超越触屏时代:MEMS 超声波将「听见」你的手势

超越触屏时代:MEMS 超声波将「听见」你的手势

编者按:David Horsley 是加州大学机械与航空航天系的教授,Chirp Microsystems 的联合创始人兼首席技术官,他发明并设计了低功耗 3D 传感器。本文是他对压电手势控制的专栏文章,雷锋网编译,未经许可不得转载。

今天,我们通过触摸来控制我们的电子世界——点击、滑动、五指并拢又缩放。

如果你回顾 2007 年,在当时触摸屏还是一个新生事物,从最初苹果公司将这项技术运用到 iPhone 中开始,这种技术只用了不到十年就顺利普及。当屏幕不会对他们的手指做出回应时,连一个宝宝就会知道“显示器坏掉了”。

但是,触摸不是这个故事的终结。你不可能淋浴时使用触屏,不能在眼镜上安上触屏,也不能靠在平板上滑动或捏屏幕去探索虚拟世界。

如果我们乘坐时光机来到 2020 年,我预测在那时会有一些手机和平板会使用触屏,但不会太多。你将会通过在可穿戴设备上扫描手指以记录晨跑时间。嵌于设备里的微型超声波收发器可以检测到你指尖的动作,识别你的手势,并为你播放你最喜欢的音乐。当你晨跑结束后,如果在洗澡时你的手机响了,你只需将胳膊从浴帘里伸出来,手掌放在手机屏幕的上方,你就可以接电话了。而在驱车前行时,导航警报和收到的短信可能会使你分心,这时候你只需轻轻地摇头,无关的信息就可以突然噤声。

由于在 MEMS(微电子机械系统)上的重大突破,一个手势动作的魔幻世界将要来临。

基于手势的屏幕的背后的逻辑其实很简单:人类演变到使用手与环境相互交流,所以手势动作对于我们每个人都很自然。虽然语音识别这几年得到显著地改善,可是它发出的语音口令并不总合时宜,而为了唤醒设备而必备的关键短语则增加了操作的难度。比如在私家车里,你可以通过语音指令来控制音频,但是首先你必须按下一个按钮来激活声音控制,然后按顺序发出三个独立的语音指令:「收音机」,「音量」,「高」。这可不像按一个音量按钮那么简单,但手势控制可以如此简单——甚至更简单:你不必去寻找音量按钮;只要在收音机前摆动手就可以了。

虚拟现实和增强现实技术都给触摸屏和语音识别的局限性提供了鲜活的例子。毕竟,我们不能通过触摸屏和语音控制来使自己一边沉迷其中,一边还要进行操作:「好的」,「谷歌」,「挥剑」。

摄像头可能是能执行基于手势功能的最佳入口,因为每个笔记本电脑,平板电脑和智能手机上都有摄像头。但是如果你意识到摄像头一直开着,大部分人其实会感到不舒服的。(一张扎克伯格照片最近传得挺凶,照片里,小扎的笔记本电脑摄像头是用胶布贴着的)虽然捕获视频对于追踪手势动作很有必要,但是耗电量极大:Google Glass 的用户表示,拍摄视频状态下产品只能续航 30 分钟。

此外,摄像头的软肋在于它只能捕获二维图像,而且很难将用户的手和复杂的光学背景分开。如果你曾要进行平行停车或用后视镜时,错误判断过后方车辆的距离,你想必就会对这一点深有体会。

而我们还得把计算成本考虑在内。就算是功能强大的微软 Xbox,很多开发者还是会选择禁用 Kinect ——即红外追踪手势——因为后者的图像处理比重达到了算力的 10% 。

不过近几年,还是有很多执行无摄像机的手势感应技术获得了成效,其中最受关注的是三大技术是:雷达、光学红外及超声波。

在谷歌 I/O 2015开发者大会上, ATAP团队曾展示了工作在60GHz毫米波频段下的可穿戴智能雷达芯片 Soli,它能实时检测双手及手指的细小动作,而该模块的功耗是 54mW,这是对智能手表来说是一个重大的突破,按照谷歌的计划,该雷达芯片的功耗还会降低一个数量级。

光学传感器是另一种手势交互的呈现方式。

基于廉价的红外线半导体的红外探测器已经应用于智能手机中的近距离传感器中——也就是说,当你把耳朵靠近电话打电话时,你的智能手机会“懂得”此时并不是你用手指在触碰屏幕。这些近距离传感器测量从周围物体反射回来的红外线强度。因为这些反射回来的红外线的强度取决于物体的大小和颜色,它提供了粗略距离的测量,但用来测量手机是否靠近了脑袋,还是绰绰有余的。

一些更新的红外探测器依赖于飞行时间的测量而不是光线强度。这些设备会更加精准,但是想要探测到光线的飞行时间需要宽带接收器,因此造成了功耗增加所带来的费用。最新的红外飞行时间探测器来自意法半导体的微电子,能以 20mW的功率实现每秒十个样本的测量 。

