當(dāng)今世界人們依靠觸摸方式進(jìn)行打字、點(diǎn)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(shè)計(jì)，在近十年內(nèi)幾乎成了無處不在的應(yīng)用。它是如此的普遍，就連幼兒發(fā)現(xiàn)非觸摸屏對(duì)自己的小指頭沒有反應(yīng)時(shí)，都會(huì)感到奇怪。然而，觸摸屏并非故事的結(jié)束。當(dāng)你在洗澡時(shí)你無法使用;當(dāng)你戴著一副“觸摸屏”智能眼鏡在眼睛前，你將無法通過滑動(dòng)和捏放等觸摸手持操作來享受虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)。
我們預(yù)測(cè)到2020年，觸摸屏還會(huì)在一些手機(jī)和平板電腦上使用，但不會(huì)增加太多。對(duì)健身手環(huán)輕輕揮動(dòng)下手指，你的晨跑就開始了，內(nèi)嵌在手環(huán)中的MEMS超聲波接收器可以感知并識(shí)別你的指尖動(dòng)作，為你打開你最喜歡的音樂。晨跑結(jié)束后，洗澡過程中手機(jī)響了，只需要從浴室里伸出一只胳膊，用手掌在手機(jī)顯示屏上揮動(dòng)下便可以接聽。接下來，開車途中，各種導(dǎo)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(shù)的突破，神奇的手勢(shì)識(shí)別世界即將來到。
基于手勢(shì)界面的邏輯其實(shí)很簡(jiǎn)單：人類進(jìn)化到現(xiàn)在，用手與環(huán)境進(jìn)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(shí)別有了很大的提高，但它并不適用口語命令，而是需要關(guān)鍵短語(如“您好，谷歌”)等簡(jiǎn)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(gè)按鈕激活語音控制，然后你說出三個(gè)語音命令序列：“廣播”、“音量”、“開啟”。一個(gè)一個(gè)地按按鈕不是一件容易的事，手勢(shì)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(jī)前揮動(dòng)你的手。
虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)是觸摸界面和語音識(shí)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(yàn)。
相機(jī)似乎是實(shí)現(xiàn)基于手勢(shì)用戶界面最容易的方式，因?yàn)槊恳粋€(gè)筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)都帶有攝像頭。但大多數(shù)人對(duì)個(gè)人電子產(chǎn)品有“常開”的攝像頭感到不舒服(最近互聯(lián)網(wǎng)上流傳了一張照片顯示臉譜網(wǎng)創(chuàng)始人馬克?扎克伯格的筆記本電腦的攝像頭被遮擋了)。手勢(shì)跟蹤需要視頻捕獲，是非常耗電的。谷歌眼鏡的用戶曾報(bào)告說，只錄制30分鐘的視頻，電量就下降很多了。
相機(jī)還有個(gè)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(fù)雜的光學(xué)背景中識(shí)別出來。如果你曾經(jīng)用你的后視鏡進(jìn)行平行停車時(shí)出現(xiàn)過誤判，你會(huì)同意僅靠視覺判斷是很難的。
使用圖像的計(jì)算成本也是需要考慮的。即使是強(qiáng)大的微軟Xbox，許多開發(fā)商也接受了禁用軟件來支持Kinect。Kinect跟蹤運(yùn)動(dòng)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(xiàn)一些不涉及照相機(jī)的手勢(shì)感知技術(shù)，主要是雷達(dá)、光學(xué)紅外和超聲波。
谷歌已經(jīng)開發(fā)出一個(gè)旨在用于手勢(shì)感知的小型60 GHz雷達(dá)系統(tǒng)，取名為Soli項(xiàng)目。Soli最新的項(xiàng)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(shí)際上對(duì)智能手表來講功能相當(dāng)大。為了讓雷達(dá)成為主要交互界面，谷歌不得不將功耗再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。谷歌建議這款界面的應(yīng)用頻帶為60 GHz，以基于IEEE 802.11ad標(biāo)準(zhǔn)(或者稱WiGig)的形式，會(huì)在通信網(wǎng)絡(luò)中顯得非常擁擠。
