智能表面交互让压力传感迎来“新风口”

当前，数字化取代机械化，向虚拟按钮和智能表面转变的趋势正渗透到我们日常生活的方方面面。从电动牙刷、运动穿戴式手表、耳机、VR眼镜，到汽车，智能手机、电脑、家电，设计师不仅带来了时尚的外观设计，更能够通过压力触控/触觉反馈等技术消除物理按键，为消费者提供一个额外维度的人机交互界面(Human Machine Interface, HMI)。

“新风口”里的“新玩家”

面对这样的“新风口”，Qorvo在2021年5月完成了对NextInput公司的收购。成立于2012年NextInput是一家为移动应用、真正无线立体声(TWS)、消费、汽车、物联网、机器人、医疗和工业市场提供基于MEMS传感器解决方案的厂商，其MEMS压力传感器和红外(IR)检测传感器能够以出色的性能取代传统物理按钮和电容式触摸解决方案，打造了新的用户接口可能性。

通过该收购，Qorvo MEMS技术产品组合得到了进一步扩充，公司也能够利用基于MEMS的传感器加快力度感测解决方案的部署。

“我们Sensor Fusion产品的应用场景主要来自人机交互应用领域。其中，基于MEMS工艺的Sensor芯片将压力转换为电信号，再通过基于CMOS工艺的ASIC芯片和内部集成的算法进行信号放大、模数转换处理，最终给到用户可以量化的力度信号值。”Qorvo资深客户经理雷益民（Renado Lei）说，该类产品最大的优势是能够用在各种表面(塑料、玻璃、金属、木头)、各种环境(高低温、潮湿、油污)、各种外形/厚度条件下工作，以实现真正的无间隙和防水设计。

Qorvo资深客户经理雷益民（Renado Lei）

无处不在的压力传感

我们可以先了解一下压力传感器在智能手机、AR/VR、家电等领域的实际应用情况。在手机中，通过压力传感器替代传统机械按键，手机就能够实现一体化的式设计，无需开设物理槽。在游戏手机上，也可以通过3D Touch或屏下压感技术结合电容触控对X、Y信号的识别，以压力作为Z信号的判断，在系统层面实现3D触控功能。由于压感工作功耗极低，也可以作为Power键或HOME键，当检测到力时唤醒整个系统。

在AR/VR领域，由于这些设备体积小、功耗低，且对力信号的检测精准、线性，因此通过使用力敏传感器能够精确感知用户的意图，无论是轻微的触碰还是较大的施力。而在一些户外场景，例如使用电动工具，两轮车、电动摩托车驾驶等，传统电容方案在防水/防尘方面有比较明显的短板，但对压力触控来说就轻松很多。

家电领域，传统电容触控技术在有水或油污的环境中，可能会出现误触或操作不灵敏的情况，同时它对材料有特定要求，可能导致家电整体设计受限，比如，为了电容按键而需要在界面挖出一个区域放置玻璃或亚克力材料。相比之下，压感技术不仅可以让整个操作界面设计更为整体化，同时也可以使用金属等材料。

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新兴应用市场，包括隐藏式门把手、尾门按键这样的汽车外饰开关，以及方向盘开关，中控开关，仪表盘按键，空调开关，内饰灯调节，座椅调节等这样的汽车内饰开关，都会成为此类技术的用武之地。

“我们有涵盖消费级、工业级、车规级的完整产品路线图，使传感器能够以不同的尺寸、功耗、形状加以实施。这意味着，Qorvo传感器能够覆盖从耳塞式耳机到电动汽车几乎所有的应用领域。“雷益民说。

压力传感，不是看起来那么简单

这是雷益民对《电子工程专辑》反复强调的观点。

众所周知，对一颗高品质压力传感器来说，无论何种设计，要实现尺寸、功耗和灵敏度等多要素的平衡，其实是一件非常困难的事情。而且，客户的关注点也各不相同，有的关注灵敏度，有的关注功耗，同时还要确保所有产品均在可承受的价格范围内，设计团队面临的挑战可想而知。

为此，Qorvo也推出了两个系列的产品：

“MEMS Force”系列能支持更多样化的表面材料(包括金属)、厚手套以及有水环境的操作，基本架构是Sensor芯片通过结构材料硅胶等直接接触。用户在进行表面操控时，Sensor芯片会将传导过来的微小压力转化成电信号，再通过AFE芯片做处理，之后传到上位机，属于典型的直压式系列；

“ForceGauge”系列其工作原理与MEMS Force相比有所不同，主要是通过PCB板的轻微变形使得传感器产生应变，从而产生可量化的力度信号，由于灵敏度高，对变形量的要求也低，一般达到纳米或微米级形变就可满足使用需求。

