מבוא

(FLT:0) מרכיבים וחיישנים אופטיים ו-IIFLT:1 - ממכשירי צילום פשוטים ו- IR LEDs ועד למודולים מורכבים של זמן-of-Fulti-אופטיקה-אופטימיים - הפכו לבלוקים חיוניים ברשת המודרנית של דברים (IoT) מכשירים בדיקה מרחוק, זיהוי מרחוק-משימתי, נוכחות, שידור נתונים על פני אור, ואפילו LiDAR עבור אותות אופטיים ייחודיים (Dicial) לממשקים אופטיים אופטיים אופטיים (D מהירים) חייב לשילוב יעיל של מערכת הפעלה אופטיים אופטיים אופטיים (Dicial) של מערכת הפעלה ישירה של מערכת הפעלה ישירה של מערכת הפעלה אוטומטית של מערכת הפעלה ישירה של מערכת הפעלה אוטומטית של מערכת הפעלה ישירה של מערכת הפעלה) של מערכת הפעלה ישירה של מערכת ההפעלה, כולל של מערכת הפעלה אוטומטית של מערכת הפעלה אוטומטית של מערכת הפעלה (Dial) של מערכת הפעלה:

הבנת התאמות וחיישנים ב-IoT

סוגים של התאמות

(החומרים האופטימיים יכולים להיות מסווגים באופן נרחב ל-FLT:0) {\displaystyle \FLT:0} ,(LEDs, VCSELs, diodes), FLT:2detecatorsFLT:3 (תמונות, phototransistors, ambient-lightחיישנים), ו-FLT:4combinedמודולים:5 (סימולציות, סיבים אופטיים, , חיישנים אופטיים, , , , חיישנים אופטיים, , , חיישנים אופטיים, , , , , חיישנים אופטיים, , , , , חיישנים אופטיים, כולל שימוש , חיישנים אופטיים).

  • חיישני אור Ambient (ALS) כדי להתאים את בוהק התצוגה או מערכות תאורה בקרה.
  • חיישנים פרוקסימיות (IR LED + photodiode) עבור ממשקים ללא מגע, דיקור, או חישה ברמת נוזל.
  • חיישני זמן (ToF) לזיהוי מחווה, מדידה מרחוק ומיפוי תלת-ממדי.
  • קישורים נתונים אופטיים (למשל, IrDA, סיבים אופטיים) לתקשורת מהירה, רעש-אימיונית.
  • חיישנים פוטופלטיסמוגרפיה (PPG) עבור ניטור לב ועקוב מדם-אוקסגן בלבושות.

עקרונות הפעלה ו רגישות

Photodetectors לייצר זרם קטן (לעתים קרובות ב nanoampere למיקרו-אמפורה טווח) פרופורציה אור אירוע אינטנסיביות אור. זרם זה מומר למתח על ידי מגבר טרנססרמנטציה (TIA) ודיגיטלי נוסף.יחס אותות לסחף (SNR) של הנתיב כולו תלוי באופן ביקורתי על הפריסה: כל קיבולת, קרקע, או זרם נמוך, במיוחד, או מכווץ לייזר; או מכווץ, במיוחד, או מלמטה, או מכווץ, או מלמטה, או מכווץ, או מכווץ, או מקצבים, או מקצבים, במיוחד, או מסטיקה, או מלמטה, או מקצבים, או מלמטה, או מלמטה, או מכווץ, או מכווץ את זרם נמוך יותר, או מלמטה, או מקצבים, או מלמטה, או מלמטה, או מלמטה, או ממריצים, או מלמטה, או מלמטה, במיוחד, או מלמטה, או מלמטה, עם לחץ דם נמוך יותר, או מכווץ, או מדגמיצינורמדומים, או מלמטה, או מכווץ, או מכווץ, או מכווץ את ה-V.

אסטרטגיות עיצוב לאינטגרציה

1. מקום ואוריינטציה

המיקום הפיזי של רכיבים אופטיים ב- PCB קובע את הביצועים והביצועים.עקוב אחר ההנחיות הללו:

