從笨重的大哥大到現(xiàn)在的智能屏手機(jī)，手機(jī)的外觀發(fā)生了翻天覆地的變化，機(jī)械按鍵越來越少，工藝設(shè)計也越來越極致……外觀設(shè)計成為未來手機(jī)之間相互競爭的焦點。在時尚簡約的外觀設(shè)計追求下，如今各手機(jī)廠家在其旗艦機(jī)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(jī)外觀的自由發(fā)展。
“通過3D超聲波的傳感器，可以取代傳統(tǒng)設(shè)備上的機(jī)械按鈕，無需進(jìn)行任何物理開口，更能夠?qū)崿F(xiàn)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(lián)合創(chuàng)始人兼首席業(yè)務(wù)官Daniel Goehl表示，“現(xiàn)在大部分客戶所追求的是虛擬按鍵或者數(shù)字化鍵，今后追求的更多是可以作用在任何的材質(zhì)表面的手勢識別。”
超聲傳感器可以取代傳統(tǒng)機(jī)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(shù)專利。據(jù)Daniel Goehl介紹，盡管公司只有三年的發(fā)展歷史，但是公司的高管大部分都有長期的行業(yè)發(fā)展經(jīng)驗和業(yè)務(wù)經(jīng)驗。整個團(tuán)隊在傳感器方面已經(jīng)深耕了15年以上，團(tuán)隊原叫InvenSense，也創(chuàng)下過很多業(yè)績第一的成績，向行業(yè)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(yè)界領(lǐng)先的公司。
UltraSense將現(xiàn)有的超聲技術(shù)結(jié)合到觸摸式人機(jī)交互界面中，形成了全球首款智能型超聲傳感器，產(chǎn)品僅有2.6mm x 1.6 mm的面積和不到1mm的厚度，達(dá)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(zhì)，通過超聲，可以作用于任何的材質(zhì)、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(dá)到完美的穿透。”
針對依托3D超聲波技術(shù)的TouchPoint解決方案的優(yōu)勢，Daniel Goehl總結(jié)了四點：
第一、 不限材質(zhì)。對于一些傳統(tǒng)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(zhì)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(yīng)用。
第二、 取代機(jī)械按鈕。通過超聲波傳感器，可以取代傳統(tǒng)設(shè)備上的機(jī)械按鈕，無需進(jìn)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(tǒng)上，達(dá)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(shù)，不管是MEMS還是應(yīng)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(tǒng)的機(jī)械按鈕的開機(jī)關(guān)機(jī)等傳統(tǒng)功能，更能夠?qū)崿F(xiàn)方便的多功能的按鍵。通過其超聲波的傳感器，可以實現(xiàn)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(nèi)存，實現(xiàn)了高度的集成；內(nèi)部還有算法能夠更好地實現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用場景的需求；其產(chǎn)品也達(dá)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(jù)Daniel Goehl的介紹，TouchPoint一般是被集成在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)的基材層的表面之后，就可以觸發(fā)超聲波束，波束就會在材料表面形成不同的聲阻。區(qū)別于傳統(tǒng)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(zhǔn)地作用于材料的表層。因此可以有效地防止誤觸。
一旦發(fā)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(chǎn)生，所發(fā)出超聲的信號就直接移散在空氣中。
TouchPoint的關(guān)鍵之處是超聲傳感器已經(jīng)完成了自我的全封閉的操作，內(nèi)部已經(jīng)實現(xiàn)了全集成。與傳統(tǒng)傳感器多芯片的加載的做法不同，TouchPoint傳感器中已經(jīng)實現(xiàn)了非常完整的整體解決方案，包括內(nèi)部的算法。
此外，傳感器內(nèi)部還加入了Z壓力（Z-Force）檢測。在手指按壓的過程中會產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)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(rèn)為是手指接觸，避免誤觸。