光學(xué)傳感器則是用于手勢(shì)界面的另一種方式。
如今，基于低成本紅外發(fā)光二極管的紅外傳感器已經(jīng)被智能手機(jī)用作接近傳感器，這是當(dāng)你把手機(jī)放在耳朵旁時(shí)手機(jī)知道要關(guān)閉觸摸屏。接近傳感器測(cè)量出從附近物體反射的紅外光強(qiáng)度，反射強(qiáng)度取決于物體的大小和顏色。盡管可以告訴用戶是否已經(jīng)接近你的頭部，用于手機(jī)這已經(jīng)足夠好了，但距離測(cè)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(shí)間測(cè)量，而不是光的強(qiáng)度。這樣更準(zhǔn)確，但檢測(cè)紅外光飛行時(shí)間需要一個(gè)寬帶接收器，因此會(huì)增加功耗。以意法半導(dǎo)體公司(STM)最新的紅外激光發(fā)射器為例，選取10個(gè)樣本測(cè)量，測(cè)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?zé)艉腿展?。一個(gè)令人印象深刻案例是，某供應(yīng)商的紅外激光發(fā)射器在室內(nèi)的測(cè)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(shù)據(jù)，這大概是傳感器不會(huì)在這種環(huán)境下工作吧。
現(xiàn)在談?wù)劤暡?。?dāng)我們還是孩子時(shí)就了解到蝙蝠和海豚用超聲波回聲定位。奇怪的是，大多數(shù)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(bǔ)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(fā)射高頻聲波脈沖和接收回波來進(jìn)行飛行時(shí)間的測(cè)量。在空氣中，回聲從2米遠(yuǎn)的目標(biāo)返回的時(shí)間約12毫秒，時(shí)間短到足夠超聲波跟蹤快速移動(dòng)的目標(biāo)，這個(gè)時(shí)間又長(zhǎng)到可以不依靠大量的帶寬處理就分割成多個(gè)回波。
 
你的手機(jī)接下來會(huì)發(fā)生什么?Chirp Microsystems公司生產(chǎn)的這種三維空間手勢(shì)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(cè)距在人類世界已經(jīng)有100多年歷史。自第一次世界大戰(zhàn)期間法國反潛行動(dòng)的一部分——Paul Langevin于1917年首次展示石英傳感器后，超聲波測(cè)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(shí)起，超聲波已被廣泛應(yīng)用于從小型游艇到核潛艇的海洋應(yīng)用，醫(yī)學(xué)方面的無損檢測(cè)應(yīng)用，在汽車上可以增加獨(dú)具魅力的應(yīng)用(如特斯拉的自動(dòng)駕駛儀)和常用功能(如停車測(cè)距傳感器)。
然而，到目前為止，超聲波傳感器在消費(fèi)電子產(chǎn)品中并沒有得到太多的應(yīng)用。未普及的原因之一是：雖然固態(tài)集成電路技術(shù)對(duì)射頻和紅外傳感器產(chǎn)生了巨大的影響(第一個(gè)商業(yè)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(fā)明了集成電路)，但超聲波換能器的設(shè)計(jì)和材料這么多年來變化卻不大。不過，最近在MEMS聲學(xué)傳感器的創(chuàng)新涌現(xiàn)，超聲波在消費(fèi)世界得到應(yīng)用非常有希望。
MEMS技術(shù)在微型麥克風(fēng)領(lǐng)域已經(jīng)引起了很大的轟動(dòng)。2003年，當(dāng)流行的摩托羅拉Razr手機(jī)首次使用樓氏聲學(xué)MEMS麥克風(fēng)，標(biāo)志著聲學(xué)MEMS器件首次進(jìn)入手機(jī)市場(chǎng)。如今，MEMS麥克風(fēng)比傳統(tǒng)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(hào)處理單元，幾乎所有的智能手機(jī)有配有MEMS麥克風(fēng)。Akustica公司、凌云科技(Cirrus Logic)、英飛凌(Infineon)，應(yīng)美盛(InvenSense)、樓氏電子(Knowles)、意法半導(dǎo)體(STM)等公司都是MEMS麥克風(fēng)的主要生產(chǎn)廠家。
