。Fabrice Martin宣讲的题为“内置光源的一体式 64 区 SPAD 直接飞行时间测距传感器”的论文揭开了 VL53L5的神秘面纱，披露了目前尚未公开的技术细节。

IEEE Sensors 2021:揭秘VL53L5

测距特性

The VL53L5

2020 年底发布的VL53L5 是意法半导体首款能够测量64个区域的飞行时间 (ToF) 传感器。在 IEEE Sensors 2021 大会结束后，公众对该产品的技术细节有了更好的了解。例如，意法半导体证实，4 x 4 或 8 x 8 网格模式对测距性能的影响很小。两种模式在黑暗环境中最大测量距离均达到 4 米，在 5,000 勒克斯的标准室内亮度下的最大测量距离约 1 米。此外，4 x 4 网格测距模式每秒可捕获 60 帧图像，而在测量64 个区域时捕获速度被限制在 15 Hz。因此，工程师可以更清楚地了解每种模式固有的参数优化情况。

VL53L5横截面图

硅片结构

距离标记与相机拍摄的照片重合的8 x 8 网格模式

我们还向与会者出示了 ToF 传感器的横截面图和各种图表，帮助他们了解传感器的测距性能。无论过去是否熟悉这种产品，与会者都弄明白了其内部工作原理。例如，横截面图描述了衍射透镜在区域测距中的作用。我们的团队还展示了 VL53L5芯片。意法半导体提供回路SPAD二极管阵列、32 位微控制器、VCSEL 驱动器等组件，因此，这是一个设计灵活性较高的测距系统。例如，MCU 执行并行计算，满足测距区数量增加对数据处理能力的要求。意法半导体还用图示解释了为什么 VL53L5 不用外部微控制器，本身就能计算信号数据。

IEEE Sensors 2021:窥探未来产品

自供电BLE蓝牙传感器

在意法半导体宣讲的其他论文中，有一篇探讨了一种无需安装电池或外部电源即可工作的光感设备。此外，这个光传感器还可以收集能量，驱动BLE蓝牙低功耗模块发送数据。这个想法并不新鲜，但该论文使用了市面有售的元器件，使这种光传感器具有商用可行性。为了实现这一个概念，该光传感器采用了将光能转换为电流的光伏换能器。此外，BLE射频仅在信标模式下工作，以节省能源。

压电颗粒物探测器

微粒物质探测器小型化是另一个研究领域。传统上，此类设备体积庞大。意法半导体的论文打破传统思路，研究使用压电式微机电系统 (MEMS)探测颗粒。简而言之，把正面涂覆压电层的圆形薄膜置于两个电极之间，当颗粒掉落在压电层上时，薄膜上就会出现较低的谐振频率。这篇论文可以作为一项可行性研究，因而引起与会者的兴趣。论文表明可以创建一个移动性更强的颗粒物检测器。研究人员仍然需要优化该探测系统，但目前的研究成果为可穿戴设备安装颗粒传感器打开了一扇门。

ST在IEEE Sensors 2021大会上宣讲的全部论文

Piezoelectric MEMS For Microparticles Detection, Francesco Foncellino

Miniaturized Quadruple Mass Gyroscopes: Challenges and Implementation, Luca Falorni

Intrinsically Self-powered, Battery-free, and Sensor-free Ambient Light Control System, Roberto La Rosa

On Amplitude-Gain-Control Optimization for Lissajous Frequency Modulated MEMS Gyroscopes, Andrea Donadel

An all-in-one 64-zone SPAD-based Direct-Time-of-Flight Ranging Sensor with Embedded Illumination, Fabrice Martin