“可以穿透任意材质、任意厚度,取代传统机械按钮,并且无需进行任何物理开口,贴合到任何系统上,实现防水、防油、防污的效果。”这是UltraSense Systems 公司联合创始人兼首席业务官Daniel Goehl所描述的超声波传感器的特别之处,按这一说法,任何表面都能成为人机交互用户界面。

 

这家成立于2018年4月的初创公司,总部位于加利福尼亚州圣何塞,公司管理层来自InvenSense和Cypress。去年2月,UltraSense完成了2000万美元的B轮融资,主要投资方包括 Artiman Ventures、Robert Bosch Venture Capital、Asahi Kasei和Sony Innovation Fund,融资总额达到了2400万美元。

 

 
UltraSense Systems 公司联合创始人兼首席业务官Daniel Goehl


超越传统方案的集成度、精度

 

超声波是一种振动频率高于声波的机械波,具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 数年前,在传感器技术领域,超声波传感器一直是备用选择。但是,新技术使得今天的超声波传感器非常坚固耐用并有着精确的感应能力,这些新增强的特性拓展了新的应用领域,超越了传统超声波传感器的应用。 

 

据Daniel Goehl介绍,UltraSense的TouchPoint超声波传感器,采用的是MEMS换能器和ASIC电路一体化的设计,集成了传感LDO、模拟前端、MCU以及存储器,以及匹配应用场景需求的算法,尺寸仅为1.4 x 2.6 x 0.49毫米,号称是“全球最小的超声波传感器”,大约相当于钢笔笔尖的大小。此外,功耗小于20μA,支持I2C 或 SPI 交互形式。

 

 

将超声波传感器粘合在目标基材层表面之后,就可以出发超声波束,从而能够根据不同材料形成不同的声阻,当表层材料被接触和按压时,垂直的超声波束能够精准识别操作类型。

 

TouchPoint超声波传感器通常集成在现有的标准集成电路板或柔性电路板上,传感器上端则被集成到触控材料表层。垂直超声波束不同于传统的声波作用,后者作用的表层范围比较大,而垂直超声波束能够通过精准的作用范围进行定位,可以防止误触操作。

 


 
此外,加入Z压力检测后,可以通过反射的方式识别出表面层材料,能够更好地防止误触。传统意义上,手指按压过程中会产生应力,导致材料发生形变。根据演示来看,如果将一滴水作用于压力传感区,普通传感器很有可能将水滴误认为是手指接触,但Z压力检测排除了这一误判。

 

 

在与传统应变计的对比中,传统应变计方案(下图左)如果是将两个应变计结合在一起,中间所留下的间隙就非常小,较难识别出力来自于哪一个界面,以及应力大小是多少。同时,传统应变计使用的传感器对温度也非常敏感,50度左右时,即使算法补偿也无法解决误触产生。

 

 

而TouchPoint超声传感器由精准作用于材料表层的垂直超声波束,通过与时间、表面信号反射和指纹脊变形的结合,能够非常精确地分辨触摸和按压的程度。同时,也可以有效地实现两个传感器之间的共同作用,而不会出现传感器之间的信号串扰问题。

 
Daniel Goehl还重点演示了几种使用场景:1.5mm厚的不锈钢、3mm厚的铝材面板,5mm厚的塑料,超声波传感器都可以穿透并且实现精准控制。

 

这种对于材料的广泛适用性使得TouchPoint传感器的应用领域较广,这也是超声波传感器区别于其他竞争技术的最突出优势。包括金属、玻璃、木材、陶瓷和塑料等在内的材料,都可以实现触觉感知,家电、消费电子产品、医疗设备以及自动驾驶汽车等是其核心应用领域。

 

据了解,UltraSense本月即将完成超声波传感器产品的量产,并将交付给下游客户,包括手机制造商以及消费电子厂商。约3-4个月之后,搭载其解决方案的产品将会问世。在中国市场,搭载其解决方案的智能手机产品预计今年底或是明年初问世。

 

手势识别是人机交互主要趋势

 

“人机交互目前主要通过虚拟按键或数字化键实现操控,未来,我们追求的更多是手势识别,并且这种交互方式是可以作用在任何材质表面”,Daniel Goehl表示,“希望通过我们的传感器,一方面实现无误触,另一方面做到不受任何场景的使用限制。”

 

TouchPoint超声波传感器非常适用于低功耗场景需求,例如电池驱动的手持或移动设备中,用以取代传统机械按钮。合作伙伴除了手机厂商之外,还有其他消费电子产品厂商,包括穿戴式手表、耳机、AR眼镜,甚至电动牙刷。据了解,传统电动牙刷的一个机械按钮大约需要几美元的造价成本,如果采用超声波传感器方案,可以实现更高的性价比,并且还可以达到更好的防水效果。

 

除了取代机械按钮传统的开关机功能之外,多功能的按键使用也是一个应用方向。比如使用一个超声波传感器,可以实现单击、双击、长按、多击、滑动、触控等多功能合一的整体控制。手机背板也将成为操控区域,实现更丰富的交互体验。

 

考虑到5G毫米波手机最多将拥有24根天线,天线的安置成为了需要重点考虑的问题。一般来说,在机身的上部分,也就是靠上1/4是最好的布置区域。但传统上,手机上在这个区域有厚重的机械按键,如果在这个区域采用超声波传感器,只需占用很小的体积,就可以纳入5G毫米波天线,并且在日常使用中也不会因为手的过度遮挡而影响信号接收。

 

 

汽车是下一个重点市场

 

“现在进入汽车行业是最好的一个时机,我们也在不断观察汽车行业的发展趋势”, Daniel Goehl表示,“智能表面是汽车内饰的发展方向,汽车行业所崇尚的极简设计,需要的就是材料本身尽可能少开孔,看似平淡无奇的设计尽可能实现一体化流畅的操控体验”。

 

汽车上的人机交互,正在出现的新趋势包括:内部按钮都集成到电容屏的中控板上,而不论是单屏控制还是双屏控制,都可以使用超声波传感器。此外,还有车门、车窗、后视镜、座椅等,这些控制按钮都可以通过超声波传感器替代,一次性集成到控制面板上,可实现多个功能。汽车外饰方面,在车门面板下锁车键取代电容式方案,实现车门、后盖的开启等,都是可以预见的应用领域。如果进展顺利,明年有望在量产车型上看到UltraSense的解决方案。