所有的红外探测器都要与其他红外线资源竞争,比如卤素灯和日光。一个供应商的红外飞行时间探测器能探测室内两米的范围,虽然在室外阴天的情况下会减少到五十厘米。它在大太阳底下的表现就很普通了,大概是因为它根本不能在那种条件下工作吧。

那么现在我们来聊聊超声波。当我们年纪还小的时候就知道,蝙蝠和海豚使用超声波回声定位。有意思的是,大部分的蝙蝠和海豚并不是全盲的。相反地,它们利用超声波来完善视野,使它们能够确定猎物的大小,范围,位置和速度。他们发出高频声波脉冲再听回声,来进行飞行时间的测量。在空气中,回声从距离两米的目标处返回需要十二毫秒,对于追踪快速移动的目标来说,这个时间里程已经很短了,对于分开许多回声声波而不要求很多处理带宽也是足够长的。

超声波测距已在人类世界存在超过一百年了,但是它依旧依赖于压电式传感器,这种传感器与石英换能器没有什么不同,由 Paul Langevin 于 1917 年第一次展示,作为第一次世界大战时期法国反潜艇行动的一部分。从那以后,超声波被广泛使用于海上应用(从小型游船到核潜艇),在医学上应用于无损检测,也应用于汽车行业,有迷人之处( Tesla 的自动驾驶仪),也很常见(停车距离传感器)。

可是,迄今为止,超声波并没有广泛应用于家用电子产品中。一个遗漏的原因是固态集成电路技术对于无线电频率和红外传感器(在 TI 的 Jack Kilby 发明了集成电路后不久,第一个红外线半导体在 1962 年被 Texas Instruments 公司商业化)有很大的影响,这几年超声波传感器的材料和设计并没有什么大的改变。但是,MEMS 声音换能器近来的革新可以使超声波应用于商业市场。

MEMS 技术给微型麦克风领域带来了极大的飞跃。声学 MEMS 的组件在 2003 第一次进入手机市场,那时畅销的摩托罗拉 Razr 手机采用了诺尔斯声的 MEMS 的麦克风。而现在的 MEMS 麦克风,相比较于传统的驻极体电容传声器则更小一些,消耗更少的电能,也包含了更多机载信号处理——几乎存在于所有的智能手机中。这种麦克风目前由 Akustica, Cirrus Logic, Infineon, InvenSense, Knowles, STMicroelectronics 等公司生产。

一些公司已经开始开发 MEMS 麦克风可以接受近音超声波声带的能力。虽然制造商的数据规定了音频频段的性能(高达大约 20KHz),但这些麦克风里的 MEMS 传感器经常有能接受高于这种频率两倍的信号的能力。

第一次打入大众消费市场的基于 MEMS 的超声波应用是高通的 Snapdragon 数字笔,已应用在惠普平板电脑中。2012 年高通公司收购了以色列超声波技术公司 EPOS Development 技术后,采用了这项技术。超声针可以在离平板表面一段距离处进行追踪,允许用户在邻近的记事本上写字。

另一个应用于消费市场的超声波革新的事例是一个叫做 Beauty 的产品,今年由挪威的 EllipticLabs 推出。Beauty 是一种纯软件超声法,它用智能手机里的耳机和 MEMS 里的麦克风替代红外接近传感器来检测手机是否靠近了你的耳朵,以便禁用手机屏幕和显示器。

这些早期的消费超声波的应用使用了传统的 MEMS 麦克风,这些麦克风接收信号功能良好。但是,这些麦克风基于电容传感器,不适于在空气中传播超声波。

电容性麦克风传感器由两个电容极板构成---背板和隔膜---由一个很小的气隙隔开(近似一微米宽)。这种类型的传感器是当薄膜因入射声波发生弯曲时引起的电容发生变化来接受声音。通常,这都是麦克风的工作---接收声音。它们可以通过颠倒这个进程来传播声音,使薄膜弯曲从而制造声波。

这里的问题是,一个好的接收器要求背板和薄膜间的气隙很小。这是因为声音灵敏度反比于气隙平方,所以气隙每增加三倍因数,灵敏度就相应地减小九倍因数。虽然小气隙有利于接受声音,但他们对声音传播造成问题,因为小气隙限制了膜位移也因此限制了可以传播的最大声压等级(SPL)。

SPL 与周围介质—-空气中的声阻抗,膜位移的频率和振幅成正比。电容传感器,例如电容微型电机超声传感器(CMUTS),在周围介质是液体环境下的医疗应用中工作良好,频率高达好几兆赫兹,高电压以驱动传感器。

