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以柔性MEMS压力传感器,进一步完备人机交互语言

时间:2020-10-07 作者:刘于苇 阅读:
力的交互,和电的交互或声的交互不一样,它需要有一个作用表面。为了把表面的信息准确地传达到传感器里面,传感器本身一定要是柔性的,才能检测用户触摸操作时所产生的微小形变。
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微机电系统(Microelectromechanical Systems)也就是我们常说的MEMS,是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术,它的操作范围在微米范围内,能够把力转化成电信号。如今MEMS在我们生产、生活中已无处不在,智能手机,健身手环、打印机、汽车、无人机以及VR/AR头戴式设备等,几乎都应用了MEMS器件。

一般MEMS的生产方式是在基质上堆积物质层,然后使用平板印刷和蚀刻的方法来让它形成各种需要的结构,使用的材料主要是硅,采用类似于集成电路批处理式的微制造技术。这样制造出来的MEMS就是我们常见的刚性MEMS,一般与对应的IC封装在一起,但你知道什么是柔性MEMS吗?

柔性MEMS诞生的目的

力的交互,和电的交互或声的交互不一样,它需要有一个作用表面。为了把表面的信息准确地传达到传感器里面,传感器本身一定要是柔性的,才能检测用户触摸操作时所产生的微小形变。 “纽迪瑞是真正全球首家将柔性MEMS概念商业化的公司,”纽迪瑞公司创始人兼CEO 李灏博士介绍到,“其实我们也是做了好多年之后才发现,原来这就是柔性MEMS。”

人和机器进行交流,首先机器要理解人的意愿。从按键到触摸屏,是人对机器输入更简单流畅的演进过程,李灏认为,这个交互过程要用传感器真正地把人的意图翻译进去,一定要用到压力这个维度,柔性MEMS技术就是为了解决目前交互面临的两大问题:

  1. 传感器必须是柔性的。虽然现在很多交互的作用表面已经是柔性的,但传感器本身为了配合任何种类的作用面,也必须让表面是柔性的;
  2. 即贴即用。可穿戴设备最大的成本是组装成本,力的交互和传导与结构强相关,需要把传感器做得像创可贴一样,撕掉背胶贴上就可以使用,降低组装难度,提高良率。

纽迪瑞公司创始人兼CEO 李灏博士

完备了TWS耳机的交互语言

据悉,纽迪瑞的产品主要应用在三大方向,分别是手机(Mobile),可穿戴(Wearable),以及可测量(Measurable)

近些年来的标志性客户及产品有:2015年配合中兴发布第一款3D Touch手机 Axon Mini;2017年配合谷歌发布第一款Edge Sense边缘触控手机Pixel 2;2019年配合vivo发布第一款无按键手机NEX 3;2020年配合华为发布第一款国内/安卓系统压感TWS耳机FreeBuds Pro。

拿可穿戴产品来说,使用时都是紧贴人体的,但由于人体都是导电的,所以交互往往非常困难的。例如耳朵导电,手指也一样导电,手指去触碰TWS耳机,和耳朵接触的信号是会互相混淆的,所以压力是解决交互问题的关键。

但是此前压力交互技术一直不理想,比如戴着TWS耳机想要调音量,就一定要把手机拿出来调;交互也只有一种交互语言——敲两下,因为敲一下会很多误触,敲三下对于用户的要求太高,所以只能实现听歌、接电话等简单的操作。直到AirPods Pro采用压感技术加入了捏一下、捏两下、长捏和短捏等,才基本完备了交互语言。

华为最新的FreeBuds Pro则实现了在耳机上压力加电容滑动调节音量。“我们把这叫传感器融合,把电容交互和压感交互全部放到了一个非常小的传感器里面,“李灏说到,”捏一下就可以听歌、降噪,上下滑动就可以调节音量,也实现了完备的交互语言和更好的用户体验。“

在手机中重新崛起

纽迪瑞公司市场销售副总裁任璐佳表示,柔性MEMS并不单单是一种材料,还要告诉客户怎么做才能商业化。“从材料、算法、模组到一体化的实现和量产工具,都是纽迪瑞自己开发的。目前累积出货量已经超过5000万,品牌渗透率方面11家中有9家已经量产,在很多手机上已经实现了传感器阵列。“