  • (FLT:0)Line-of-sight (LoS)cioFLT:1): ודא כי הנתיב האופטי מן הנפלט אל המטרה ובחזרה לגלאי (או מהסביבה החיצונית לחיישן) אינו מובגן על ידי רכיבים אחרים, אזורי שמירה, או את המתחם עצמו.
  • (בקיצור:0)EMI נמנעים מלהיב את החיישנים האופטיים (במיוחד הפוטדקטור האנלוגי) לפחות 5-10 מ"מ מקווי דיגיטלי מהירים (למשל, עקבות שעון, USB, Ethernet), מעבר רגולטורים ושדות מגנטיים חזקים.אם הפרדה היא בלתי נמנעת, FLT:2aded a Grounded לשפוךFLT:3 או חריץ בתוך השטח הרגיש בין האזור הסגול לבין שטח מגנטי רגיש בין שטח רגיש לבין שטח מגנטי.
  • (FLT:0) ניהול רב-עוצמה גבוהה IR LEDs או VCSELs לייצר חום.מקם אותם הרחק מעגלים אנלוגיים רגישים לטמפרטורה ולהבטיח שטח נחושת הולם להפצת חום (למשל, להשתמש תרמי באמצעותם אל מטוס קרקע) עבור מודולים צפופים, לשקול שימוש במצמד תרמי ייעודי תחת הנפלט.
  • (FLT:0) אורנטימנטל FLT:1; רכיבי הר כך שהארפורה אופטית עומדת בפני המטרה המיועדת.עבור חיישנים כהים (למשל, זמן של מודול טיסה), הנטייה של החבילה ביחס לקצה הלוח עשויה לדרוש 90 מעלות או 180 מעלות סיבוב - לאמת את הכיוון המומלץ של הנתונים של חלונות פולטטר / tector.

2.התחסמה והנחמה

מערכות אופטיות הן רגישות לקרוסטור אופטי (אור סטרי מהפלט מגיע לגלאי ישירות) ורעש חשמלי.

  • (FLT:0 מחסומים אופטיים של LT:1: השתמש בדיור אור צמיגים או מגן בצורת (לעתים קרובות מסופק עם מודולי חיישן) כי מפריד פיזית את ערוצי פולט וגלאים. על PCB עצמו, מגן מתכת מעוקל יכול לחסום גם אור לוטש וגם EMI.
  • (FLT:0) מסננים אופטיים מסננים 1: עבור דחייה של אור הסביבה, להציב מסנן ארוך או מפספי עיגול מעל חלון החיישן.חיישנים רבים ל-ToF כוללים מסנן על החבילה; אם לא, לשקול מסנן נפרד המוצמד מעל לצמצם.
  • (FLT:0) בידוד אלקריבית FLT:1: לספק מטוסים קרקעיים נפרדים עבור החלק האנלוגי החיישן ואת החלק הדיגיטלי /לוגי, מחובר בנקודה אחת (למשל, מתחת לחיישנים) באמצעות טפיל bead או מתנגד קטן. השתמש טבעת שמירה סביב קלט תמונה דיפלומה כדי לחדד זרמי הדלפה.
  • (FLT:0) עיצוב עיצוב ייצוב 1: במכשירים רגישים ל-IoT, הדיור הפלסטי עצמו יכול לשלב צינורות אור או ערוצים.להבטיח כי פריסת ה- PCB תואמת את העיצוב המכאני - לתאם עם מהנדס המתחם מוקדם בתהליך.

אופטימיזציה PCB Layout

עקבו אחרי Optical Signals

  • (FLT:0) שמור על עקבות קצרים של ההרחבה: התמונה הנוכחית של גלאי ל-TIA חייבת להיות קצרה ככל האפשר (בדרך כלל מתחת 5-10 מ"מ) כדי למזער קפיקט קצבי ותפיסת רעש. Place the TIA ורכיבי משוב שלה ליד החיישן.
  • (FLT:0) ,Impedance controldance Control: for high-speed אופטית קישורים (למשל, סיבים אופטיים עוברים 1 Gbps או יותר), עיצוב מבוקר (למשל, 50 ⁇ יחיד-ended, 100 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ) השתמש במטוס התייחסות מוצק מתחת ל routing.
  • (ב) [ה]] [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה]]][ה]]]], [ה], [ה], [ה], [ה]ה'[ה'], [ה']']'[ה']'], [ה'[ה'[ה']']']'[ה']']']'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה'[ה'[ה']']']'[ה'[ה']'[ה'[ב']']']']']']'[ה']']'[ה']']']']']']'[ה'[ה']']'[ה']'[ה'[ה']'[ה'[ה']']'[ה'[ה']'[ה']'[ה']']']'[ה'[ה'[ה'[ה'[

משלוח חשמל ו Decoupling

  • (FLT:0)Decoupling capacitorsbators:1: להציב 0.1 μ capacitor קרמיקה μ קרוב ככל האפשר לכל אחד מעמודי הכוח של רכיב אופטי, עם דרך לקרקע מיד ליד. עבור פולרים עתיריים, להוסיף קפיטור גדול (למשל, 10 מיקרוF) ליד הטרנזיטור הנהג.
  • (FLT:0) מטוסים של כוח מפריד 1 (FLT:1: Dedicate a אנלוגיה נקייה (למשל, 3.3V A) עבור החיישן ו-TIA, מבודד מן האספקה הדיגיטלית (3.3V D) עם fer bead או LDO.
  • (ב) [ה]: ⁇ [ה]: יישם כוכב או מטוס קרקע מוצק ללא פיצולים תחת אותות אנלוגיים קריטיים. עבור חלקים חתומיים מעורבים, בצעו את ההוראות החשופות של גליון הנתונים - לעתים קרובות דורשות מספר תרמיים דרך המטוס.

