“3D超聲波傳感技術(shù)可以作用在任何介質(zhì)、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(shì)識(shí)別。”

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

能夠?qū)崿F(xiàn)如此良好的人機(jī)交互體驗(yàn)要?dú)w功于背后的傳感器技術(shù)，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(guó)電子網(wǎng)記者闡釋了行業(yè)的趨勢(shì)及其超聲傳感器解決方案。

超聲傳感器具有替代機(jī)械按鍵的特性

“UltraSense是一家將現(xiàn)有超聲技術(shù)結(jié)合到觸摸式人機(jī)交互界面的公司，憑借技術(shù)已形成全球首款智能型超聲傳感器，產(chǎn)品僅有2．6mm x 1．6 mm的面積和低于1mm的厚度，達(dá)到了芯片級(jí)別” ，UltraSense Systems 公司聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席業(yè)務(wù)官Daniel Goehl如是說(shuō)。

記者查閱了UltraSense的官網(wǎng)得知，對(duì)應(yīng)超聲技術(shù)的傳感器產(chǎn)品便是TouchPoint系列，擁有TouchPoint、TouchPoint Z、TouchPoint P三種解決方案，分別針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行選擇。

通過(guò)Daniel Goehl的介紹，依托3D超聲波的TouchPoint系列產(chǎn)品，擁有幾個(gè)特性：

其一是無(wú)機(jī)械按鍵、無(wú)物理開(kāi)孔、貼合簡(jiǎn)單，依托如此特性使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中易于放置和連接，同時(shí)這種設(shè)計(jì)還能帶來(lái)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(nèi)的任何介質(zhì)，整體穿透厚度可達(dá)5mm左右，同時(shí)無(wú)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(zhǔn)。

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(shè)備中;《20uA/sensor的長(zhǎng)期運(yùn)行電流，適用于任何安裝電池的移動(dòng)設(shè)備上。

其四是可靠性高，產(chǎn)品不受污染物、聲學(xué)干擾和電磁場(chǎng)影響，傳感器間無(wú)串?dāng)_。另外，傳統(tǒng)使用的電阻型傳感器對(duì)溫度非常敏感，TouchPoint內(nèi)部則為硅裸片，硅材料對(duì)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(nèi)都可正常使用。

其五是換能器和ASIC電路一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)置MCU和TouchPoint算法，一個(gè)傳感器就相當(dāng)于一個(gè)按鈕，可對(duì)上層材料分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，得益于此開(kāi)發(fā)者可減少開(kāi)發(fā)調(diào)整，獲得上市時(shí)間加速。另外，通過(guò)Z壓力算法實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lǐng)域，目前已成功獲得超10個(gè)超聲感知技術(shù)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(shí)間來(lái)看公司較為年輕，但實(shí)際上團(tuán)隊(duì)源于原InvenSense公司，深耕超聲領(lǐng)域15年，團(tuán)隊(duì)也曾創(chuàng)過(guò)數(shù)個(gè)業(yè)界第一。

小身材潛藏多項(xiàng)技術(shù)壁壘

從原理上來(lái)看，Daniel Goehl為記者介紹表示，TouchPoint一般是集成在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)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(huì)被識(shí)別，相當(dāng)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(biāo)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(duì)表層材料接觸和按壓時(shí)，垂直的超聲波束能夠精準(zhǔn)識(shí)別操作類型。

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，TouchPoint本質(zhì)上是一片SoC，片上包括嵌入式微控制器、內(nèi)存、模擬前端和單硅片的超聲波傳感器 ASIC 組成。Daniel Goehl強(qiáng)調(diào)，集成所有模塊的單傳感器是替代機(jī)械按鈕的最佳之選，使用多個(gè)這種傳感器也可實(shí)現(xiàn)表面手勢(shì)操作。

事實(shí)上，TouchPoint的最關(guān)鍵點(diǎn)正是其內(nèi)部的高度集成，傳統(tǒng)傳感器方案多芯片會(huì)增加方案的復(fù)雜程度，占用更多的面積，而TouchPoint則已經(jīng)完成了自我的全封閉操作。

從算法上來(lái)看，TouchPoint加入了Z壓力（Z-Force）檢測(cè)，手指在按壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力使材料形變，在此過(guò)程中加入Z壓力檢測(cè)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(huì)被誤認(rèn)為是人手接觸，因?yàn)槿耸纸M成大部分也是水，而經(jīng)過(guò)Z壓力反饋TouchPoint可以避開(kāi)這種誤觸情況。