但是,高频声波会在空气中迅速减弱,吸收损失从 40KHz 1 分贝每米增加到 800KHz 100 分贝每米。因此,空气耦合式超声传感器通常的工作频率为 40KHz 到 200KHz。在这些频率下,由于空气中的声阻抗比液体中低很多,所以超声传感器必须进行大于一微米的震动来传播足够声压等级的声波从而可以测得比传感器还远几厘米的物体的回声。能够具有这种震动振幅的 CMUTS 要求大气隙,因此需要高电压(高于 100V)来运行。

所以这也是灵敏接收器的低压装置中生产高压声波,要求膜位移不会被周围的背板所限制。

Curie 兄弟在 1880 年第一次发现压电现象,指的是一些材料在发生形变时会产生电荷的能力。在一个压电式微型机械超声传感器中(PMUT),这种形变使得一个入射超声压力波转换成电信号。PMUT 使用逆压电效应传播超声。也就是说,电场提供压电材料造成 PMUT 的薄膜发生机械形变,从而发射超声波。因为 PMUT 没有背板,所以没有一个硬停止来限制薄膜位移。

压电 MEMS 装置就像 PMUT 一样依赖于薄膜压电材料,通常通过在化学溶液或烟雾的沉积中制造。二十年前,薄膜压电材料可以沉积在这两种方法中的任何一种,这种材料不具有跟陶瓷体积等同物相同的性质;对于压力和压电系数这种膜性质不好被控制,并且沉积过程不能重复。但是有一些例如喷墨打印头和射频滤波器这种关键应用,调查人员和设备制造商用两个材料已经解决了这个问题:PZT(锆钛酸铅)和 ALN(氮化铝)。制造商主要将 PZT 用于传统的超声传感器。

由加州大学伯克利分校年代传感器和执行器中心许可的 PMUT 技术,笔者作为联合创始人创立的公司,Chirp Microsystems,正在开发用于基于超声的用户接口的收发器。

从外观上来看,Chirp 的超声收发器与 MEMS 的麦克风一模一样。从内部来看,此收发器包含了一个 PMUT 芯片,该芯片与定制的超低功耗的芯片和集成电路混合信号协同合作,共同控制所有的超声信号处理,允许飞行时间传感器可以在没有外部处理器的监管下工作。因此,传感器使用很少的电能:一次飞行时间测量大概消耗 4 微焦耳,描绘出低抽样率下的电流微安单位数。这可与大众健身追踪器里的计步器所使用的处于持续开启状态的 MEMS 加速器的功耗相当。

一个物体的三维空间,比如手或是指尖,可以被至少三个传感器利用三边测量法准确测定出飞行时间,类似于 GPS 从星座和人造卫星群中准确找出它的位置的方式。在 Chirp 的系统中,一个低功耗的微型控制器与三边测量法协同操作,作为传感器运行中枢。因为所有的超声信号处理都发生在单个传感器中,所以中枢区只需进行最小的计算,读取不同的传感器的飞行时间,并通过三边测量法计算出最近的目标的三维坐标。

Chirp 在 2016 年 CES 技术展上举行了第一次超声手势感应的公开展示。这个公司现在正在与几个制造商合作研发能在可穿戴的装备上实现超声手势感应,在虚拟现实和游戏控制器上实现超声控制器追踪。我们期望能在 2017 年底销售部分产品。Chirp 是目前唯一一家将 PMUT 商业化并用于空气耦合式超声的公司;但是,一些公司正在研究使 PMUT 用于别的目的。比如,初创公司 Exo System 致力于研究一种使用了大型 PMUT 阵列的便携式医疗超声系统,惯性传感器制造商 InvenSense 在 2015 年底发布声明说公司将于 2017 年推出基于 PMUT 的超声指纹传感器,商品名为 UltraPrint。

低功耗,基于 MEMS 的压电超声波将会改变消费电子设备的世界。例如手表、手机这些简单的设备,当它们被放到手提袋或口袋里,或者是被袖子挡住,或者是在需要时开启了唤醒模式,这时可以运用超低功耗的超声波通过处于常开状态的感应器来进行情景感知,进入到低功耗模式不停地探测它们周围的环境。房间和汽车可以感应到我们的存在,响应用户喜欢的娱乐,灯光,而并不使用侵入式监视器。平板电脑,娱乐系统,甚至是灯的开关都可以体现出基于手势的自然界面,通过简单地动作来提供直观的控制。

我们觉得,如果到了设想的 2020 年,还只有亿分之一的产品能实现物联网,我们就需要去寻找一个更好的办法来与这个世界沟通,而不是单单通过声音和触摸。

讽刺的是,当这种直观手势的用户界面进入到我们的日常生活中,我们应该会很快忘记它的存在。我们会无意识地拨动手指让手机静音,用手指划过手腕来发短信,或者是摇摆以换应用软件。在房间里的某个地方,在桌子上,或是你身体的某处,一个微型超声传感器正在拼命干活,推动我们周围懒惰的空气分子,从那些未使用的超声频谱中挤出一些有用的信息。

via IEEE

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