Ambitionen är hög. Myvox siktar på att bli en fabrikslös kretstillverkare – likt framgångssagan Fingerprint Cards, som sålt sensorer för många miljarder kronor.
Ursprungligen kommer Myvox sensor från ett EU-projekt som memsfoundryt Silex i Järfälla drev inom medicinsk teknik. Projektet verifierade att tekniken fungerar.

Thorbjörn Ebefors

– Chipen som vi hittills använt är prototyper tillverkade hos Silex, säger Thorbjörn Ebefors, en av fyra grundare och tidigare teknikchef på foundryt.

Det handlar om en matris med 8 × 8 fasstyrda antennelement, där varje element både skickar och tar emot ultraljud. Konstruktionen är anpassad för att fungera bäst vid 70 kHz till 200 kHz, och då går det att detektera millimeterstora objekt på 5 till 50 centimeters avstånd.

– Vår nyckel är hur vi styr ljudvågorna, så att de interfererar i 3D-rymden och energin kan styras dit ljudet gör nytta.

Visserligen går det att göra motsvarande med radar, exempelvis har Google och svenska Acconeer utvecklat sådana kretsar, men de jobbar vanligtvis runt 60 GHz eller 79 GHz.

– Det är mycket svårare att bygga elektronik för millimetervågor än för 100–200 kHz, som vi använder, påpekar Thorbjörn Ebefors.

Vid en mätning skickar det aktuella chipet ut 64 ljudvågor i samma riktning. Ljudvågorna kan med hjälp av lobstyrning (beamforming) svepas 180 grader i rymden för att hitta ett eventuellt objekt.

Om något, exempelvis ett finger, placeras framför matrisen börjar den att mäta avståndet till objektet. Distansen bestäms av hur mycket energi ekot innehåller och tiden det tar för vågen att komma tillbaka. Riktningen bestäms i sin tur av när de olika antennelementen får tillbaka ljudet. Kommer reflektionen från sidan uppstår en tidsfördröjning som beror av vinkeln.

– När vi vet var objektet är kan vi lägga på en fördröjning på varje element för att få chipet att skicka ljudet som om objektet vore rakt framför. Sen kan elementen låsa på objektet och följa det på samma sätt som en luftvärnsradar följer ett flygplan.

En finess hos Myvox är att företaget använder datadriven och inte matematisk lobstyrning. I teorin betyder det att sensorn i realtid kan anpassas till den aktuella situationen. Om exempelvis ett av de 64 elementen fallerar kan signalen från antenn­elementen runt om förstärkas för att kompensera för det som fallit bort.

Än är elektroniken som hanterar de 64 elementen inte där. För tillfället består prototypen av diskret elektronik – åtta transceivrar från ST Microelectronics med åtta kanaler vardera. Till detta kommer fyra kort från TI, med 16 mottagarkanaler vardera.

Så fungerar sensorn

Hemligheten bakom Myvox memskrets är ett piezoelekt­riskt material som kan fås i självsvängning. Piezomaterialet utgör hjärtat i de olika transducer-elementen (sändare och mottagare). Länge har det varit svårt att tillverka det med tillräcklig kvalitet. Basen är en kiselskiva med en mängd mycket tunna membran som piezomaterialet appliceras på. En växelspänning får piezomaterialet att rör sig, varmed membranet kommer i självsvängning. När membranet efter 10–15 svängningar hittar sin resonansfrekvens skickar det ut ett kraftfullt ultraljud. Spänningen stängs av och kort därpå stannar membranet. När ljudekot kommer tillbaka töjs materialet, det skapas en laddning som förstärks och signalbehandlas. Genom att tunnfilmsteknik används skulle det gå att göra kretsar som sänder på upp till 40 MHz, vilket kan vara intressant inom högupplöst bildgenerering medicinsk teknik. Men vid så höga frekvenser dämpas ultraljudsvågen extremt snabbt i luften.

Signalbehandlingen sköts av en mycket kraftfull FPGA som programmerats med digitala filter, så kallade lobformare (beamformers på engelska).

