“3D超声波传感技术可以作用在任何介质、任何厚度上,现今大多客户追求的是虚拟按键或数字化按键,但今后行业追求更多的将是手势识别。”

从九宫格按键到触摸屏手机,从home键到全面屏,人机交互的趋势一直是在想办法取消机械按键。除去追求真实按键手感的场景外,虚拟按键可以省却实体按键的挖孔和占据的空间,同时拥有防水、防油、防污的特性。

能够实现如此良好的人机交互体验要归功于背后的传感器技术,随着行业的发展,也为传感器提出了新的要求,UltraSense便向21ic中国电子网记者阐释了行业的趋势及其超声传感器解决方案。

超声传感器具有替代机械按键的特性

“UltraSense是一家将现有超声技术结合到触摸式人机交互界面的公司,凭借技术已形成全球首款智能型超声传感器,产品仅有2．6mm x 1．6 mm的面积和低于1mm的厚度,达到了芯片级别” ,UltraSense Systems 公司联合创始人兼首席业务官Daniel Goehl如是说。

记者查阅了UltraSense的官网得知,对应超声技术的传感器产品便是TouchPoint系列,拥有TouchPoint、TouchPoint Z、TouchPoint P三种解决方案,分别针对不同应用进行选择。

通过Daniel Goehl的介绍,依托3D超声波的TouchPoint系列产品,拥有几个特性:

其一是无机械按键、无物理开孔、贴合简单,依托如此特性使得产品设计过程中易于放置和连接,同时这种设计还能带来防水、防油、防污的特性。

其二是穿透性好,超声波能够穿透铝、不锈钢、玻璃、皮毛、皮革在内的任何介质,整体穿透厚度可达5mm左右,同时无论任何功率情况下都可获得完美的穿透效果。值得一提的是,1．2mm x1．2mm的定位区域,使得触摸更加精准。

其三是小体积低功耗,整体面积不到一枚硬币的五分之一,是世界上最小的超声波传感器,适用于任何紧凑型设备中;<20uA/sensor的长期运行电流,适用于任何安装电池的移动设备上。

其四是可靠性高,产品不受污染物、声学干扰和电磁场影响,传感器间无串扰。另外,传统使用的电阻型传感器对温度非常敏感,TouchPoint内部则为硅裸片,硅材料对稳定敏感性好,可在任何工况下稳定工作,不惧高温和低温,甚至在烤箱内都可正常使用。

其五是换能器和ASIC电路一体化设计,内置MCU和TouchPoint算法,一个传感器就相当于一个按钮,可对上层材料分析,动态调整环境参数,得益于此开发者可减少开发调整,获得上市时间加速。另外,通过Z压力算法实现无误触。

据Daniel Goehl介绍,这家公司成立于2018年4月,专注于超声波传感领域,目前已成功获得超10个超声感知技术专利,客户包括博世、Asahi Kasei、索尼等。根据Daniel Goehl的介绍,虽然从成立时间来看公司较为年轻,但实际上团队源于原InvenSense公司,深耕超声领域15年,团队也曾创过数个业界第一。

小身材潜藏多项技术壁垒

从原理上来看,Daniel Goehl为记者介绍表示,TouchPoint一般是集成在现有标准的集成电路板或任何柔性电路板上,之后传感器上端的基层材料将会被识别,相当于也集成在电路中成为表面触控材料。

因此,使用任何粘贴方式将目标基材层与超声传感器面层粘合都可触发超声波束,超声波束根据不同材料形成不同的声阻,在人对表层材料接触和按压时,垂直的超声波束能够精准识别操作类型。

从结构上来看,TouchPoint本质上是一片SoC,片上包括嵌入式微控制器、内存、模拟前端和单硅片的超声波传感器 ASIC 组成。Daniel Goehl强调,集成所有模块的单传感器是替代机械按钮的最佳之选,使用多个这种传感器也可实现表面手势操作。

事实上,TouchPoint的最关键点正是其内部的高度集成,传统传感器方案多芯片会增加方案的复杂程度,占用更多的面积,而TouchPoint则已经完成了自我的全封闭操作。

从算法上来看,TouchPoint加入了Z压力(Z-Force)检测,手指在按压过程中会产生应力使材料形变,在此过程中加入Z压力检测能够更好感知材料表面的变化,判断触发是否是误触。Daniel Goehl为记者举例表示,假若刚好有一滴水作用在传感器,一般情况会被误认为是人手接触,因为人手组成大部分也是水,而经过Z压力反馈TouchPoint可以避开这种误触情况。

除此之外,TouchPoint还包括U-Sense?自我调节、输入检测分类器算法,这就是上文提到传感器识别基层材料的算法,通过自我调节机制传感器将动态调整各项参数,达到最佳工作状态。

虽然在通俗解释后,超声传感器似乎没有想象中拥有很高的技术壁垒,“实际上从技术复杂性来讲,研发过程远远没有业界部分人想象的那么简单”,Daniel Goehl强调,TouchPoint并不仅仅是单纯信号传导和接受的过程,产品既实现了系统级集成,也囊括了复杂的材质和厚度识别算法,实现过程中存在也拥有很多难点。

极具广阔的应用趋势

根据Daniel Goehl的介绍,今年CES2021期间,已向媒体宣布将在本月完成超声传感器的量产,并将会交付给下游客户,包括手机制造商及消费电子产商。Daniel Goehl预测,大约今年3-4月份就将会有搭载该解决方案的产品在市场浮现。

虽然UltraSense在技术底蕴上超过十余年,不过公司毕竟还是新兴公司,很多人并不熟悉,特别是国内市场。Daniel Goehl强调,UltraSense对中国市场非常熟悉,目前正在和中国市场一些智能手机厂商进行合作,大家将在2021年底或2022年初看到新产品问世。除了手机厂商外,中国细分市场包括消费电子、家电、汽车市场都在接洽之中。

受到国内厂商的簇拥和青睐这要得益于产品本身广阔的应用空间,在UltraSense与手机行业厂商接洽中得知,很多客户希望能将手势操作放置在机身背后,使得用户能够非常轻松自拍或控制手机。

除此之外,大部分主流手机厂商也正在寻求使用超声传感器的方式取代现有的电源键、音量键、AI键,还可以再手机上增设超声传感的游戏键、功能键,模拟手柄操作。“5G手机内部非常紧凑,利用超声传感器代替开孔设计的机械按键,既能帮助手机节省空间,也能使手机全身IP防护等级更好”,Daniel Goehl如是说。

“实际上,我们团队在InvenSense时便有大量的手机行业工作经验,当时我们也向行业交付了超过10亿只以上的运动传感器,所以我们非常清楚地了解到手机行业客户的需求是非常高的。”

值得一提的是,生活中随处可见的消费电子产品的机械按键都可用此方案代替,包括TWS无线耳机、智能手表、笔记本电脑、VR眼睛、电动牙刷、4K电视等一切能够想到的设备。

通过多个超声传感器的协作,用户可以获得非常精准的多种人机交互方式,正因小巧且经济实惠,所以这款产品“没有做不到只有想不到”。

而自身非常出色的稳定性,也适用于工作环境较为恶劣的车载环境,利用这种方案未来汽车驾驶的手感将会更加出色,内饰设计也会更强。

反观整个行业,很多场景下使用的传感器仍然还是传统的解决方案,这种方案的小巧简便、精准识别、节省空间、无孔设计,相信能为未来新产品带来新动能。