應(yīng)變計vs TouchPoint
在應(yīng)變計以及TouchPoint兩個解決技術(shù)上，UltraSense都與傳統(tǒng)的業(yè)界的解決方案有很大的不同，可以達(dá)到更好的防誤觸效果。
對于應(yīng)變計方式，如果將兩個非常明顯的應(yīng)變計結(jié)合在一起，中間的間隙會非常小。傳統(tǒng)的傳感器很難清楚地識別出力是來自于哪一個界面、應(yīng)力的大小是多少。同時，傳統(tǒng)應(yīng)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(bǔ)償高溫下可能造成的誤算，從而造成誤觸的產(chǎn)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(xiàn)非常準(zhǔn)確的觸碰區(qū)域的控制。而且可以有效地實現(xiàn)兩個傳感器之間的共同作用，而不會出現(xiàn)傳感器之間的信號串?dāng)_。
應(yīng)用場景：手機(jī)、消費電子、汽車
經(jīng)過多方面調(diào)研，很多客戶希望能夠在手機(jī)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(jī)廠商都希望能夠通過超聲傳感器方式，取代傳統(tǒng)的音量調(diào)節(jié)鍵以及電源鍵。由于現(xiàn)在手機(jī)使用的都是毫米波技術(shù)，在5G技術(shù)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(shù)就可以在機(jī)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(jī)方面，一些消費級電子產(chǎn)品，如運動穿戴式手表、耳機(jī)、筆記本電腦、VR眼鏡、電動牙刷上等用到機(jī)械按鍵的應(yīng)用，都可以采用TouchPoint解決方案進(jìn)行替換。
對于智能化家居或智能化設(shè)備，不僅可以非常方便地實現(xiàn)金屬等材質(zhì)的穿透，還可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的觸壓式交互。
隨著汽車行業(yè)，尤其是車的內(nèi)飾方面，從傳統(tǒng)的臃腫式設(shè)計進(jìn)入到了極簡式的設(shè)計階段，汽車內(nèi)部機(jī)械式按鈕正逐步消失。中控屏現(xiàn)在還會有一些簡單的機(jī)械按鈕，既能取代傳統(tǒng)機(jī)械按鈕實現(xiàn)機(jī)械控制，并且可以達(dá)到發(fā)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(yè)的客戶正在進(jìn)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(chǎn)的車型上看到UltraSense的解決方案了。
據(jù)Daniel Goehl介紹，在CES2021期間，UltraSense已經(jīng)向媒體宣布將會在本月完成超聲感傳感器產(chǎn)品的量產(chǎn)，并且將會交付給下游客戶，包括手機(jī)的制造商以及消費級電子產(chǎn)品的產(chǎn)商。預(yù)測大概3-4個月之后搭載TouchPoint解決方案的產(chǎn)品就會面世。對于中國市場，Daniel Goehl表示，UltraSense正與國內(nèi)的一些智能手機(jī)廠商進(jìn)行合作，搭載TouchPoint解決方案的智能手機(jī)產(chǎn)品將會在2021年年底或者2022年年初問世；除了智能手機(jī)以外，中國還提供了很多其他細(xì)分市場的機(jī)會，如消費級電子產(chǎn)品、家電或汽車市場，目前UltraSense也與這些行業(yè)市場的一些客戶在接洽中。
問及相比電容傳感設(shè)備，超聲波傳感是在適用材質(zhì)上面是有著得天獨厚的優(yōu)勢，那么在功耗和響應(yīng)速度方面表現(xiàn)如何呢？Daniel Goehl表示，在電容器傳感設(shè)備上，有兩種技術(shù)路徑，一種是PSO應(yīng)變計，另一種是MEMS。與傳統(tǒng)的應(yīng)變計相比，TouchPoint產(chǎn)品無論是在功耗還是在響應(yīng)速度上都更有優(yōu)勢，特別是響應(yīng)速度上。在響應(yīng)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(zhì)發(fā)生應(yīng)變之后再去感知，因此響應(yīng)速度比傳統(tǒng)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(bǔ)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(shù)，如表層聲學(xué)波技術(shù)，但其生產(chǎn)、校準(zhǔn)非常復(fù)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(yīng)速度、功耗的角度來看，相比電容傳感器以及表層聲學(xué)波的技術(shù)， UltraSense的超聲波解決方案都更有優(yōu)勢。