– De digitala filtren detekterar momentant varifrån ett eko kommer. De kan se rörelse och med enkel maskininlärning i FPGA:ns processor lära sig att tolka olika gester, säger Thorbjörn Ebefors och fortsätter:

– Idag kalibrerar vi chipet en gång, sedan programmerar vi FPGA:n. Men vi har just startat ett projekt inom vilket en asic ska utvecklas. Den får inbyggt självkalibreringsprotokoll, så den kan kalibreras on-the-fly.

Asic-projektet, delfinansierat av Vinnova, inkluderar industriföretagen Veoneer, ABB och Mycronic, medan Karlstadföretaget Shortlink och professor Atila Alvandpours forskningsgrupp på Linköpings universitet hjälper till med designen.

I skrivande stund håller asicen på att specificeras. Klart är att den ska hantera många tusen kanaler, istället för dagens 64. Förhoppningen är att få fram en första liten och mycket energi­effektiv krets under nästa år.

Tanken är att en lösning baserad på mems och asic ska kunna testas i Veoneers labb i Vårgårda – inbyggd i en labbprototyp – om cirka ett år.

– I Veoneers testbilar finns exempelvis redan mono- och stereokameror, radar och lidar. Framåt ska vi titta på om vår teknik kan vara ett komplement till de olika systemen inne i och runt omkring bilen.

Jämfört med en kamera har ultraljud fördelen att det inte är känsligt mot ljus, varken mörker eller bländande solsken. Integritet är också en intressant detalj, många ogillar helt enkelt att ständigt bli filmade.

Samtidigt kan ultraljud, till skillnad mot en kamera, ge beröringsfri återkoppling.

Som exempel kan man jämföra med utvecklingskit som finns att köpa på marknaden idag, som också använder ultraljud likt Myvox men baserar systemen på den typ av backsensorer som biltillverkare använder i självstyrande fickparkeringssystem. Dessa system använder matriser med 14 × 14 eller 16 × 16 element och arbetar på 40 kHz.

– Den tekniken klarar att skapa åtta oberoende ljudstrålar, så att du kan spela piano genom att sätter en stråle som du kan känna på varje finger.

– Ett nästa steg för oss är hur vi ska styra multistrålar. Vi kommer att kunna bli bättre än systemen som finns att köpa idag eftersom vi kan bygga fler än 256 element i ett litet format.

Dagens memskrets med 64 element är 0,9 × 0,9 cm. Med det kan företaget skapa ett lokalt ljudtryck på decimeteravstånd som är tillräckligt för att exempelvis få uppmärksamhet.

– Man kan tänka sig att ge en bilförare en knack på axeln med en ljudstråle om föraren är på väg att byta fil, men missat att titta i döda vinkeln.

Denna artikel har tidigare publicerats i magasinet Elektronik­tidningen. För dig som jobbar i den svenska elektronik­branschen är Elektronik­tidningen gratis att prenumerera på – våra annonsörer betalar kostnaden. Här ansöker du om prenumeration (länk).

När en asic finns framme om cirka ett år ska experter från Veoneer hjälpa till att testa användarupplevelsen på olika sätt i labbet. Därefter är målet att få till ett följdprojekt inom vilket tekniken stoppas in i en riktig bil, för att testas ute på väg.

– Det blir runt 2021–2022. Därefter hoppas vi att vår lösning är fullt kvalificerad för att kunna börja säljas till biltillverkare, säger Thorbjörn Ebefors.

Men det är inte enbart bilspåret som Myvox kör på. Även ABB är intresserat av tekniken, och nyligen öppnade industriföretaget dörren till sin tillväxthubb Synerleap där Myvox nu tagit plats.

Likaså har ett utvärderingsprojekt precis startat tillsammans med Täbyföretaget Mycronic. Inom det ska företagen studera om ultraljudstekniken kan användas för att bygga så kallade Tractor beams, eller dragstrålar som det heter på svenska. Det är effekter som man ofta stöter på inom science fiction.

– Tanken är att studera möjligheterna att med akustiska beröringsfria pincetter kunna manipulerar och flytta små solida objekt i luft, exempelvis kondensatorer och motstånd vid kretskortsmontering.

– Under våren tror vi det kan bli ett intressant exjobb för en lämplig kandidat.

Parallellt med detta arbetar företaget med att ta fram en mer generell plattform som det kan sälja via kända distributörer som Digi-Key, Arrow eller Elfa Distrelec. Planen är att den ska nå hyllan om två till tre år.