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MEMS壓力傳感器解決人機(jī)界面新痛點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間:2022-06-21 來(lái)源:電子工程世界 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】2021 年 5 月,Qorvo 宣布了收購(gòu) NextInput 公司,作為其傳感器融合產(chǎn)品線的首次收購(gòu),Qorvo 對(duì)于 NextInput 在改善人機(jī)交互(HMI)市場(chǎng)的創(chuàng)新給予了厚望。同時(shí),也意味著 Qorvo 除了在 RF MEMS 之外,也擁有了 MEMS 壓力傳感器的技術(shù)積累。


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NextInput 創(chuàng)始人兼 CEO Ali Foughi 在收購(gòu)時(shí)就曾表示:“我們將繼續(xù)使命,通過(guò)出色的傳感解決方案帶來(lái)創(chuàng)新并徹底改變觸摸體驗(yàn)。Qorvo 廣泛的互補(bǔ)技術(shù)產(chǎn)品組合和世界一流的供應(yīng)鏈能力使我們能夠快速擴(kuò)展業(yè)務(wù)。在并入一家半導(dǎo)體解決方案的全球領(lǐng)導(dǎo)者后,我們希望在 HMI(人機(jī)界面)市場(chǎng)能夠繼續(xù)締造成功?!?/p>


那么如今一年后,Qorvo 在壓力傳感器方面都做了哪些?近日我們采訪到了 Qorvo 工程師 Will Wang,請(qǐng)他介紹下如今壓力傳感器在HMI領(lǐng)域的現(xiàn)狀與前景,涵蓋手機(jī)、可穿戴以及汽車等方面。


壓感的想象空間有多大?


Will 表示,MEMS 壓力傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)的觸控而言,是一種全新的交互方式補(bǔ)充。直觀而言,“觸摸”是一個(gè)動(dòng)作,“施壓”也是一個(gè)動(dòng)作。大腦在手指點(diǎn)擊手機(jī)屏幕上某個(gè) APP 時(shí)會(huì)得到“打開(kāi)”這一期待,同時(shí)大腦也會(huì)在你按壓某個(gè)物品時(shí),會(huì)根據(jù)按壓表面的不同力度而期待不同的結(jié)果,而這也就是壓力傳感器所要實(shí)現(xiàn)的作用——準(zhǔn)確判斷出施加在物體上的力度,并使裝置完成大腦的預(yù)想。


與僅有 XY 軸的二維電容傳感方案相比,將壓力傳感器與電容傳感器相結(jié)合,可增加 Z 軸(垂直方向)數(shù)據(jù)交互,從而為 HMI 應(yīng)用帶來(lái)更多可能。此外,由于 Z 軸壓力的數(shù)據(jù)量更為豐富,不只是可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 on/off 操作,而是通過(guò)不同的壓力值,來(lái)傳遞更多信息。


同時(shí),另外一種方式則是通過(guò)布置多顆壓力傳感器,并且配合相應(yīng)的算法,僅憑借壓力傳感器就可以實(shí)現(xiàn) XYZ 的三維識(shí)別。這一技術(shù)理論上可以適應(yīng)包括金屬,厚手套,帶水操作等多種環(huán)境挑戰(zhàn)。


理論上來(lái)說(shuō)凡是機(jī)械按鍵或者電容觸控開(kāi)關(guān)的場(chǎng)景,都可以嘗試使用壓力傳感器來(lái)替代,使其具有免打孔、免誤觸、增強(qiáng)防水性等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。


然而,Qorvo 在 HMI 上的野心,不只是“按鈕的替代品”,而是有著更廣闊的想象空間。


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多種壓力傳感器技術(shù),滿足不同應(yīng)用


壓感增強(qiáng)游戲手機(jī)的操作體驗(yàn)


壓力傳感器如果想要取代電容或其他傳感器,最重要的是要找到應(yīng)用痛點(diǎn)。壓力傳感器最早出現(xiàn)在 iPhone6s 上,并實(shí)現(xiàn)了 3D Touch 功能(Peek 和 Pop),不過(guò)這一功能缺乏足夠的殺手級(jí)使用場(chǎng)景,因此并沒(méi)有獲得用戶及開(kāi)發(fā)者的廣泛青睞,蘋果幾年后果斷將 3D Touch 更換為了 Haptic Touch,用軟件方式實(shí)現(xiàn)類似功能,從而節(jié)約了成本和功耗。安卓的生態(tài)同樣如此。


