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，神奇的手勢識別世界即將來到。
基于手勢界面的邏輯其實(shí)很簡單：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。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)間測量，而不是光的強(qiáng)度。這樣更準(zhǔn)確，但檢測紅外光飛行時(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?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(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。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。
大眾消費(fèi)市場首款基于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(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(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。PMUT傳輸超聲波運(yùn)用的是壓電效應(yīng)。當(dāng)電場施加在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)間測量從三個(gè)維度定位對象。
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(jiān)控也能運(yùn)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(shí)電流為微安級。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量。因?yàn)槊總€(gè)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(jì)算量讀取每個(gè)傳感器的飛行次數(shù)，通過三邊測量法計(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的界面，通過簡單的運(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。