“3D超聲波傳感技術可以作用在任何介質,、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識別,?！?/p>

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(jù)的空間,同時擁有防水、防油,、防污的特性,。

能夠實現(xiàn)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(yè)的發(fā)展,也為傳感器提出了新的要求,UltraSense便向21ic中國電子網(wǎng)記者闡釋了行業(yè)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(xiàn)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(lián)合創(chuàng)始人兼首席業(yè)務官Daniel Goehl如是說,。

記者查閱了UltraSense的官網(wǎng)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(qū)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(tǒng)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(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(tài)調整環(huán)境參數(shù),得益于此開發(fā)者可減少開發(fā)調整,獲得上市時間加速,。另外,通過Z壓力算法實現(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(jù)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(chuàng)過數(shù)個業(yè)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(xiàn)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(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(xiàn)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(tǒng)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(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(jié),、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(jié)機制傳感器將動態(tài)調整各項參數(shù),達到最佳工作狀態(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壁壘,“實際上從技術復雜性來講,研發(fā)過程遠遠沒有業(yè)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(xiàn)了系統(tǒng)級集成,也囊括了復雜的材質和厚度識別算法,實現(xiàn)過程中存在也擁有很多難點,。

極具廣闊的應用趨勢

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,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(xiàn)。

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(yè)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(xiàn)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,?！?G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(jié)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(yè)工作經驗,當時我們也向行業(yè)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(yè)客戶的需求是非常高的,?！?/p>

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(xié)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(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更加出色,內飾設計也會更強。

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