然而,隨著手機(jī)市場(chǎng)的細(xì)分化,包括游戲手機(jī)、折疊屏等新業(yè)態(tài)的出現(xiàn),讓 Qorvo 看到了新機(jī)遇,成功導(dǎo)入包括黑鯊、魅族、iQoo 等產(chǎn)品中。比如在黑鯊中,通過(guò)結(jié)合壓力傳感器及黑鯊的專用設(shè)置軟件,實(shí)現(xiàn)了雙區(qū)屏幕壓感觸控操作,為游戲增加了更多差異化。例如 MOBA 游戲中,在移動(dòng)攻擊時(shí)通過(guò)壓感功能瞬間加血和換裝,F(xiàn)PS 類游戲中,在移動(dòng)瞄準(zhǔn)時(shí)按壓射擊,走位射擊時(shí)按壓瞬間趴下等等,在競(jìng)速類游戲可以全屏幕范圍靈活控制油門和剎車力度,一系列的例子可表明,壓力傳感器方便了操作,也可增強(qiáng)游戲的打擊感體驗(yàn)。而除了游戲之外,壓力傳感器也被黑鯊擴(kuò)展到系統(tǒng)應(yīng)用中的壓感導(dǎo)航,用戶可以在任何地方按壓一下屏幕就可以掉出操作導(dǎo)航,使手機(jī)變成單手操作神器。


Will 補(bǔ)充道:“壓感可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的操作,并且不會(huì)被誤觸發(fā),這一需求將隨著全面屏、折疊屏、游戲手機(jī)等的出現(xiàn)而增長(zhǎng)。”


據(jù)介紹,目前壓感的實(shí)現(xiàn)有兩種方案,一種是以模組形式出現(xiàn),利用 MCU 處理壓感信號(hào)。這種模組是多塊 FPC 構(gòu)成,因此手機(jī)中框必須要開(kāi)多個(gè)大孔,并且 FPC 的耐久度、良率等都存在著一些弊端。


Qorvo 的方案則是通過(guò)單顆集成了傳感器和模擬前端的芯片,無(wú)需 MCU 便可直接與 CPU 通信,且開(kāi)孔較小,對(duì)堅(jiān)固性、散熱等相對(duì)影響較小,且安裝更為簡(jiǎn)便。


據(jù) Will 介紹,目前 Qorvo 的方案只需兩顆芯片便可以實(shí)現(xiàn)上下屏雙指壓力檢測(cè)。


而針對(duì)無(wú)側(cè)按鍵設(shè)計(jì)的壓力傳感器應(yīng)用,Qorvo 則將會(huì)提供傳感器融合的方案,包括壓力傳感器、紅外線傳感器、超聲波傳感器以及模擬前端實(shí)現(xiàn)的單芯片方案無(wú)按鍵方案,其中 IR 起到定位作用,這樣就可以僅用一顆傳感器就可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)壓力感應(yīng),從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),并避免了誤觸操作。


重要的是,Qorvo 可以提供完整的硬件方案以及軟件算法,從而掃清設(shè)計(jì)障礙,使客戶可以更專注于利用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的差異化。


TWS 全面體現(xiàn)壓感的差異化


盡管 Apple 在后期的 iPhone 中沒(méi)有選擇壓力傳感器,但在 TWS 上卻全面擁抱了壓力傳感器。TWS 應(yīng)用的 HMI 主要痛點(diǎn)就是電容傳感器誤觸,包括頭發(fā)、雨水、汗水、油脂等都會(huì)造成誤觸,從而影響體驗(yàn)。此外對(duì)于采用 MEMS 加速度傳感器通過(guò)敲擊來(lái)操作的,實(shí)際體驗(yàn)也不如壓力傳感器直接。據(jù)了解,目前應(yīng)用于 TWS 的壓力傳感器已經(jīng)從中高端逐步向中端市場(chǎng)導(dǎo)入。


Will 表示,對(duì)于 TWS 應(yīng)用而言,Qorvo 的產(chǎn)品由于其單芯片,小尺寸,支持?jǐn)?shù)字輸出,模組簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì),更適合該場(chǎng)景應(yīng)用。而且隨著市場(chǎng)上導(dǎo)入案例增多,客戶也越來(lái)越有信心。


其他可穿戴設(shè)備


除了 TWS,包括手表、手環(huán)甚至 AR/VR 設(shè)備,對(duì)于壓力傳感器而言都具有廣闊的發(fā)展前景。以智能手表為例,Google-Fitbit 采用了 Qorvo 的方案,從而取代了手表中的機(jī)械開(kāi)關(guān)、旋鈕或滑塊,可以使手表防水性能更高。


不過(guò) Will 也提到,目前針對(duì)智能手表,是否取消機(jī)械按鍵還存在著許多爭(zhēng)論,如對(duì)于手表的審美認(rèn)知,或者心率測(cè)量等功能,無(wú)法取代機(jī)械按鍵。但至少對(duì)于可穿戴設(shè)備中的電容觸控方案來(lái)說(shuō),壓力傳感器是完全可以勝任的,而且支持水下/潮濕等環(huán)境,使其可以有更好的體驗(yàn)。


