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MEMS壓電超聲波傳感器開啟手勢交互時代
來源: | 作者:左純 | 發布時間: 1970-01-01 | 1083 次瀏覽 | 分享到:
當今世界人們依靠觸摸方式進行打字、點擊、捏拉縮放,以控制我們的電子世界。2007年,蘋果公司推出的iPhone首次采用了電容式觸摸屏這款新穎的設計,在近十年內幾乎成了無處不在的應用。它是如此的普遍,就連幼兒發現非觸摸屏對自己的小指頭沒有反應時,都會感到奇怪。然而,觸摸屏并非故事的結束。

當今世界人們依靠觸摸方式進行打字、點擊、捏拉縮放,以控制我們的電子世界。2007年,蘋果公司推出的iPhone首次采用了電容式觸摸屏這款新穎的設計,在近十年內幾乎成了無處不在的應用。它是如此的普遍,就連幼兒發現非觸摸屏對自己的小指頭沒有反應時,都會感到奇怪。然而,觸摸屏并非故事的結束。當你在洗澡時你無法使用;當你戴著一副“觸摸屏”智能眼鏡在眼睛前,你將無法通過滑動和捏放等觸摸手持操作來享受虛擬現實(VR)。
我們預測到2020年,觸摸屏還會在一些手機和平板電腦上使用,但不會增加太多。對健身手環輕輕揮動下手指,你的晨跑就開始了,內嵌在手環中的MEMS超聲波接收器可以感知并識別你的指尖動作,為你打開你最喜歡的音樂。晨跑結束后,洗澡過程中手機響了,只需要從浴室里伸出一只胳膊,用手掌在手機顯示屏上揮動下便可以接聽。接下來,開車途中,各種導航提示、文本信息都可能分散你的注意力,彈彈你的手就拒收這些消息。
受惠于壓電式MEMS技術的突破,神奇的手勢識別世界即將來到。
基于手勢界面的邏輯其實很簡單:人類進化到現在,用手與環境進行交互,這所有人來說是一件很自然的事。雖然最近幾年的語音識別有了很大的提高,但它并不適用口語命令,而是需要關鍵短語(如“您好,谷歌”)等簡單的控制。例如,在一些汽車,你可以控制聲音的音頻,但首先你必須按下一個按鈕激活語音控制,然后你說出三個語音命令序列:“廣播”、“音量”、“開啟”。一個一個地按按鈕不是一件容易的事,手勢控制可以讓其變得容易,或者說更容易些——你不需要找到按鈕,只是在收音機前揮動你的手。
虛擬現實(VR)和增強現實(AR)是觸摸界面和語音識別局限性的鮮活例子。畢竟使用觸摸屏或語音命令“好吧,谷歌,揮劍”無法給予操作者身臨其境的體驗。
相機似乎是實現基于手勢用戶界面最容易的方式,因為每一個筆記本電腦、平板電腦和智能手機都帶有攝像頭。但大多數人對個人電子產品有“常開”的攝像頭感到不舒服(最近互聯網上流傳了一張照片顯示臉譜網創始人馬克?扎克伯格的筆記本電腦的攝像頭被遮擋了)。手勢跟蹤需要視頻捕獲,是非常耗電的。谷歌眼鏡的用戶曾報告說,只錄制30分鐘的視頻,電量就下降很多了。
相機還有個根本性的問題,就是只能捕獲二維圖像,使得它難以把用戶的手從復雜的光學背景中識別出來。如果你曾經用你的后視鏡進行平行停車時出現過誤判,你會同意僅靠視覺判斷是很難的。
使用圖像的計算成本也是需要考慮的。即使是強大的微軟Xbox,許多開發商也接受了禁用軟件來支持Kinect。Kinect跟蹤運動使用了紅外攝像頭,其可以訪問Kinect專用圖像處理的10%圖形處理單元。
近些年,出現一些不涉及照相機的手勢感知技術,主要是雷達、光學紅外和超聲波。
谷歌已經開發出一個旨在用于手勢感知的小型60 GHz雷達系統,取名為Soli項目。Soli最新的項目可以用于智能手表,聲稱功耗為54毫瓦,看起來微不足道,但實際上對智能手表來講功能相當大。為了讓雷達成為主要交互界面,谷歌不得不將功耗再降低一個數量級。谷歌建議這款界面的應用頻帶為60 GHz,以基于IEEE 802.11ad標準(或者稱WiGig)的形式,會在通信網絡中顯得非常擁擠。
光學傳感器則是用于手勢界面的另一種方式。
如今,基于低成本紅外發光二極管的紅外傳感器已經被智能手機用作接近傳感器,這是當你把手機放在耳朵旁時手機知道要關閉觸摸屏。接近傳感器測量出從附近物體反射的紅外光強度,反射強度取決于物體的大小和顏色。盡管可以告訴用戶是否已經接近你的頭部,用于手機這已經足夠好了,但距離測量能力還是較弱的。
較新一代的紅外傳感器依靠紅外光的飛行時間測量,而不是光的強度。這樣更準確,但檢測紅外光飛行時間需要一個寬帶接收器,因此會增加功耗。以意法半導體公司(STM)最新的紅外激光發射器為例,選取10個樣本測量,測試的平均功耗是20毫瓦。
所有的紅外傳感器都要與其它存在的紅外光源“抗衡”,如鹵素燈和日光。一個令人印象深刻案例是,某供應商的紅外激光發射器在室內的測試范圍為2米,換到陰沉沉的戶外就減少到僅50厘米。而在烈日下的性能則沒有數據,這大概是傳感器不會在這種環境下工作吧。
現在談談超聲波。當我們還是孩子時就了解到蝙蝠和海豚用超聲波回聲定位。奇怪的是,大多數蝙蝠和海豚并不是完全看不見東西的,它們使用超聲波來補充他們的視野,使它們能夠確定獵物的大小、范圍、位置和速度。它們通過發射高頻聲波脈沖和接收回波來進行飛行時間的測量。在空氣中,回聲從2米遠的目標返回的時間約12毫秒,時間短到足夠超聲波跟蹤快速移動的目標,這個時間又長到可以不依靠大量的帶寬處理就分割成多個回波。
 
