“3D超聲波傳感技術可以作用在任何介質、任何厚度上,現今大多客戶追求的是虛擬按鍵或數字化按鍵,但今后行業追求更多的將是手勢識別。”

從九宮格按鍵到觸摸屏手機,從home鍵到全面屏,人機交互的趨勢一直是在想辦法取消機械按鍵。除去追求真實按鍵手感的場景外,虛擬按鍵可以省卻實體按鍵的挖孔和占據的空間,同時擁有防水、防油、防污的特性。

能夠實現如此良好的人機交互體驗要歸功于背后的傳感器技術,隨著行業的發展,也為傳感器提出了新的要求,UltraSense便向21ic中國電子網記者闡釋了行業的趨勢及其超聲傳感器解決方案。

超聲傳感器具有替代機械按鍵的特性

“UltraSense是一家將現有超聲技術結合到觸摸式人機交互界面的公司,憑借技術已形成全球首款智能型超聲傳感器,產品僅有2．6mm x 1．6 mm的面積和低于1mm的厚度,達到了芯片級別” ,UltraSense Systems 公司聯合創始人兼首席業務官Daniel Goehl如是說。

記者查閱了UltraSense的官網得知,對應超聲技術的傳感器產品便是TouchPoint系列,擁有TouchPoint、TouchPoint Z、TouchPoint P三種解決方案,分別針對不同應用進行選擇。

通過Daniel Goehl的介紹,依托3D超聲波的TouchPoint系列產品,擁有幾個特性:

其一是無機械按鍵、無物理開孔、貼合簡單,依托如此特性使得產品設計過程中易于放置和連接,同時這種設計還能帶來防水、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、皮革在內的任何介質,整體穿透厚度可達5mm左右,同時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的定位區域,使得觸摸更加精準。

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備中;<20uA/sensor的長期運行電流,適用于任何安裝電池的移動設備上。

其四是可靠性高,產品不受污染物、聲學干擾和電磁場影響,傳感器間無串擾。另外,傳統使用的電阻型傳感器對溫度非常敏感,TouchPoint內部則為硅裸片,硅材料對穩定敏感性好,可在任何工況下穩定工作,不懼高溫和低溫,甚至在烤箱內都可正常使用。

其五是換能器和ASIC電路一體化設計,內置MCU和TouchPoint算法,一個傳感器就相當于一個按鈕,可對上層材料分析,動態調整環境參數,得益于此開發者可減少開發調整,獲得上市時間加速。另外,通過Z壓力算法實現無誤觸。

據Daniel Goehl介紹,這家公司成立于2018年4月,專注于超聲波傳感領域,目前已成功獲得超10個超聲感知技術專利,客戶包括博世、Asahi Kasei、索尼等。根據Daniel Goehl的介紹,雖然從成立時間來看公司較為年輕,但實際上團隊源于原InvenSense公司,深耕超聲領域15年,團隊也曾創過數個業界第一。

小身材潛藏多項技術壁壘

從原理上來看,Daniel Goehl為記者介紹表示,TouchPoint一般是集成在現有標準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被識別,相當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基材層與超聲傳感器面層粘合都可觸發超聲波束,超聲波束根據不同材料形成不同的聲阻,在人對表層材料接觸和按壓時,垂直的超聲波束能夠精準識別操作類型。

從結構上來看,TouchPoint本質上是一片SoC,片上包括嵌入式微控制器、內存、模擬前端和單硅片的超聲波傳感器 ASIC 組成。Daniel Goehl強調,集成所有模塊的單傳感器是替代機械按鈕的最佳之選,使用多個這種傳感器也可實現表面手勢操作。

事實上,TouchPoint的最關鍵點正是其內部的高度集成,傳統傳感器方案多芯片會增加方案的復雜程度,占用更多的面積,而TouchPoint則已經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,手指在按壓過程中會產生應力使材料形變,在此過程中加入Z壓力檢測能夠更好感知材料表面的變化,判斷觸發是否是誤觸。Daniel Goehl為記者舉例表示,假若剛好有一滴水作用在傳感器,一般情況會被誤認為是人手接觸,因為人手組成大部分也是水,而經過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?自我調節、輸入檢測分類器算法,這就是上文提到傳感器識別基層材料的算法,通過自我調節機制傳感器將動態調整各項參數,達到最佳工作狀態。

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壁壘,“實際上從技術復雜性來講,研發過程遠遠沒有業界部分人想象的那么簡單”,Daniel Goehl強調,TouchPoint并不僅僅是單純信號傳導和接受的過程,產品既實現了系統級集成,也囊括了復雜的材質和厚度識別算法,實現過程中存在也擁有很多難點。

極具廣闊的應用趨勢

根據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,并將會交付給下游客戶,包括手機制造商及消費電子產商。Daniel Goehl預測,大約今年3-4月份就將會有搭載該解決方案的產品在市場浮現。

雖然UltraSense在技術底蘊上超過十余年,不過公司畢竟還是新興公司,很多人并不熟悉,特別是國內市場。Daniel Goehl強調,UltraSense對中國市場非常熟悉,目前正在和中國市場一些智能手機廠商進行合作,大家將在2021年底或2022年初看到新產品問世。除了手機廠商外,中國細分市場包括消費電子、家電、汽車市場都在接洽之中。

受到國內廠商的簇擁和青睞這要得益于產品本身廣闊的應用空間,在UltraSense與手機行業廠商接洽中得知,很多客戶希望能將手勢操作放置在機身背后,使得用戶能夠非常輕松自拍或控制手機。

除此之外,大部分主流手機廠商也正在尋求使用超聲傳感器的方式取代現有的電源鍵、音量鍵、AI鍵,還可以再手機上增設超聲傳感的游戲鍵、功能鍵,模擬手柄操作。“5G手機內部非常緊湊,利用超聲傳感器代替開孔設計的機械按鍵,既能幫助手機節省空間,也能使手機全身IP防護等級更好”,Daniel Goehl如是說。

“實際上,我們團隊在InvenSense時便有大量的手機行業工作經驗,當時我們也向行業交付了超過10億只以上的運動傳感器,所以我們非常清楚地了解到手機行業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電子產品的機械按鍵都可用此方案代替,包括TWS無線耳機、智能手表、筆記本電腦、VR眼睛、電動牙刷、4K電視等一切能夠想到的設備。

通過多個超聲傳感器的協作,用戶可以獲得非常精準的多種人機交互方式,正因小巧且經濟實惠,所以這款產品“沒有做不到只有想不到”。

而自身非常出色的穩定性,也適用于工作環境較為惡劣的車載環境,利用這種方案未來汽車駕駛的手感將會更加出色,內飾設計也會更強。

反觀整個行業,很多場景下使用的傳感器仍然還是傳統的解決方案,這種方案的小巧簡便、精準識別、節省空間、無孔設計,相信能為未來新產品帶來新動能。