最近，一些公司已經(jīng)開始研發(fā)MEMS麥克風(fēng)接收接近音頻帶超聲波的能力。而制造商的數(shù)據(jù)表中表明音頻性能約20千赫，這些麥克風(fēng)的MEMS芯片往往能夠接收頻率為其兩倍的信號(hào)。
大眾消費(fèi)市場(chǎng)首款基于MEMS技術(shù)的超聲波應(yīng)用來自高通的驍龍數(shù)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(shù)公司EPOS獲得此技術(shù)。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(gè)消費(fèi)類超聲波創(chuàng)新應(yīng)用來自挪威的Elliptic Labs今年推出的名為“Beauty”產(chǎn)品?，F(xiàn)有接近傳感器主要作用是手機(jī)接近耳朵時(shí)手機(jī)知道要關(guān)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(fèi)類超聲波應(yīng)用通常采用MEMS麥克風(fēng)做超聲波信號(hào)接收器。然而，這些麥克風(fēng)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(fā)聲。在MEMS電容超聲傳感器(CMUT)中，底部電極拉動(dòng)頂部電極發(fā)射超聲波脈沖，但底部電極限制膜的運(yùn)動(dòng)(左圖)。在一個(gè)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(dòng)空間(右圖)。
電容式MEMS麥克風(fēng)由兩個(gè)電容器板——背板和膜組成，由微米級(jí)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(huì)引起電容變化。通常情況下，這是所有的麥克風(fēng)接收聲音的方式，但它們可以通過這個(gè)逆過程使膜發(fā)射聲波。
這里的問題是一個(gè)好的接收器需要膜和背板之間空氣間隙很小，因?yàn)榻邮掌鞯穆晫W(xué)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(gè)問題，那就是限制了膜的位移距離，從而降低了最高聲壓級(jí)(SPL)。SPL與聲波周圍介質(zhì)(空氣)的聲阻，膜的運(yùn)動(dòng)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(yī)療應(yīng)用時(shí)，周圍的介質(zhì)是液體，超聲頻率大于幾兆赫，需要高壓驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)幅度超過1微米才能在一個(gè)聲壓級(jí)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(cè)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(yùn)行。
因此在一個(gè)低電壓器件中產(chǎn)生高壓聲波，也就是靈敏的接收器，需要振動(dòng)膜的位移不受背板的限制。
答案就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)在1880年由居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)，指某些材料發(fā)生機(jī)械變形會(huì)產(chǎn)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(zhuǎn)換將入射超聲壓力波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。PMUT傳輸超聲波運(yùn)用的是壓電效應(yīng)。當(dāng)電場(chǎng)施加在PMUT，壓電材料的膜發(fā)生機(jī)械變形，從而發(fā)射超聲波。PMUT沒有背板，不會(huì)阻擋膜的運(yùn)動(dòng)。
