MEMS 压力传感器解决人机界面新痛点

作者：冀凯

2021 年 5 月，Qorvo 宣布了收购 NextInput 公司，作为其传感器融合产品线的首次收购，Qorvo 对于 NextInput 在改善人机交互（HMI）市场的创新给予了厚望。同时，也意味着 Qorvo 除了在 RF MEMS 之外，也拥有了 MEMS 压力传感器的技术积累。

NextInput 创始人兼 CEO Ali Foughi 在收购时就曾表示：“我们将继续使命，通过出色的传感解决方案带来创新并彻底改变触摸体验。Qorvo 广泛的互补技术产品组合和世界一流的供应链能力使我们能够快速扩展业务。在并入一家半导体解决方案的全球领导者后，我们希望在 HMI（人机界面）市场能够继续缔造成功。”

那么如今一年后，Qorvo 在压力传感器方面都做了哪些？近日我们采访到了 Qorvo 工程师 Will Wang，请他介绍下如今压力传感器在HMI领域的现状与前景，涵盖手机、可穿戴以及汽车等方面。

压感的想象空间有多大？

Will 表示，MEMS 压力传感器相对于传统的触控而言，是一种全新的交互方式补充。直观而言，“触摸”是一个动作，“施压”也是一个动作。大脑在手指点击手机屏幕上某个 APP 时会得到“打开”这一期待，同时大脑也会在你按压某个物品时，会根据按压表面的不同力度而期待不同的结果，而这也就是压力传感器所要实现的作用——准确判断出施加在物体上的力度，并使装置完成大脑的预想。

与仅有 XY 轴的二维电容传感方案相比，将压力传感器与电容传感器相结合，可增加 Z 轴（垂直方向）数据交互，从而为 HMI 应用带来更多可能。此外，由于 Z 轴压力的数据量更为丰富，不只是可以实现一个简单的 on/off 操作，而是通过不同的压力值，来传递更多信息。

同时，另外一种方式则是通过布置多颗压力传感器，并且配合相应的算法，仅凭借压力传感器就可以实现 XYZ 的三维识别。这一技术理论上可以适应包括金属，厚手套，带水操作等多种环境挑战。

理论上来说凡是机械按键或者电容触控开关的场景，都可以尝试使用压力传感器来替代，使其具有免打孔、免误触、增强防水性等多项优势。

然而，Qorvo 在 HMI 上的野心，不只是“按钮的替代品”，而是有着更广阔的想象空间。

多种压力传感器技术，满足不同应用

压感增强游戏手机的操作体验

压力传感器如果想要取代电容或其他传感器，最重要的是要找到应用痛点。压力传感器最早出现在 iPhone6s 上，并实现了 3D Touch 功能（Peek 和 Pop），不过这一功能缺乏足够的杀手级使用场景，因此并没有获得用户及开发者的广泛青睐，苹果几年后果断将 3D Touch 更换为了 Haptic Touch，用软件方式实现类似功能，从而节约了成本和功耗。安卓的生态同样如此。

然而，随着手机市场的细分化，包括游戏手机、折叠屏等新业态的出现，让 Qorvo 看到了新机遇，成功导入包括黑鲨、魅族、iQoo 等产品中。比如在黑鲨中，通过结合压力传感器及黑鲨的专用设置软件，实现了双区屏幕压感触控操作，为游戏增加了更多差异化。例如 MOBA 游戏中，在移动攻击时通过压感功能瞬间加血和换装，FPS 类游戏中，在移动瞄准时按压射击，走位射击时按压瞬间趴下等等，在竞速类游戏可以全屏幕范围灵活控制油门和刹车力度，一系列的例子可表明，压力传感器方便了操作，也可增强游戏的打击感体验。而除了游戏之外，压力传感器也被黑鲨扩展到系统应用中的压感导航，用户可以在任何地方按压一下屏幕就可以掉出操作导航，使手机变成单手操作神器。

Will 补充道：“压感可以实现更准确的操作，并且不会被误触发，这一需求将随着全面屏、折叠屏、游戏手机等的出现而增长。”

据介绍，目前压感的实现有两种方案，一种是以模组形式出现，利用 MCU 处理压感信号。这种模组是多块 FPC 构成，因此手机中框必须要开多个大孔，并且 FPC 的耐久度、良率等都存在着一些弊端。

Qorvo 的方案则是通过单颗集成了传感器和模拟前端的芯片，无需 MCU 便可直接与 CPU 通信，且开孔较小，对坚固性、散热等相对影响较小，且安装更为简便。

据 Will 介绍，目前 Qorvo 的方案只需两颗芯片便可以实现上下屏双指压力检测。

而针对无侧按键设计的压力传感器应用，Qorvo 则将会提供传感器融合的方案，包括压力传感器、红外线传感器、超声波传感器以及模拟前端实现的单芯片方案无按键方案，其中 IR 起到定位作用，这样就可以仅用一颗传感器就可以简单实现压力感应，从而简化设计，并避免了误触操作。