生產(chǎn)力工具的體驗(yàn)提升


壓力傳感器還非常適合生產(chǎn)力工具。同樣以 Apple 為例,其筆記本一直采用了 Force Touch 技術(shù),并被客戶廣泛認(rèn)可,如今這一技術(shù)正受到更多品牌商的青睞。


另外則是對(duì)于生產(chǎn)力應(yīng)用的平板電腦,以及手寫板等,壓力傳感器都可以憑借高階細(xì)膩的Z軸響應(yīng),仿真出類似“畫筆”等功能。


汽車將是另外一個(gè)爆發(fā)點(diǎn)


Qorvo 也表達(dá)了對(duì)汽車市場(chǎng)的關(guān)注。作為唯一一家通過(guò)車規(guī)級(jí)認(rèn)證的壓力傳感器供應(yīng)商,其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用在包括特斯拉、吉利、奇瑞等車型中,并且通過(guò)了包括 Valeo、延鋒以及均勝三家 Tier1 供應(yīng)商的 PPAP 認(rèn)證。


其應(yīng)用場(chǎng)合包括了車門、多功能方向盤、中控等,其中僅特斯拉一輛車上,就采用了 10 余顆壓力傳感器。尤其是隨著“給手機(jī)裝上輪子”這一概念的深化,我們看到汽車駕駛室內(nèi)部,無(wú)論是儀表盤,主控屏、中控盤甚至副駕屏都在朝向更多更大的方向發(fā)展,機(jī)械按鈕和旋鈕正逐漸被液晶屏上的虛擬按鍵所取代。這種變化下,汽車駕駛艙由上世紀(jì)像飛機(jī)駕駛艙一樣被機(jī)械按鍵、旋鈕及指示燈所包圍,轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿押酶`活且更簡(jiǎn)潔的處處都是屏幕的方式呈現(xiàn),這給汽車 HMI 帶來(lái)了遠(yuǎn)超手機(jī)市場(chǎng)的需求,也讓壓力傳感器有更多的可施展空間。


高品質(zhì)是體驗(yàn)的基礎(chǔ)


最后,但不是最不重要的,產(chǎn)品的可靠性是一切用戶體驗(yàn)的基礎(chǔ)。不必說(shuō)在飛馳的公路上無(wú)法通過(guò)準(zhǔn)確按鍵命令汽車,即便是在打游戲時(shí),一個(gè)不必要的觸摸失誤,也會(huì)令玩家感到沮喪。


從系統(tǒng)層面而言,壓力傳感器技術(shù)天然就比傳統(tǒng)按鈕甚至電容、電阻、超聲波等技術(shù)更直接也更可靠,并且不分材質(zhì),且不易受到外界干擾,從而使系統(tǒng)魯棒性更強(qiáng)。


而就芯片本身而言,Qorvo 的壓力傳感器可以持續(xù)使用 1000 萬(wàn)到超 1 億次循環(huán),傳統(tǒng)按鍵的壽命僅為 20 萬(wàn)到 50 萬(wàn)次。此外,在 Qorvo 已成功出貨的數(shù)千萬(wàn)顆級(jí)產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)了 0 現(xiàn)場(chǎng)故障率,也證明了 MEMS 壓力傳感器的可靠性。Qorvo 產(chǎn)品支持防水、防塵、防冰,并且可工作在高低溫各種環(huán)境中。其車規(guī)級(jí)版本也通過(guò)了 AEC-Q100 的認(rèn)證。


壓感與 HMI 的未來(lái)


在當(dāng)今快節(jié)奏的世界中,人們正在尋找為生活及工作提供運(yùn)行順暢、節(jié)省時(shí)間并最終提高舒適度及可操作性的產(chǎn)品和服務(wù),這就需要更直觀、更自然的人機(jī)交互體驗(yàn),并且不會(huì)受到各種干擾。此外,考慮到后疫情時(shí)代,也會(huì)對(duì)非接觸式的人機(jī)交互有著更多需求。這些都對(duì) HMI 和傳感器帶來(lái)了差異化的需求挑戰(zhàn)。


一方面語(yǔ)音交互、人臉識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別等新興技術(shù)的增長(zhǎng),正在變革人機(jī)交互體驗(yàn),同時(shí),相對(duì)傳統(tǒng)的觸控技術(shù),也正在隨著 Qorvo 等創(chuàng)新壓力傳感器的提供,從而不斷改進(jìn),以應(yīng)對(duì)未來(lái)。


正如 Will 所說(shuō):“Qorvo 的壓力傳感器還可應(yīng)用于各種新興技術(shù),如睡眠監(jiān)測(cè)、機(jī)器人、家用電器等,對(duì)于 Qorvo 而言,技術(shù)的限制只取決于工程師的想象力?!?/p>


來(lái)源:電子工程世界



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