שיקולים קדמוניים ל Emitters

VCSEL ו- LED נהגים יכולים להתפזר כוח משמעותי.לוודא כי האזור הנחוש הקשור לחבית של הנהג או כריתת חום הוא מספיק. השתמש תרמי דרך (0.3 מ"מ באמצעות, 1.2 מ"מ) להפיץ חום לקרקע פנימית.אם הפולט מופעל הדופק (כמו בחיישנים ToF), הפסגות יכולות לעלות על 1 A - ה- PCB חייב לתמוך במגבת ללא עודף של מתחים לפחות 20-30 ליטרים.

בחירה ואינטגרציה

המונחים: wavelength and Spectral Matching

בחר אורך גל פולט אשר מתאים לתגובת השיא של הגלאי. אפשרויות נפוצות: 850 nm ו 940 nm הם פופולריים עבור IR הקרבה ו- ToF (אלא רגישות לאור השמש הממוקד); 650 nm עבור יישומים גלויים לעין אור; 1550 nm עבור LiDAR בטוח העין, ודא כי photodetector יש תגובה מינימלית באורכי גל לא רצויים (למשל, UV עבור מסנן בחוץ).

חבילות ו-Afing Compatibility

רכיבים אופטיים באים חבילות על פני השטח (SMD) (למשל, 0805 photodiodes, ICs עם חלונות) ודרך חור (עבור נוריות בעוצמה גבוהה או סטיות אופטיות סיבים) עבור ייצור בנפח גבוה של IoT, SMD הוא המועדף - אבל לציין כי חיישנים אופטיים רבים יש epoxy שקוף על פני המוות; להבטיח את פרופיל נמכר לא עולה על רמת הלחות של הרחם (MSx) לא יכול למנוע רגישות פני השטח).

דירוג סביבתי

מכשירים תעשייתיים או בחוץ IoT דורשים רכיבים מדורגים עבור טווחי טמפרטורה רחב יותר ולחות גבוהה יותר.חפש חלקים עם פיצוי טמפרטורה מובנה, או לספק תנור (למניעה condensation) בסביבות קרות.

כוח וחובה אופניים

צומת IoT מופעל סוללה לעתים קרובות חובה - מחזור חיישן אופטי כדי לחסוך אנרגיה.בחר רכיבים עם זמנים מהירים (למשל, <10 μs עבור VCSELs) ו מצבי כוח משולבים.ה פריסה PCB צריך לתמוך להחליף את ההיצע של פולט עם מעבורת ייעודית של MOSFET ו decoupling capacitor.

המונחים: sounding

מספר פרטים על ייצור PCB יכולים לעשות או לשבור שילוב אופטי:

  • (FLT:0) פתחי מסכת הקרנת הבכורה: עבור חיישנים עם אמפרציה אופטית בצד התחתון, יש להסיר את מסכת הנמכרת (או חיתוך חלון) כדי לאפשר אור להגיע אל המוות.
  • (FLT:0) סימני החסות: כאשר משתמשים ב- Sub-assemblies אופטיות (lens, מראות, בעלי סיבים), מוסיפים סימני פידוק על ה- PCB עבור דיוק איסוף ומיקום (בדרך כלל ± מ"מ או טוב יותר).
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ,CleantureFLT:1: לאחר ההרכבה, ציפוי קונפורמנטלי עשוי להיות מיושם, אך להימנע מציפוי החלונות האופטיים. השתמש במסכה קלופה במהלך ציפוי תואמים, או לציין כי אזור החיישן נותר ללא השגחה.

בדיקות ו-Celbration

ביצועים אופטיים מדויקים דורשים גם את הסגירה במפעל ותגמול מתמשך.

המפעל Calibration

  • (FLT:0) המדידות של ה-FLT:1: חשיפת החיישן למקור אור ידוע (למשל, calibratedאינטגרציה ספירה) והתאמה של ההתחלה והשגת אפקטיביות שהוגדרו בזיכרון הלא-מצפון של MCU.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) יעילות ההפיכה ההפיכה ההפיכה ההפיכה ההפיכה של 1 בינואר: עבור מערכות סיבים אופטיים, למדוד אובדן כניסה; עבור קישורים מרחביים חופשיים, לאמת את פרופיל הדבור באמצעות מערכת מבוססת מצלמה.