除此之外，TouchPoint還包括U-Sense？自我調(diào)節(jié)、輸入檢測(cè)分類器算法，這就是上文提到傳感器識(shí)別基層材料的算法，通過(guò)自我調(diào)節(jié)機(jī)制傳感器將動(dòng)態(tài)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

雖然在通俗解釋后，超聲傳感器似乎沒(méi)有想象中擁有很高的技術(shù)壁壘，“實(shí)際上從技術(shù)復(fù)雜性來(lái)講，研發(fā)過(guò)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有業(yè)界部分人想象的那么簡(jiǎn)單”，Daniel Goehl強(qiáng)調(diào)，TouchPoint并不僅僅是單純信號(hào)傳導(dǎo)和接受的過(guò)程，產(chǎn)品既實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)集成，也囊括了復(fù)雜的材質(zhì)和厚度識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在也擁有很多難點(diǎn)。

極具廣闊的應(yīng)用趨勢(shì)

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(chǎn)，并將會(huì)交付給下游客戶，包括手機(jī)制造商及消費(fèi)電子產(chǎn)商。Daniel Goehl預(yù)測(cè)，大約今年3-4月份就將會(huì)有搭載該解決方案的產(chǎn)品在市場(chǎng)浮現(xiàn)。

雖然UltraSense在技術(shù)底蘊(yùn)上超過(guò)十余年，不過(guò)公司畢竟還是新興公司，很多人并不熟悉，特別是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。Daniel Goehl強(qiáng)調(diào)，UltraSense對(duì)中國(guó)市場(chǎng)非常熟悉，目前正在和中國(guó)市場(chǎng)一些智能手機(jī)廠商進(jìn)行合作，大家將在2021年底或2022年初看到新產(chǎn)品問(wèn)世。除了手機(jī)廠商外，中國(guó)細(xì)分市場(chǎng)包括消費(fèi)電子、家電、汽車(chē)市場(chǎng)都在接洽之中。

受到國(guó)內(nèi)廠商的簇?fù)砗颓嗖A這要得益于產(chǎn)品本身廣闊的應(yīng)用空間，在UltraSense與手機(jī)行業(yè)廠商接洽中得知，很多客戶希望能將手勢(shì)操作放置在機(jī)身背后，使得用戶能夠非常輕松自拍或控制手機(jī)。

除此之外，大部分主流手機(jī)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(jī)上增設(shè)超聲傳感的游戲鍵、功能鍵，模擬手柄操作。“5G手機(jī)內(nèi)部非常緊湊，利用超聲傳感器代替開(kāi)孔設(shè)計(jì)的機(jī)械按鍵，既能幫助手機(jī)節(jié)省空間，也能使手機(jī)全身IP防護(hù)等級(jí)更好”，Daniel Goehl如是說(shuō)。

“實(shí)際上，我們團(tuán)隊(duì)在InvenSense時(shí)便有大量的手機(jī)行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)我們也向行業(yè)交付了超過(guò)10億只以上的運(yùn)動(dòng)傳感器，所以我們非常清楚地了解到手機(jī)行業(yè)客戶的需求是非常高的。”

值得一提的是，生活中隨處可見(jiàn)的消費(fèi)電子產(chǎn)品的機(jī)械按鍵都可用此方案代替，包括TWS無(wú)線耳機(jī)、智能手表、筆記本電腦、VR眼睛、電動(dòng)牙刷、4K電視等一切能夠想到的設(shè)備。

通過(guò)多個(gè)超聲傳感器的協(xié)作，用戶可以獲得非常精準(zhǔn)的多種人機(jī)交互方式，正因小巧且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，所以這款產(chǎn)品“沒(méi)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(chē)載環(huán)境，利用這種方案未來(lái)汽車(chē)駕駛的手感將會(huì)更加出色，內(nèi)飾設(shè)計(jì)也會(huì)更強(qiáng)。

反觀整個(gè)行業(yè)，很多場(chǎng)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(jiǎn)便、精準(zhǔn)識(shí)別、節(jié)省空間、無(wú)孔設(shè)計(jì)，相信能為未來(lái)新產(chǎn)品帶來(lái)新動(dòng)能。

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