重要的是，Qorvo 可以提供完整的硬件方案以及软件算法，从而扫清设计障碍，使客户可以更专注于利用压力传感器实现应用的差异化。

TWS 全面体现压感的差异化

尽管 Apple 在后期的 iPhone 中没有选择压力传感器，但在 TWS 上却全面拥抱了压力传感器。TWS 应用的 HMI 主要痛点就是电容传感器误触，包括头发、雨水、汗水、油脂等都会造成误触，从而影响体验。此外对于采用 MEMS 加速度传感器通过敲击来操作的，实际体验也不如压力传感器直接。据了解，目前应用于 TWS 的压力传感器已经从中高端逐步向中端市场导入。

Will 表示，对于 TWS 应用而言，Qorvo 的产品由于其单芯片，小尺寸，支持数字输出，模组简单等优势，更适合该场景应用。而且随着市场上导入案例增多，客户也越来越有信心。

其他可穿戴设备

除了 TWS，包括手表、手环甚至 AR/VR 设备，对于压力传感器而言都具有广阔的发展前景。以智能手表为例，Google-Fitbit 采用了 Qorvo 的方案，从而取代了手表中的机械开关、旋钮或滑块，可以使手表防水性能更高。

不过 Will 也提到，目前针对智能手表，是否取消机械按键还存在着许多争论，如对于手表的审美认知，或者心率测量等功能，无法取代机械按键。但至少对于可穿戴设备中的电容触控方案来说，压力传感器是完全可以胜任的，而且支持水下/潮湿等环境，使其可以有更好的体验。

生产力工具的体验提升

压力传感器还非常适合生产力工具。同样以 Apple 为例，其笔记本一直采用了 Force Touch 技术，并被客户广泛认可，如今这一技术正受到更多品牌商的青睐。

另外则是对于生产力应用的平板电脑，以及手写板等，压力传感器都可以凭借高阶细腻的Z轴响应，仿真出类似“画笔”等功能。

汽车将是另外一个爆发点

Qorvo 也表达了对汽车市场的关注。作为唯一一家通过车规级认证的压力传感器供应商，其产品已广泛应用在包括特斯拉、吉利、奇瑞等车型中，并且通过了包括 Valeo、延锋以及均胜三家 Tier1 供应商的 PPAP 认证。

其应用场合包括了车门、多功能方向盘、中控等，其中仅特斯拉一辆车上，就采用了 10 余颗压力传感器。尤其是随着“给手机装上轮子”这一概念的深化，我们看到汽车驾驶室内部，无论是仪表盘，主控屏、中控盘甚至副驾屏都在朝向更多更大的方向发展，机械按钮和旋钮正逐渐被液晶屏上的虚拟按键所取代。这种变化下，汽车驾驶舱由上世纪像飞机驾驶舱一样被机械按键、旋钮及指示灯所包围，转变为以更友好更灵活且更简洁的处处都是屏幕的方式呈现，这给汽车 HMI 带来了远超手机市场的需求，也让压力传感器有更多的可施展空间。

高品质是体验的基础

最后，但不是最不重要的，产品的可靠性是一切用户体验的基础。不必说在飞驰的公路上无法通过准确按键命令汽车，即便是在打游戏时，一个不必要的触摸失误，也会令玩家感到沮丧。

从系统层面而言，压力传感器技术天然就比传统按钮甚至电容、电阻、超声波等技术更直接也更可靠，并且不分材质，且不易受到外界干扰，从而使系统鲁棒性更强。

而就芯片本身而言，Qorvo 的压力传感器可以持续使用 1000 万到超 1 亿次循环，传统按键的寿命仅为 20 万到 50 万次。此外，在 Qorvo 已成功出货的数千万颗级产品，实现了 0 现场故障率，也证明了 MEMS 压力传感器的可靠性。Qorvo 产品支持防水、防尘、防冰，并且可工作在高低温各种环境中。其车规级版本也通过了 AEC-Q100 的认证。

压感与 HMI 的未来

在当今快节奏的世界中，人们正在寻找为生活及工作提供运行顺畅、节省时间并最终提高舒适度及可操作性的产品和服务，这就需要更直观、更自然的人机交互体验，并且不会受到各种干扰。此外，考虑到后疫情时代，也会对非接触式的人机交互有着更多需求。这些都对 HMI 和传感器带来了差异化的需求挑战。

一方面语音交互、人脸识别、手势识别等新兴技术的增长，正在变革人机交互体验，同时，相对传统的触控技术，也正在随着 Qorvo 等创新压力传感器的提供，从而不断改进，以应对未来。

正如 Will 所说：“Qorvo 的压力传感器还可应用于各种新兴技术，如睡眠监测、机器人、家用电器等，对于 Qorvo 而言，技术的限制只取决于工程师的想象力。”