מערכת עצמית-Calibration

חיישן מודרני רבים ICs (למשל, TI OPT3101, ST VL53L5) כוללים שגרות קליברציה אוטומטית בנויות כי לפצות על סחף טמפרטורה והזדקנות.ה- PCB חייב לספק ממשק I2C / SPI ושורה מרגשת עבור שגרות אלה.להבטיח את רצף החסות של החיישן יכול לרוץ ללא התערבות חיצונית על ידי תכנון מכני או באמצעות הפניה פנימית.

נקודות מבחן ווויכוח

כולל נקודות מבחן עבור פלט חיישן (מתח אנלוגי או נתונים דיגיטליים) ועבור החוש הנוכחי של הנהג פולטטר התנגדות. במהלך debugging, בדיקת היקף הקשורה לנקודת המבחן יכולה לאמת את תזמון הדופק ואת amplitude. הוסף קופץ כדי לבודד את אספקת החיישן עבור המדידה הנוכחית.

טכניקות מתקדמות לשילוב אופטי של IoT

המונחים: Optical Wave guides

עבור מודולים קומפקטיים מאוד של IoT, לשקול שילוב פולימרים או גל זכוכית מודרך לתוך ה- PCB substrate. חברות כגון FLT:0FinisarcioFLT 1 ו FLT:2IntelirFLT 3 הוכיחו את השכבות עם שכבות אופטיות מוטבע עבור 100 חיבורים Gbps.

ה-SU-assemblies

כדי לפשט את הפריסה של PCB, מעצבים רבים משתמשים ב- flex-PCB קטן נפרד שמחזיק את הרכיבים האופטיים ומתחבר אל הלוח הראשי באמצעות מברשות מחבר או מכר.זה מאפשר לאלמנטים אופטיים להיות ממוקמים במיקום מכני המדויק (למשל, על קצה מסגרת משקפיים חכמה) בעוד ה- PCB הראשי נשאר לוח סטנדרטי נוקשה.

מידע אלחוטי ו-WiFi

יישומי IoT המתפתחים משתמשים באור אינפרא אדום בו זמנית בכוח ומתקשרים עם בלוטות חיישן (למשל, עבור שתלים רפואיים או מעקבי נכסים) הפריסה PCB חייבת לשלב ממיר פוטו-וולטאי (a photodiode גדול) ועיגול מודולר / מתנוור.מגן הופך קריטי כדי להפריד את הקלט האופטי גבוה מן ההיגיון הדיגיטלי של כוח נמוך.

מקרה מחקר: שיפור חיישן זמן של פנסים עבור בניין חכם

שקול חיישן דיקור ממוחזר דרך VL53L5CX ToF חיישן STMicroelectronics.מודול זה מכיל VCSEL ו- SPAD מערך.הפריסה צריכה:

  • הניחו את המודול בקצה הלוח עם אזור 2 מ"מ של שמירה בצד הקדמי של העדשה.
  • כביש VCSEL Cathode עקבות (קריב עד 1.6 A שיא) עם זכר באורך 60-מייל לנהג N-ערוץ MOSFET. השתמש במגפת בגודל 4.7 מיקרוFFFacitor ליד ניקוז MOSFET.
  • מסלול הפלט SPAD (LVDS) זוג שונה ל- MCU הראשי (STM32) עם 100 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ אורכו של 0.5 מ"מ.
  • ⁇ את הקרקע האנלוגית (עבור נהג VCSEL) מן הקרקע הדיגיטלית באמצעות קפיצה 0 ⁇ שפועלת כקרקע חד-צדדית.
  • כולל כרית מבחן עבור החוש הנוכחי של הנהג מתנגד (0.1 ⁇ ) כדי לאמת את אמפליטודה הדופק במהלך הפיתוח.

בדיקה חשפה כי הפרדה של 10 מ"מ בין נהג VCSEL לבין קלט SPAD הפחיתה את הקרוסטור על ידי 15 dB. גמר calibration נעשה עם יעד קרטון לבן במרחק 50 ס"מ וזיכרון פלאש על הסיפון מאוחסן את ההתחלה לכל מכשיר.

מסקנה

תוך מינוף מרכיבים אופטיים וחיישנים לתוך פריסת PCB עבור יישומי IoT דורש הבנה עמוקה של פיזיקה אופטית ועיצוב חשמלי. על ידי שליטה קפדנית מיקום, הגנה, ניתוק, וחלוקה כוח - ועל ידי בחירת רכיבים עם אורך הגל המתאים, החבילה, ואת דירוגים סביבתיים - מעצבים יכולים להשיג אמין, ביצועים גבוהים חישה מוצרים קומפקטיים, עלות, כולל תשומת לב מפורטת לתבניות אופטיות יותר עבור ניתוח אופטיקה (D) ממשיך יעיל יותר עבור שיטות פיתוח יעיל יותר.

(ב) עיין בהנחיות עיצוב אופטיות של [[המאה ה-1]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]