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(lái)越少，工藝設(shè)計(jì)也越來(lái)越極致……外觀設(shè)計(jì)成為未來(lái)手機(jī)之間相互競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。在時(shí)尚簡(jiǎn)約的外觀設(shè)計(jì)追求下，如今各手機(jī)廠家在其旗艦機(jī)型上開(kāi)始主打無(wú)開(kāi)孔、手勢(shì)識(shí)別概念，然而識(shí)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(guò)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(wú)需進(jìn)行任何物理開(kāi)口，更能夠?qū)崿F(xiàn)多功能的按鍵的方便使用?！痹诮?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/UltraSense" target="_blank">UltraSense Systems舉辦的線上媒體會(huì)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(shì)識(shí)別?！?/p>

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(guó)加州的圣何塞，在過(guò)去的兩年之間獲得了超10個(gè)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(zhǎng)期的行業(yè)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)。整個(gè)團(tuán)隊(duì)在傳感器方面已經(jīng)深耕了15年以上，團(tuán)隊(duì)原叫InvenSense，也創(chuàng)下過(guò)很多業(yè)績(jī)第一的成績(jī)，向行業(yè)交付了超過(guò)10億只的運(yùn)動(dòng)傳感器。UltraSense在2020年2月成功完成了融資，主要投資方來(lái)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(jí)別。

為什么選擇超聲？Daniel Goehl給出解釋：“因?yàn)槌暿且环N非常好的介質(zhì)，通過(guò)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?！?/p>

針對(duì)依托3D超聲波技術(shù)的TouchPoint解決方案的優(yōu)勢(shì)，Daniel Goehl總結(jié)了四點(diǎn)：

第一、  不限材質(zhì)。對(duì)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(jiàn)的各種各樣的材料。這個(gè)特點(diǎn)使得超聲波傳感器特別適合未來(lái)的手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用。

第二、  取代機(jī)械按鈕。通過(guò)超聲波傳感器，可以取代傳統(tǒng)設(shè)備上的機(jī)械按鈕，無(wú)需進(jìn)行任何物理開(kāi)口，并且可以非常方便簡(jiǎn)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(wú)誤觸。市場(chǎng)上的一些無(wú)誤觸的技術(shù)，不管是MEMS還是應(yīng)變計(jì)，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(lái)非常方便的無(wú)誤觸的解決方案，并且不受任何場(chǎng)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(kāi)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(guò)其超聲波的傳感器，可以實(shí)現(xiàn)單擊、雙擊、長(zhǎng)按、多擊、滑動(dòng)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(shí)集成了上端的傳感LDO、模擬信號(hào)的前端、微控器以及內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了高度的集成；內(nèi)部還有算法能夠更好地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)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(huì)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(huì)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(huì)傳感到指端的表面，指端表面返回的信號(hào)就會(huì)被傳感器接收到，之后，通過(guò)不同傳感對(duì)比度就可以分析這個(gè)接觸是輕輕地劃過(guò)還是重力接觸。如果表面沒(méi)有接觸的情況產(chǎn)生，所發(fā)出超聲的信號(hào)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(shí)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(shí)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(cè)。在手指按壓的過(guò)程中會(huì)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(guò)反射的方式能夠識(shí)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(jì)vs TouchPoint

在應(yīng)變計(jì)以及TouchPoint兩個(gè)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(duì)于應(yīng)變計(jì)方式，如果將兩個(gè)非常明顯的應(yīng)變計(jì)結(jié)合在一起，中間的間隙會(huì)非常小。傳統(tǒng)的傳感器很難清楚地識(shí)別出力是來(lái)自于哪一個(gè)界面、應(yīng)力的大小是多少。同時(shí)，傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)下的傳感器對(duì)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(méi)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(shí)現(xiàn)非常準(zhǔn)確的觸碰區(qū)域的控制。而且可以有效地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)傳感器之間的共同作用，而不會(huì)出現(xiàn)傳感器之間的信號(hào)串?dāng)_。

應(yīng)用場(chǎng)景：手機(jī)、消費(fèi)電子、汽車

經(jīng)過(guò)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(gè)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(guò)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(huì)影響到信號(hào)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?cè)谌粘Ｊ褂脮r(shí)也不會(huì)因?yàn)槭值恼趽醵绊懙叫盘?hào)的接收。

除了手機(jī)方面，一些消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品，如運(yùn)動(dòng)穿戴式手表、耳機(jī)、筆記本電腦、VR眼鏡、電動(dòng)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(duì)于智能化家居或智能化設(shè)備，不僅可以非常方便地實(shí)現(xiàn)金屬等材質(zhì)的穿透，還可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jì)進(jìn)入到了極簡(jiǎn)式的設(shè)計(jì)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(huì)有一些簡(jiǎn)單的機(jī)械按鈕，既能取代傳統(tǒng)機(jī)械按鈕實(shí)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(huì)受到青睞。Daniel Goehl透露，UltraSense與大量來(lái)自于汽車行業(yè)的客戶正在進(jìn)行接洽。

對(duì)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(diǎn)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(guò)非常簡(jiǎn)單的超聲傳感的方式，輕松開(kāi)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(huì)在本月完成超聲感傳感器產(chǎn)品的量產(chǎn)，并且將會(huì)交付給下游客戶，包括手機(jī)的制造商以及消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品的產(chǎn)商。預(yù)測(cè)大概3-4個(gè)月之后搭載TouchPoint解決方案的產(chǎn)品就會(huì)面世。對(duì)于中國(guó)市場(chǎng)，Daniel Goehl表示，UltraSense正與國(guó)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(huì)在2021年年底或者2022年年初問(wèn)世；除了智能手機(jī)以外，中國(guó)還提供了很多其他細(xì)分市場(chǎng)的機(jī)會(huì)，如消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品、家電或汽車市場(chǎng)，目前UltraSense也與這些行業(yè)市場(chǎng)的一些客戶在接洽中。

問(wèn)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(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，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(jì)，另一種是MEMS。與傳統(tǒng)的應(yīng)變計(jì)相比，TouchPoint產(chǎn)品無(wú)論是在功耗還是在響應(yīng)速度上都更有優(yōu)勢(shì)，特別是響應(yīng)速度上。在響應(yīng)速度方面，UltraSense的傳感器因?yàn)槌暡ㄊ请S時(shí)開(kāi)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(diǎn)是，UltraSense的解決方案本身也提供面層的反射材料的對(duì)比度的識(shí)別，作為補(bǔ)充的解決方案，幫助識(shí)別面層的對(duì)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(shí)，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(lái)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(shì)。