從笨重的大哥大到現在的智能屏手機，手機的外觀發生了翻天覆地的變化，機械按鍵越來越少，工藝設計也越來越極致……外觀設計成為未來手機之間相互競爭的焦點。在時尚簡約的外觀設計追求下，如今各手機廠家在其旗艦機型上開始主打無開孔、手勢識別概念，然而識別精度、誤觸等門檻卻限制了手機外觀的自由發展。
“通過3D超聲波的傳感器，可以取代傳統設備上的機械按鈕，無需進行任何物理開口，更能夠實現多功能的按鍵的方便使用。”在近期UltraSense Systems舉辦的線上媒體會上，UltraSense Systems 公司聯合創始人兼首席業務官Daniel Goehl表示，“現在大部分客戶所追求的是虛擬按鍵或者數字化鍵，今后追求的更多是可以作用在任何的材質表面的手勢識別。”
超聲傳感器可以取代傳統機械按鈕，不僅如此……
UltraSense公司于2018年4月成立，總部位于美國加州的圣何塞，在過去的兩年之間獲得了超10個超聲感知的技術專利。據Daniel Goehl介紹，盡管公司只有三年的發展歷史，但是公司的高管大部分都有長期的行業發展經驗和業務經驗。整個團隊在傳感器方面已經深耕了15年以上，團隊原叫InvenSense，也創下過很多業績第一的成績，向行業交付了超過10億只的運動傳感器。UltraSense在2020年2月成功完成了融資，主要投資方來自包括博世、 Asahi Kasei、索尼等業界領先的公司。
UltraSense將現有的超聲技術結合到觸摸式人機交互界面中，形成了全球首款智能型超聲傳感器，產品僅有2.6mm x 1.6 mm的面積和不到1mm的厚度，達到了芯片級別。
為什么選擇超聲？Daniel Goehl給出解釋：“因為超聲是一種非常好的介質，通過超聲，可以作用于任何的材質、穿透任何的厚度，并且不管你所需要的是什么樣的功率，它都可以達到完美的穿透。”
針對依托3D超聲波技術的TouchPoint解決方案的優勢，Daniel Goehl總結了四點：
第一、 不限材質。對于一些傳統的觸摸式傳感器，如電容式傳感器，需要作用在非常薄的玻璃或者塑料的表面。超聲波的傳感器可以作用在任何材質上，包括鋁、不銹鋼、玻璃、皮毛、皮革等生活中常見的各種各樣的材料。這個特點使得超聲波傳感器特別適合未來的手勢識別應用。
第二、 取代機械按鈕。通過超聲波傳感器，可以取代傳統設備上的機械按鈕，無需進行任何物理開口，并且可以非常方便簡單的貼合到任何系統上，達到防水、防油和防污的效果。
第三、 無誤觸。市場上的一些無誤觸的技術，不管是MEMS還是應變計，它們都作用于某種固定的工況，有一定的溫度或者是其他條件的限制。超聲波傳感器可以帶來非常方便的無誤觸的解決方案，并且不受任何場景的限制。
第四、 多功能按鍵。TouchPoint解決方案不僅能取代傳統的機械按鈕的開機關機等傳統功能，更能夠實現方便的多功能的按鍵。通過其超聲波的傳感器，可以實現單擊、雙擊、長按、多擊、滑動以及包括觸控的整體控制，多功能合一。
此外，TouchPoint是目前世界上最小的超聲波傳感器，同時集成了上端的傳感LDO、模擬信號的前端、微控器以及內存，實現了高度的集成；內部還有算法能夠更好地實現產品應用場景的需求；其產品也達到了非常低的功耗，在任何情況下都低于20uA；還支持I2C 或 SPI 任何一種交互形式。
基本原理
根據Daniel Goehl的介紹，TouchPoint一般是被集成在現有標準的集成電路板，或任何的柔性電路板上，之后，傳感器的面層會被直接集成進入到基層材料，也就是任何表面觸控材料的表層。
將超聲傳感器粘貼在目標的基材層的表面之后，就可以觸發超聲波束，波束就會在材料表面形成不同的聲阻。區別于傳統的聲波的作用表層非常廣泛的情況，TouchPoint具有垂直的超聲波束，能非常精準地作用于材料的表層。因此可以有效地防止誤觸。
一旦發生接觸，超聲波就會傳感到指端的表面，指端表面返回的信號就會被傳感器接收到，之后，通過不同傳感對比度就可以分析這個接觸是輕輕地劃過還是重力接觸。如果表面沒有接觸的情況產生，所發出超聲的信號就直接移散在空氣中。
TouchPoint的關鍵之處是超聲傳感器已經完成了自我的全封閉的操作，內部已經實現了全集成。與傳統傳感器多芯片的加載的做法不同，TouchPoint傳感器中已經實現了非常完整的整體解決方案，包括內部的算法。