你的手機接下來會發生什么?Chirp Microsystems公司生產的這種三維空間手勢傳感器可利用超聲波確定物體在空間的三維位置。
超聲波測距在人類世界已經有100多年歷史。自第一次世界大戰期間法國反潛行動的一部分——Paul Langevin于1917年首次展示石英傳感器后,超聲波測距仍然依賴于壓電換能器,與石英傳感器也沒有多大的差異。從那時起,超聲波已被廣泛應用于從小型游艇到核潛艇的海洋應用,醫學方面的無損檢測應用,在汽車上可以增加獨具魅力的應用(如特斯拉的自動駕駛儀)和常用功能(如停車測距傳感器)。
然而,到目前為止,超聲波傳感器在消費電子產品中并沒有得到太多的應用。未普及的原因之一是:雖然固態集成電路技術對射頻和紅外傳感器產生了巨大的影響(第一個商業化紅外LED在1962年由德州儀器推出,不久后德州儀器的Jack Kilby發明了集成電路),但超聲波換能器的設計和材料這么多年來變化卻不大。不過,最近在MEMS聲學傳感器的創新涌現,超聲波在消費世界得到應用非常有希望。
MEMS技術在微型麥克風領域已經引起了很大的轟動。2003年,當流行的摩托羅拉Razr手機首次使用樓氏聲學MEMS麥克風,標志著聲學MEMS器件首次進入手機市場。如今,MEMS麥克風比傳統的駐極體電容傳聲器尺寸更小、功耗更低,且能集成更多的板載信號處理單元,幾乎所有的智能手機有配有MEMS麥克風。Akustica公司、凌云科技(Cirrus Logic)、英飛凌(Infineon),應美盛(InvenSense)、樓氏電子(Knowles)、意法半導體(STM)等公司都是MEMS麥克風的主要生產廠家。
最近,一些公司已經開始研發MEMS麥克風接收接近音頻帶超聲波的能力。而制造商的數據表中表明音頻性能約20千赫,這些麥克風的MEMS芯片往往能夠接收頻率為其兩倍的信號。
大眾消費市場首款基于MEMS技術的超聲波應用來自高通的驍龍數碼筆,被用于惠普HP Slate系列平板電腦。高通在2012年通過收購以色列超聲波技術公司EPOS獲得此技術。這種超聲波筆允許用戶在靠近平板電腦的紙墊上寫字,即使不接觸也可以書寫。
另一個消費類超聲波創新應用來自挪威的Elliptic Labs今年推出的名為“Beauty”產品。現有接近傳感器主要作用是手機接近耳朵時手機知道要關閉觸摸屏,“Beauty”是替代紅外接近傳感器的基于軟件的解決方案。
早期的消費類超聲波應用通常采用MEMS麥克風做超聲波信號接收器。然而,這些麥克風是基于電容式的傳感器,不適合在空氣中傳輸超聲波。
 
