机械按钮的“终结者”

消除机械按键，把任何物体表面都变成既能触摸又可防水的用户界面，实现更整洁、更时尚的工业设计美学，许多智能手机、家电、车载、PC、可穿戴设备设计师正在引领这种设计潮流。而这也正是UltraSense Systems公司的雄心所在，这家新成立的公司希望通过先进的超声波传感器技术为物联网时代创造新的触摸体验。

UltraSense Systems成立于2018年4月，是一家总部位于加利福尼亚州圣何塞的初创公司，Mo Maghsoudnia是公司的创始人兼首席执行官，他和公司联合创始人兼首席业务官Daniel Goehl一起在InvenSense共事了大约6年。

2020年2月，UltraSense Systems宣布完成了2000万美元的B轮融资，此轮融资由 Robert Bosch Venture Capital和Artiman Ventures领投，Abies Ventures、Asahi Kasei Corporation、Hui Capital和Sony Innovation Fund参投。此前，UltraSense 还曾获得过400万美元的A轮融资，新一轮融资使公司的融资总额达到了2400万美元。

被命名为“TouchPoint”的超声波传感器是UltraSense推出的尺寸仅为1.4 x 2.6 x 0.49毫米的“全球最小的超声波传感器”，大约相当于钢笔笔尖的大小，几乎可以穿透包括金属、玻璃、木材、陶瓷和塑料等在内的任何厚度，任何材质的材料，来进行触觉感知，家电、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。

走出“隐身模式”

智能手机是UltraSense走出“隐身模式”后重点关注的市场之一。Daniel Goehl说，不受湿气、灰尘、油和乳液影响的超声传感器不仅仅只为取代音量调节、电源开关这些传统的机械按钮而存在，它更能够通过单击、双击、长按、多击、滑动，或者是以多个超声波传感器阵列的方式，实现触控面板的多功能合一。例如在超声波传感器的加持下，手机背板也变成了一块非常好的手指操控区域，无论手机背板使用的是塑料、金属还是玻璃材质，这种超声波高精度触摸平台都能够带来更丰富的交互体验。

TouchPoint超声波传感器在智能手机中的应用

随着5G的出现，考虑到5G毫米波手机将拥有24根天线，且这些天线必须能够在玻璃和金属材料下工作，导致手机的工业设计将不得不改变，使得这一需求变得更有实际意义。

值得关注的是，当前，数字化取代机械化，向虚拟按钮和表面手势转变的趋势不止发生在智能手机市场，用户与智能家用电器以及其他渗透到日常生活中的设备的交互方式同样正在发生变化，包括运动穿戴式手表、耳机、电脑、VR眼镜，甚至是电动牙刷，设计师能够实现“触摸”/“滑动”功能，或是侧面的“菜单”/“音量”键，降低防水成本，带来时尚的外观设计。 

除了消费级电子和家电应用场景以外，汽车行业是另一个不能忽视的应用市场，从雨量传感器(取代光学雨量传感器)、车门面板下锁车键(取代电容式方案)这样的汽车外饰，到触控板手势识别、取代中控屏幕按键和“手离”检测这样的汽车内饰，都会成为超声波传感器的用武之地。

小身材，大智慧

UltraSense超声波传感器在常开模式下功耗小于20uA，内置MCU&Touchpoint算法和OTPM，支持I2C和SPI，采样率、阈值均可自由支配。由于采用换能器(Sensor transducer)和ASIC电路一体化设计，因此无需主处理器参与任何运算，可作为一个独立的电源按钮用于唤醒触摸感应，通过简单的触摸为整个产品供电，也可作为一个多功能用户界面，使用一系列的点击、按住和滑动。

谈到TouchPoint超声波概念本身时，Goehl解释说，超声传感器一般被集成在标准集成电路板，或是任何的柔性电路板上。集成之后，超声传感器的上端会被直接集成进入表面触控材料中，这样，超声波束就会在材料表面形成不同的声阻。当我们进行轻度触碰时，指纹脊内仍有空气，但当我们用力按压时，指纹脊在表面材料上变形，空气消失。压力越大，我们看到的反差就越大。但如果其表面并没有形成跟手指指尖的接触，也就是说表面没有产生接触，那么它所发出超声波信号，就将直接移散在空气当中。

“我们的超声传感器已经通过高度集成实现了自我的全封闭操作，它不像传统传感器那样属于多芯片连续加载，还需要额外的射频模拟前端和微控器。”Goehl表示，如前文所述，TouchPoint片上传感器由ASIC和MEMS传感器组成，其中，ASIC包括微控制器、传感LDO、存储器和模拟前端，MEMS传感器是一种压电微机械传感器，简称PMUT。

Z压力(Z-Force)检测的引入也是亮点。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，在加入Z压力检测后，就能够更好的防止误触。举例而言，如果一滴水正好作用于压力传感区，普通传感器很有可能将水滴误认为是人的手指接触。但Z压力检测可以通过反射的方式识别出表面层材料，排除将水滴视作手指触碰的误判断，从而避免误触。

下图展示了TouchPoint超声波传感器与传统应变计方案的差异。左侧图中，当把两个应变计结合在一起的时候，由于中间所留间隙过小，对于传统传感器来说，就很难能够清晰识别出压力到底来自于哪一个界面，应力大小是多少？同时，传统应变计下使用的传感器对于温度也非常敏感，50度左右时，即使使用算法也无法补偿高温下所产生的误算，从而导致误触的产生。

而在右侧图中，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，能够非常精确的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。 

未来规划

展望未来两到三年，Goehl说，他看到了来自市场的“强大的吸引力”，从移动和消费领域开始，通过“与多家汽车供应商就各种类型的应用进行的大量概念验证”看到了汽车领域的前景，UltraSense销售的不仅仅是传感器，而是多功能用户界面。

在刚刚结束的CES上，UltraSense宣布将会在本月完成超声感传感器产品的量产，并交付给包括手机、消费级电子产品和汽车一二级供应商在内的下游客户，相关产品预计将于3-4个月后上市销售。而在中国市场，搭载TouchPoint解决方案的中国智能手机产品预计将会在2021年底或是2022年初问世。

Goehl对《电子工程专辑》表示，他不赞同“超声波技术门槛低”的说法。“单从技术角度出发，其复杂性就远远超过了很多人的想象。因为它不仅仅是一个简单的信号传导和接收过程，我们在设计中必须要考虑材质、厚度、应用场景、触发精度和时间等多重因素。”他说，在UltraSense未来的产品路线规划中，和更多系统级应用进行更好更广泛的集成，实现更高层级的融合会是大方向。同时，考虑到当前人工智能的广泛应用，将AI技术与传感器技术进行集成，以实现更准确的应用场景模式识别，也会是公司下一步考虑的重点。