此外，傳感器內部還加入了Z壓力（Z-Force）檢測。在手指按壓的過程中會產生應力，進而引起材料的形變，加入Z-Force之后，可以更好地控制誤觸，并且能夠更好地感知傳感器上方材料的表面。Daniel Goehl舉例，如果有一滴水作用在材料表面，加入Z-Force之后，通過反射的方式能夠識別出面層的材料，從而排除誤將水滴認為是手指接觸，避免誤觸。
應變計vs TouchPoint
在應變計以及TouchPoint兩個解決技術上，UltraSense都與傳統的業界的解決方案有很大的不同，可以達到更好的防誤觸效果。
對于應變計方式，如果將兩個非常明顯的應變計結合在一起，中間的間隙會非常小。傳統的傳感器很難清楚地識別出力是來自于哪一個界面、應力的大小是多少。同時，傳統應變計下的傳感器對于溫度的敏感性非常高，一般情況下在50度左右，即使使用了算法也沒有辦法補償高溫下可能造成的誤算，從而造成誤觸的產生。
UltraSense的TouchPoint解決方案由于使用的是垂直的超聲波束，可以作用于任何的材料表面，實現非常準確的觸碰區域的控制。而且可以有效地實現兩個傳感器之間的共同作用，而不會出現傳感器之間的信號串擾。
應用場景：手機、消費電子、汽車
經過多方面調研，很多客戶希望能夠在手機的背部增加一個按鈕，幫助使用者完成非常輕松的自拍。
此外，目前大部分主流的手機廠商都希望能夠通過超聲傳感器方式，取代傳統的音量調節鍵以及電源鍵。由于現在手機使用的都是毫米波技術，在5G技術流行之后，5G的天線不可以在覆蓋在任何的金屬蓋板之后，甚至手部遮擋都有可能會影響到信號的傳輸。使用TouchPoint技術就可以在機身上部分25%的地方，只需很小的體積，就可以成功地將5G毫米波的天線納入，并且人們在日常使用時也不會因為手的遮擋而影響到信號的接收。
除了手機方面，一些消費級電子產品，如運動穿戴式手表、耳機、筆記本電腦、VR眼鏡、電動牙刷上等用到機械按鍵的應用，都可以采用TouchPoint解決方案進行替換。
對于智能化家居或智能化設備，不僅可以非常方便地實現金屬等材質的穿透，還可以實現整個系統的觸壓式交互。
隨著汽車行業，尤其是車的內飾方面，從傳統的臃腫式設計進入到了極簡式的設計階段，汽車內部機械式按鈕正逐步消失。中控屏現在還會有一些簡單的機械按鈕，既能取代傳統機械按鈕實現機械控制，并且可以達到發光的新的解決方案將會受到青睞。Daniel Goehl透露，UltraSense與大量來自于汽車行業的客戶正在進行接洽。
對于汽車外飾，目前主流的汽車的車門面板下的按鍵所傳使用的都是電容器的方式，它的作用點就在汽車門的手把附近。采用UltraSense的解決方案，按鈕可以位于汽車中部，甚至可以通過非常簡單的超聲傳感的方式，輕松開啟汽車的兩門，包括后蓋。Daniel Goehl透露，明年就可以在量產的車型上看到UltraSense的解決方案了。
據Daniel Goehl介紹，在CES2021期間，UltraSense已經向媒體宣布將會在本月完成超聲感傳感器產品的量產，并且將會交付給下游客戶，包括手機的制造商以及消費級電子產品的產商。預測大概3-4個月之后搭載TouchPoint解決方案的產品就會面世。對于中國市場，Daniel Goehl表示，UltraSense正與國內的一些智能手機廠商進行合作，搭載TouchPoint解決方案的智能手機產品將會在2021年年底或者2022年年初問世；除了智能手機以外，中國還提供了很多其他細分市場的機會，如消費級電子產品、家電或汽車市場，目前UltraSense也與這些行業市場的一些客戶在接洽中。
問及相比電容傳感設備，超聲波傳感是在適用材質上面是有著得天獨厚的優勢，那么在功耗和響應速度方面表現如何呢？Daniel Goehl表示，在電容器傳感設備上，有兩種技術路徑，一種是PSO應變計，另一種是MEMS。與傳統的應變計相比，TouchPoint產品無論是在功耗還是在響應速度上都更有優勢，特別是響應速度上。在響應速度方面，UltraSense的傳感器因為超聲波是隨時開啟的，不需要等到表面材質發生應變之后再去感知，因此響應速度比傳統的電容傳感器要更快。
更重要的一點是，UltraSense的解決方案本身也提供面層的反射材料的對比度的識別，作為補充的解決方案，幫助識別面層的對比度之后，也可以幫助更好地了解超聲波在面層表面作用的一些聲阻。因此超聲波傳感器的效果要明顯的好于電容器的傳感器。
同時，市面上也有其他的超聲技術，如表層聲學波技術，但其生產、校準非常復雜，整體成本非常高，而且只能使用在超薄（約1mm）的材料上。因此，從響應速度、功耗的角度來看，相比電容傳感器以及表層聲學波的技術， UltraSense的超聲波解決方案都更有優勢。