大彎曲理論:超聲波傳感器靠膜的伸縮發聲。在MEMS電容超聲傳感器(CMUT)中,底部電極拉動頂部電極發射超聲波脈沖,但底部電極限制膜的運動(左圖)。在一個MEMS壓電超聲波傳感器(PMUT),加電壓后底電極彎曲,給膜更多的移動空間(右圖)。
電容式MEMS麥克風由兩個電容器板——背板和膜組成,由微米級的空氣間隙隔開。這種類型的傳感器接收入射聲波聲音后,膜會引起電容變化。通常情況下,這是所有的麥克風接收聲音的方式,但它們可以通過這個逆過程使膜發射聲波。
這里的問題是一個好的接收器需要膜和背板之間空氣間隙很小,因為接收器的聲學靈敏度與空氣間距的平方成反比,換句話講,間距增加為原來的三倍,靈敏度降低為原來的九分之一。如果說減小間距以利于接收聲音,但又帶來了另一個問題,那就是限制了膜的位移距離,從而降低了最高聲壓級(SPL)。SPL與聲波周圍介質(空氣)的聲阻,膜的運動頻率和幅度三者乘積成正比。電容式傳感器,如MEMS電容超聲波傳感器(CMUTs),用于醫療應用時,周圍的介質是液體,超聲頻率大于幾兆赫,需要高壓驅動換能器。
然而,高頻超聲波在空氣中以吸收損耗從約40千赫頻段1分貝/米到800千赫頻段100分貝/米的速度迅速衰減。為此,空氣耦合超聲換能器通常工作頻段為在40到200千赫。在這個頻段,由于空氣比流體的聲阻抗要低得多,超聲波換能器必須振動幅度超過1微米才能在一個聲壓級傳播,足以保證從與傳感器有超過幾厘米的物體的回波被測量到。CMUTs要滿足這種振幅,就需求較大的空氣間距和超過100V的高電壓才能運行。
因此在一個低電壓器件中產生高壓聲波,也就是靈敏的接收器,需要振動膜的位移不受背板的限制。
答案就是壓電效應。壓電效應在1880年由居里兄弟首先發現,指某些材料發生機械變形會產生電荷的能力。在MEMS壓電超聲傳感器(PMUT),這種變形使換能器轉換將入射超聲壓力波轉換成電信號。PMUT傳輸超聲波運用的是壓電效應。當電場施加在PMUT,壓電材料的膜發生機械變形,從而發射超聲波。PMUT沒有背板,不會阻擋膜的運動。
壓電MEMS器件如PMUTs依靠壓電薄膜,它通常是化學溶液或蒸汽沉積法制作。二十年前,由這些方法沉積的壓電薄膜和其塊狀陶瓷狀態的特性不同,薄膜的應力和壓電系數很難控制,且沉積過程是不可重復的。但受惠于一些關鍵應用如噴墨打印頭和射頻濾波器,研究人員和設備制造商已經解決了這些問題。兩種壓電材料:PZT(鋯鈦酸鉛)和AlN(氮化鋁)問世。當今,制造商在傳統的超聲換能器制造通常使用PZT。
 
通過測量一個聲音的飛行時間確定一個物體的位置。三次飛行時間測量從三個維度定位對象。
Chirp Microsystems公司的PMUT技術來自加利福尼亞大學的伯克利傳感器和執行器中心授權,正在開發基于超聲波界面的用戶接口收發器。
從外觀來看,Chirp Microsystems的超聲波收發器和MEMS麥克風相同。器件內部包括PMUT芯片和定制超低功耗混合信號IC,用于管理所有的超聲信號處理,即使沒有外部處理器的監控也能運行。因此,傳感器的功耗非常低,一次測量的消耗約4微焦耳,低采樣率時電流為微安級。這相當于用于全民健身計步器的MEMS加速度計一直在線時的功耗。
一個物體的三維位置,如手或手指,可以由至少三個傳感器并結合使用一種稱為三邊測量法是算法確定飛行時間,類似于一個GPS接收機從衛星星座接收位置的方法。在Chirp的系統中,有一個低功耗的微控制器,作為傳感器中樞來配合三邊測量。因為每個傳感器處理一邊的超聲波信號,傳感器中樞只需要用最小的計算量讀取每個傳感器的飛行次數,通過三邊測量法計算出最近目標的三維坐標。
Chirp在2016年CES技術展覽會上首次公開展示其超聲波手勢感知技術。該公司目前正在與多家制造商合作,以實現在可穿戴設備的超聲波手勢感知和超聲波控制器跟蹤在虛擬現實和游戲機的應用,希望這些產品能在2017年底上市銷售。Chirp是目前唯一一家擁有商業化的空氣耦合超聲波PMUTs的公司,但還有一些公司正在開發其他用途的PMUTs。例如,初創公司eXO System正在開發大PMUT陣列用于便攜式醫療超聲系統,慣性傳感器制造商InvenSense在2015年底宣布將于2017年推出一款基于PMUT的超聲波指紋傳感器UltraPrint。
基于MEMS的低功耗壓電超聲波技術將改變未來消費電子世界。采用超低功率超聲波技術的簡單電子設備,如手機和手表,能通過實時在線感知實現對環境的感知。當被放置在錢包里、口袋里、袖套時能進入低功耗模式,需要時可立刻喚醒。房間和車輛可以感覺到我們的存在,根據用戶的娛樂、照明和信息喜好進行響應,且無需安裝煩人的相機。平板電腦、娛樂系統,甚至光開關都可以采用基于手勢的界面,通過簡單的運動提供直觀的控制。如果物聯網將實現數以百億計的智能設備連接,那么2020年,我們更需要一個比語音和觸摸更好的方式來與這個世界的互動。
具有諷刺意味的是,當這種直觀的手勢用戶界面進入我們的日常生活時,我們都會很快忘記它的存在。我們會不自覺地揮揮手讓手機靜音,用手指在手腕刷一下上發送文本,或揮揮手切換應用程序。在房間的某個地方,在桌子上,或者在你身體的某個地方,一個微小的超聲波傳感器艱難地工作著,它要從周圍懶惰的空氣分子沖出來,從我們周圍未使用到的超聲波頻譜提取出有用的信息。

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