壓電MEMS器件如PMUTs依靠壓電薄膜，它通常是化學(xué)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(tài)的特性不同，薄膜的應(yīng)力和壓電系數(shù)很難控制，且沉積過程是不可重復(fù)的。但受惠于一些關(guān)鍵應(yīng)用如噴墨打印頭和射頻濾波器，研究人員和設(shè)備制造商已經(jīng)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(dāng)今，制造商在傳統(tǒng)的超聲換能器制造通常使用PZT。
 
通過測(cè)量一個(gè)聲音的飛行時(shí)間確定一個(gè)物體的位置。三次飛行時(shí)間測(cè)量從三個(gè)維度定位對(duì)象。
Chirp Microsystems公司的PMUT技術(shù)來自加利福尼亞大學(xué)的伯克利傳感器和執(zhí)行器中心授權(quán)，正在開發(fā)基于超聲波界面的用戶接口收發(fā)器。
從外觀來看，Chirp Microsystems的超聲波收發(fā)器和MEMS麥克風(fēng)相同。器件內(nèi)部包括PMUT芯片和定制超低功耗混合信號(hào)IC，用于管理所有的超聲信號(hào)處理，即使沒有外部處理器的監(jiān)控也能運(yùn)行。因此，傳感器的功耗非常低，一次測(cè)量的消耗約4微焦耳，低采樣率時(shí)電流為微安級(jí)。這相當(dāng)于用于全民健身計(jì)步器的MEMS加速度計(jì)一直在線時(shí)的功耗。
一個(gè)物體的三維位置，如手或手指，可以由至少三個(gè)傳感器并結(jié)合使用一種稱為三邊測(cè)量法是算法確定飛行時(shí)間，類似于一個(gè)GPS接收機(jī)從衛(wèi)星星座接收位置的方法。在Chirp的系統(tǒng)中，有一個(gè)低功耗的微控制器，作為傳感器中樞來配合三邊測(cè)量。因?yàn)槊總€(gè)傳感器處理一邊的超聲波信號(hào)，傳感器中樞只需要用最小的計(jì)算量讀取每個(gè)傳感器的飛行次數(shù)，通過三邊測(cè)量法計(jì)算出最近目標(biāo)的三維坐標(biāo)。
Chirp在2016年CES技術(shù)展覽會(huì)上首次公開展示其超聲波手勢(shì)感知技術(shù)。該公司目前正在與多家制造商合作，以實(shí)現(xiàn)在可穿戴設(shè)備的超聲波手勢(shì)感知和超聲波控制器跟蹤在虛擬現(xiàn)實(shí)和游戲機(jī)的應(yīng)用，希望這些產(chǎn)品能在2017年底上市銷售。Chirp是目前唯一一家擁有商業(yè)化的空氣耦合超聲波PMUTs的公司，但還有一些公司正在開發(fā)其他用途的PMUTs。例如，初創(chuàng)公司eXO System正在開發(fā)大PMUT陣列用于便攜式醫(yī)療超聲系統(tǒng)，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(shù)將改變未來消費(fèi)電子世界。采用超低功率超聲波技術(shù)的簡(jiǎn)單電子設(shè)備，如手機(jī)和手表，能通過實(shí)時(shí)在線感知實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的感知。當(dāng)被放置在錢包里、口袋里、袖套時(shí)能進(jìn)入低功耗模式，需要時(shí)可立刻喚醒。房間和車輛可以感覺到我們的存在，根據(jù)用戶的娛樂、照明和信息喜好進(jìn)行響應(yīng)，且無需安裝煩人的相機(jī)。平板電腦、娛樂系統(tǒng)，甚至光開關(guān)都可以采用基于手勢(shì)的界面，通過簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)提供直觀的控制。如果物聯(lián)網(wǎng)將實(shí)現(xiàn)數(shù)以百億計(jì)的智能設(shè)備連接，那么2020年，我們更需要一個(gè)比語音和觸摸更好的方式來與這個(gè)世界的互動(dòng)。
具有諷刺意味的是，當(dāng)這種直觀的手勢(shì)用戶界面進(jìn)入我們的日常生活時(shí)，我們都會(huì)很快忘記它的存在。我們會(huì)不自覺地?fù)]揮手讓手機(jī)靜音，用手指在手腕刷一下上發(fā)送文本，或揮揮手切換應(yīng)用程序。在房間的某個(gè)地方，在桌子上，或者在你身體的某個(gè)地方，一個(gè)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。