图源：Qorvo

从目前的产品形态来看，除了传统的分离方案外，类似将红外接受功能集成其中的融合方案也颇受市场青睐。同时在软件侧，为了让客户便于实现各类型人机交互功能，例如实现“触摸”/“滑动”功能，或是侧面的“菜单”/“音量”键，或是进行三维位置信息的识别(3D Touch功能)，Qorvo可提供包括堆叠参考设计、系统力学仿真、机电模型在内的软件与系统集成支持。

雷益民指出，与普通电子芯片不同，压力传感器是跨学科的产品，它不仅涉及电子技术，还涉及结构设计，这对电子工程师和结构工程师提出了明显的挑战，而且也会在某种程度上影响OEM厂商对方案价值的判断。因此，Qorvo推荐采用特定的结构堆叠方式，从而有效地将用户施加的轻微力传导至芯片，进而将这一力值精准量化并传输至MCU或上位机进行后续的判断和处理。

汽车，智能表面技术应用新热点

在汽车设计领域，电动汽车设计犹如一张白纸。新的市场参与者可以自由地重新设计人们如何使用汽车以及如何与汽车互动。自动驾驶可为驾驶员或乘客提供更多的空闲时间来处理工作或娱乐。人们会更加注重舒适性、内部设计和使用体验。所有这些需求都将成为未来工业设计的驱动力，而力度感测则是一个关键的促成因素。

在过往的汽车设计中，无论是出于安全还是保守的缘故，大多数汽车内部的控制功能几乎都由机械按键加以完成。但随着智能汽车的兴起，中控屏、智能后视镜、多功能方向盘、座椅控制，包括压力传感器、电容触控、振动反馈、更大的显示屏、各种新材料在内的智能表面产品，被越来越多的引入汽车内部。

例如在方向盘、门开关和中央控制台等位置上，从传统的机械按键逐渐过渡到智能表面设计后，智能表面技术可以根据用户施加力的大小，使单个按键实现更多功能。在某些应用场景中，采用压感+电容的融合方案，能够极大增强触控可靠性，显著减少电容触控误触问题；另外在一些户外使用场景，或者金属表面材料也可以采用纯压感的方案，比如摩托车和两轮车等户外场景特别注重防水/防尘性能，要能够确保产品在恶劣、极端雨雪天气中的正常操作。

图源：Qorvo

目前，已经有来自不同厂商的多款量产车型采用了Qorvo产品。雷益民表示，Qorvo接下来将与更多的OEM/一级供应商合作，以确保功能的出色整合。其中，面向不同目标用户群设置的触摸体验由OEM 和一级供应商定义，Qorvo传感器负责通过数字编程特性来实现差异化体验。

但他也同时指出，尽管智能表面技术在汽车领域得到了快速的普及，但可靠性、安全性、盲操作性等关键性问题并非得到了“十全十美”的解决，仍然存在不小的改善和提升空间。同时，从安全性和操控性角度来看，是否需要将越来越多的触控功集成在中控大屏中，也是值得探讨的问题。

“一些高频使用或是与驾驶安全高度相关的场景，比如换挡、开启双闪、方向盘按键，车窗控制，中控开关等，如果采用集成压感的智能表面的实体按键，用户的体验可能反而会更好，也会更安全可靠。”雷益民建议称。

为什么没有一炮而红？

让人们感到好奇的是，3D touch技术被用于智能手机、智能手表和电子设备中的时间其实并不短，不过似乎没有掀起多大的波澜。那么，为什么Qorvo愿意通过收购重新关注这个市场呢？

对此，雷益民回应称，我们之前熟悉的电容触控按键其实是2D或者是一维的，但实际上人类的感知是多维，至少是三维感知交互的。虽然此前苹果等厂商意识到了这一点，但在将人类感知意图从想法变为现实的道路上，并没有得到更多先进传感技术的支撑。

另一方面，人机交互的应用场景正日趋复杂，多维感知信息的获得与材料、结构、环境等因素息息相关，如何提供一个兼具灵敏性、精确度、稳定性、易于使用、低成本、能够快速量产落地的智能表面技术，是包括Qorvo在内的企业需要解决的实际问题。

在谈及与其它竞争技术的相互关系时，雷益民表示，人机交互的核心就是人类意图的检测，实现方案可以是压力、超声波、光学、电容触控中的一种，或者是彼此之间形成的组合方案，例如“超声波+压力”、“电容+压力”等等。总体来看，“既竞争，又互补”将是未来人机交互技术发展的常态，不可能是单一性质，非此即彼，更多的时候是协同发展。但对产品方案而言，无论采取何种形式，灵敏度、线性度、功耗、体积，成本等仍是客户考量的重要指标。