纽迪瑞公司市场销售副总裁任璐佳

2015年,苹果iPhone 6S曾经最早将压力传感3D TOUCH功能用在了手机屏幕下,但随后几代产品却默默地取消了这一功能,李灏认为这主要是基于向下兼容和成本的考量。现在手机越来越薄、无孔化和全面屏的同时,厂商还在不断追求游戏体验,但是现在手机既有的一些交互方式已经不能满足了。比如游戏按键,屏幕方向变化的话会误触,所以一些手机厂商会在屏下加压力传感器;5G需要更多的天线,留给实体按键的位置越来越少了,压力触控交互或许可以重新在智能手机上崛起,成为一个大家都需要的功能

在笔记本行业中,苹果MacBook的触控板没有实体按键,但按下去会有马达反馈。相比苹果笔记本的交互设计,微软系的笔记本交互曾经做得比较差——触控板小,还有两个实体按键。虽然没有微软的支持,但现在联想和华为已经开始用压力去替代实体的左右键。“纽迪瑞可以做到线性输出、满足多维度输入需求(轻按、重按、短按、长按)。“任璐佳说到,”现在windows的笔记本上出现的方案还不具备这些功能。“

可测量产品除了触控板,还有很多应用场景,比如苹果、微软、华为、三星等头部企业都推出的压力笔,在数字绘画的应用上需要4096、8192这样的压力分级,据悉纽迪瑞已经实现了这项技术的落地。

用标准化提升性价比,满足不同用户

消费类市场是最有挑战性的市场,因为光做得好不够,还要让别人用得起,不能期待苹果用的东西别人都用得起。所以纽迪瑞这类供应商,一定要用标准化去把模组的性价比做高,任璐佳表示,“性价比分为成本和性能,成本目前我们已经做到了接近于实体按键,而性能主要看输出和输入。输入方面纽迪瑞已经实现压力数据、算法实现和大规模量产的一致性。“

在TWS耳机领域,纽迪瑞的客户大致分成三类:一是手机的品牌做耳机,二是传统的音频品牌,三是高仿,这些耳机有不同的价位区间。目前TWS耳机的主芯片趋势是高度集成,任璐佳认为压感功能一定会在有“主动降噪 “级别的TWS耳机中成为标配,这类产品的价格基本上是399元到1299元。目前纽迪瑞有Micro LoadCell、贴合式电容+压感、PCB Sensor+弹片三种专用于TWS交互的压感触控解决方案,主要就是在性价比上满足不同用户。

与纽迪瑞的方案不同,目前市面上有一些采用电容做压力触控的方案,但这类的技术有一些硬伤。电容压力感应的原理是基于两层面板,上面一层面板被压的时候产生形变,这时候它到底下这一层的距离就改变了,通过改变的数值可以计算出受力大小。“这个变量是基于底层面板不动的假设下,但在实际应用中,底层面板一定是会动的。” 李灏解释到,“曾经一家抽油烟机厂商做了电容触控的压力操控板,位置在金属面板的后面,在实验室里面测得很好,但货送到用户家用螺丝一拧,电容之间的距离就发生变化了,整个都不好用了。由此可见在要求抗跌落能力比较强,或者抗安装比较强的,电容方案非常受限制。”

未来愿景

而与其他同类压感传感器厂商相比,纽迪瑞优势首先体现在份额上面。据李灏介绍,在除苹果之外的方案中,纽迪瑞占所有剩余方案的98%。“这也是即贴即用方案经过市场检验之后的结果,纽迪瑞解决最大的问题就是易组装。“

展望未来,纽迪瑞希望在现有产品方案上持续迭代升级,逐步开发新产品线,以不断丰富应用领域和场景,实现更低成本、更高性能以及功能电路的整合。未来有望籍由消费电子的人机交互,再把压力交互引入到所谓物机应用中,实现多功能复合传感器,例如温度、体征传感以及在汽车和轨道上的应用。

李灏表示:“以后的万物互联不仅包括声光电,压力一定也是互联的一部分。比如机器人拿东西,机器对于物体的感知是一定需要有压力反馈的,虽然现在还处在非常早期,但这是未来的大趋势。”

责编:Luffy Liu

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刘于苇
电子工程专辑(EETimes China)副主分析师。
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