“3D超聲波傳感技術(shù)可以作用在任何介質(zhì)、任何厚度上,現(xiàn)今大多客戶追求的是虛擬按鍵或數(shù)字化按鍵,但今后行業(yè)追求更多的將是手勢(shì)識(shí)別。”

從九宮格按鍵到觸摸屏手機(jī),從home鍵到全面屏,人機(jī)交互的趨勢(shì)一直是在想辦法取消機(jī)械按鍵。除去追求真實(shí)按鍵手感的場(chǎng)景外,虛擬按鍵可以省卻實(shí)體按鍵的挖孔和占據(jù)的空間,同時(shí)擁有防水、防油、防污的特性。

能夠?qū)崿F(xiàn)如此良好的人機(jī)交互體驗(yàn)要?dú)w功于背后的傳感器技術(shù),隨著行業(yè)的發(fā)展,也為傳感器提出了新的要求,UltraSense便向21ic中國(guó)電子網(wǎng)記者闡釋了行業(yè)的趨勢(shì)及其超聲傳感器解決方案。

超聲傳感器具有替代機(jī)械按鍵的特性

“UltraSense是一家將現(xiàn)有超聲技術(shù)結(jié)合到觸摸式人機(jī)交互界面的公司,憑借技術(shù)已形成全球首款智能型超聲傳感器,產(chǎn)品僅有2．6mm x 1．6 mm的面積和低于1mm的厚度,達(dá)到了芯片級(jí)別” ,UltraSense Systems 公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席業(yè)務(wù)官Daniel Goehl如是說。

記者查閱了UltraSense的官網(wǎng)得知,對(duì)應(yīng)超聲技術(shù)的傳感器產(chǎn)品便是TouchPoint系列,擁有TouchPoint、TouchPoint Z、TouchPoint P三種解決方案,分別針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行選擇。

通過Daniel Goehl的介紹,依托3D超聲波的TouchPoint系列產(chǎn)品,擁有幾個(gè)特性:

其一是無機(jī)械按鍵、無物理開孔、貼合簡(jiǎn)單,依托如此特性使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中易于放置和連接,同時(shí)這種設(shè)計(jì)還能帶來防水、防油、防污的特性。

其二是穿透性好,超聲波能夠穿透鋁、不銹鋼、玻璃、皮毛、皮革在內(nèi)的任何介質(zhì),整體穿透厚度可達(dá)5mm左右,同時(shí)無論任何功率情況下都可獲得完美的穿透效果。值得一提的是,1．2mm x1．2mm的定位區(qū)域,使得觸摸更加精準(zhǔn)。

其三是小體積低功耗,整體面積不到一枚硬幣的五分之一,是世界上最小的超聲波傳感器,適用于任何緊湊型設(shè)備中;<20uA/sensor的長(zhǎng)期運(yùn)行電流,適用于任何安裝電池的移動(dòng)設(shè)備上。

其四是可靠性高,產(chǎn)品不受污染物、聲學(xué)干擾和電磁場(chǎng)影響,傳感器間無串?dāng)_。另外,傳統(tǒng)使用的電阻型傳感器對(duì)溫度非常敏感,TouchPoint內(nèi)部則為硅裸片,硅材料對(duì)穩(wěn)定敏感性好,可在任何工況下穩(wěn)定工作,不懼高溫和低溫,甚至在烤箱內(nèi)都可正常使用。

其五是換能器和ASIC電路一體化設(shè)計(jì),內(nèi)置MCU和TouchPoint算法,一個(gè)傳感器就相當(dāng)于一個(gè)按鈕,可對(duì)上層材料分析,動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)境參數(shù),得益于此開發(fā)者可減少開發(fā)調(diào)整,獲得上市時(shí)間加速。另外,通過Z壓力算法實(shí)現(xiàn)無誤觸。

據(jù)Daniel Goehl介紹,這家公司成立于2018年4月,專注于超聲波傳感領(lǐng)域,目前已成功獲得超10個(gè)超聲感知技術(shù)專利,客戶包括博世、Asahi Kasei、索尼等。根據(jù)Daniel Goehl的介紹,雖然從成立時(shí)間來看公司較為年輕,但實(shí)際上團(tuán)隊(duì)源于原InvenSense公司,深耕超聲領(lǐng)域15年,團(tuán)隊(duì)也曾創(chuàng)過數(shù)個(gè)業(yè)界第一。

小身材潛藏多項(xiàng)技術(shù)壁壘

從原理上來看,Daniel Goehl為記者介紹表示,TouchPoint一般是集成在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的集成電路板或任何柔性電路板上,之后傳感器上端的基層材料將會(huì)被識(shí)別,相當(dāng)于也集成在電路中成為表面觸控材料。

因此,使用任何粘貼方式將目標(biāo)基材層與超聲傳感器面層粘合都可觸發(fā)超聲波束,超聲波束根據(jù)不同材料形成不同的聲阻,在人對(duì)表層材料接觸和按壓時(shí),垂直的超聲波束能夠精準(zhǔn)識(shí)別操作類型。

從結(jié)構(gòu)上來看,TouchPoint本質(zhì)上是一片SoC,片上包括嵌入式微控制器、內(nèi)存、模擬前端和單硅片的超聲波傳感器 ASIC 組成。Daniel Goehl強(qiáng)調(diào),集成所有模塊的單傳感器是替代機(jī)械按鈕的最佳之選,使用多個(gè)這種傳感器也可實(shí)現(xiàn)表面手勢(shì)操作。

事實(shí)上,TouchPoint的最關(guān)鍵點(diǎn)正是其內(nèi)部的高度集成,傳統(tǒng)傳感器方案多芯片會(huì)增加方案的復(fù)雜程度,占用更多的面積,而TouchPoint則已經(jīng)完成了自我的全封閉操作。

從算法上來看,TouchPoint加入了Z壓力(Z-Force)檢測(cè),手指在按壓過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力使材料形變,在此過程中加入Z壓力檢測(cè)能夠更好感知材料表面的變化,判斷觸發(fā)是否是誤觸。Daniel Goehl為記者舉例表示,假若剛好有一滴水作用在傳感器,一般情況會(huì)被誤認(rèn)為是人手接觸,因?yàn)槿耸纸M成大部分也是水,而經(jīng)過Z壓力反饋TouchPoint可以避開這種誤觸情況。

除此之外,TouchPoint還包括U-Sense?自我調(diào)節(jié)、輸入檢測(cè)分類器算法,這就是上文提到傳感器識(shí)別基層材料的算法,通過自我調(diào)節(jié)機(jī)制傳感器將動(dòng)態(tài)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù),達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

雖然在通俗解釋后,超聲傳感器似乎沒有想象中擁有很高的技術(shù)壁壘,“實(shí)際上從技術(shù)復(fù)雜性來講,研發(fā)過程遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有業(yè)界部分人想象的那么簡(jiǎn)單”,Daniel Goehl強(qiáng)調(diào),TouchPoint并不僅僅是單純信號(hào)傳導(dǎo)和接受的過程,產(chǎn)品既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)集成,也囊括了復(fù)雜的材質(zhì)和厚度識(shí)別算法,實(shí)現(xiàn)過程中存在也擁有很多難點(diǎn)。

極具廣闊的應(yīng)用趨勢(shì)

根據(jù)Daniel Goehl的介紹,今年CES2021期間,已向媒體宣布將在本月完成超聲傳感器的量產(chǎn),并將會(huì)交付給下游客戶,包括手機(jī)制造商及消費(fèi)電子產(chǎn)商。Daniel Goehl預(yù)測(cè),大約今年3-4月份就將會(huì)有搭載該解決方案的產(chǎn)品在市場(chǎng)浮現(xiàn)。

雖然UltraSense在技術(shù)底蘊(yùn)上超過十余年,不過公司畢竟還是新興公司,很多人并不熟悉,特別是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。Daniel Goehl強(qiáng)調(diào),UltraSense對(duì)中國(guó)市場(chǎng)非常熟悉,目前正在和中國(guó)市場(chǎng)一些智能手機(jī)廠商進(jìn)行合作,大家將在2021年底或2022年初看到新產(chǎn)品問世。除了手機(jī)廠商外,中國(guó)細(xì)分市場(chǎng)包括消費(fèi)電子、家電、汽車市場(chǎng)都在接洽之中。

受到國(guó)內(nèi)廠商的簇?fù)砗颓嗖A這要得益于產(chǎn)品本身廣闊的應(yīng)用空間,在UltraSense與手機(jī)行業(yè)廠商接洽中得知,很多客戶希望能將手勢(shì)操作放置在機(jī)身背后,使得用戶能夠非常輕松自拍或控制手機(jī)。

除此之外,大部分主流手機(jī)廠商也正在尋求使用超聲傳感器的方式取代現(xiàn)有的電源鍵、音量鍵、AI鍵,還可以再手機(jī)上增設(shè)超聲傳感的游戲鍵、功能鍵,模擬手柄操作。“5G手機(jī)內(nèi)部非常緊湊,利用超聲傳感器代替開孔設(shè)計(jì)的機(jī)械按鍵,既能幫助手機(jī)節(jié)省空間,也能使手機(jī)全身IP防護(hù)等級(jí)更好”,Daniel Goehl如是說。

“實(shí)際上,我們團(tuán)隊(duì)在InvenSense時(shí)便有大量的手機(jī)行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn),當(dāng)時(shí)我們也向行業(yè)交付了超過10億只以上的運(yùn)動(dòng)傳感器,所以我們非常清楚地了解到手機(jī)行業(yè)客戶的需求是非常高的。”

值得一提的是,生活中隨處可見的消費(fèi)電子產(chǎn)品的機(jī)械按鍵都可用此方案代替,包括TWS無線耳機(jī)、智能手表、筆記本電腦、VR眼睛、電動(dòng)牙刷、4K電視等一切能夠想到的設(shè)備。

通過多個(gè)超聲傳感器的協(xié)作,用戶可以獲得非常精準(zhǔn)的多種人機(jī)交互方式,正因小巧且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,所以這款產(chǎn)品“沒有做不到只有想不到”。

而自身非常出色的穩(wěn)定性,也適用于工作環(huán)境較為惡劣的車載環(huán)境,利用這種方案未來汽車駕駛的手感將會(huì)更加出色,內(nèi)飾設(shè)計(jì)也會(huì)更強(qiáng)。

反觀整個(gè)行業(yè),很多場(chǎng)景下使用的傳感器仍然還是傳統(tǒng)的解決方案,這種方案的小巧簡(jiǎn)便、精準(zhǔn)識(shí)別、節(jié)省空間、無孔設(shè)計(jì),相信能為未來新產(chǎn)品帶來新動(dòng)能。