从笨重的大哥大到现在的智能屏手机，手机的外观发生了翻天覆地的变化，机械按键越来越少，工艺设计也越来越极致……外观设计成为未来手机之间相互竞争的焦点。在时尚简约的外观设计追求下，如今各手机厂家在其旗舰机型上开始主打无开孔、手势识别概念，然而识别精度、误触等门槛却限制了手机外观的自由发展。

“通过3D超声波的传感器，可以取代传统设备上的机械按钮，无需进行任何物理开口，更能够实现多功能的按键的方便使用。”在近期UltraSense Systems举办的线上媒体会上，UltraSense Systems 公司联合创始人兼首席业务官Daniel Goehl表示，“现在大部分客户所追求的是虚拟按键或者数字化键，今后追求的更多是可以作用在任何的材质表面的手势识别。”

超声传感器可以取代传统机械按钮，不仅如此……

UltraSense公司于2018年4月成立，总部位于美国加州的圣何塞，在过去的两年之间获得了超10个超声感知的技术专利。据Daniel Goehl介绍，尽管公司只有三年的发展历史，但是公司的高管大部分都有长期的行业发展经验和业务经验。整个团队在传感器方面已经深耕了15年以上，团队原叫InvenSense，也创下过很多业绩第一的成绩，向行业交付了超过10亿只的运动传感器。UltraSense在2020年2月成功完成了融资，主要投资方来自包括博世、 Asahi Kasei、索尼等业界领先的公司。

UltraSense将现有的超声技术结合到触摸式人机交互界面中，形成了全球首款智能型超声传感器，产品仅有2.6mm x 1.6 mm的面积和不到1mm的厚度，达到了芯片级别。

为什么选择超声？Daniel Goehl给出解释：“因为超声是一种非常好的介质，通过超声，可以作用于任何的材质、穿透任何的厚度，并且不管你所需要的是什么样的功率，它都可以达到完美的穿透。”

针对依托3D超声波技术的TouchPoint解决方案的优势，Daniel Goehl总结了四点：

第一、  不限材质。对于一些传统的触摸式传感器，如电容式传感器，需要作用在非常薄的玻璃或者塑料的表面。超声波的传感器可以作用在任何材质上，包括铝、不锈钢、玻璃、皮毛、皮革等生活中常见的各种各样的材料。这个特点使得超声波传感器特别适合未来的手势识别应用。

第二、  取代机械按钮。通过超声波传感器，可以取代传统设备上的机械按钮，无需进行任何物理开口，并且可以非常方便简单的贴合到任何系统上，达到防水、防油和防污的效果。

第三、  无误触。市场上的一些无误触的技术，不管是MEMS还是应变计，它们都作用于某种固定的工况，有一定的温度或者是其他条件的限制。超声波传感器可以带来非常方便的无误触的解决方案，并且不受任何场景的限制。

第四、  多功能按键。TouchPoint解决方案不仅能取代传统的机械按钮的开机关机等传统功能，更能够实现方便的多功能的按键。通过其超声波的传感器，可以实现单击、双击、长按、多击、滑动以及包括触控的整体控制，多功能合一。

此外，TouchPoint是目前世界上最小的超声波传感器，同时集成了上端的传感LDO、模拟信号的前端、微控器以及内存，实现了高度的集成；内部还有算法能够更好地实现产品应用场景的需求；其产品也达到了非常低的功耗，在任何情况下都低于20uA；还支持I2C 或 SPI 任何一种交互形式。

基本原理

根据Daniel Goehl的介绍，TouchPoint一般是被集成在现有标准的集成电路板，或任何的柔性电路板上，之后，传感器的面层会被直接集成进入到基层材料，也就是任何表面触控材料的表层。

将超声传感器粘贴在目标的基材层的表面之后，就可以触发超声波束，波束就会在材料表面形成不同的声阻。区别于传统的声波的作用表层非常广泛的情况，TouchPoint具有垂直的超声波束，能非常精准地作用于材料的表层。因此可以有效地防止误触。

一旦发生接触，超声波就会传感到指端的表面，指端表面返回的信号就会被传感器接收到，之后，通过不同传感对比度就可以分析这个接触是轻轻地划过还是重力接触。如果表面没有接触的情况产生，所发出超声的信号就直接移散在空气中。

TouchPoint的关键之处是超声传感器已经完成了自我的全封闭的操作，内部已经实现了全集成。与传统传感器多芯片的加载的做法不同，TouchPoint传感器中已经实现了非常完整的整体解决方案，包括内部的算法。

此外，传感器内部还加入了Z压力（Z-Force）检测。在手指按压的过程中会产生应力，进而引起材料的形变，加入Z-Force之后，可以更好地控制误触，并且能够更好地感知传感器上方材料的表面。Daniel Goehl举例，如果有一滴水作用在材料表面，加入Z-Force之后，通过反射的方式能够识别出面层的材料，从而排除误将水滴认为是手指接触，避免误触。

应变计vs TouchPoint

在应变计以及TouchPoint两个解决技术上，UltraSense都与传统的业界的解决方案有很大的不同，可以达到更好的防误触效果。

对于应变计方式，如果将两个非常明显的应变计结合在一起，中间的间隙会非常小。传统的传感器很难清楚地识别出力是来自于哪一个界面、应力的大小是多少。同时，传统应变计下的传感器对于温度的敏感性非常高，一般情况下在50度左右，即使使用了算法也没有办法补偿高温下可能造成的误算，从而造成误触的产生。

UltraSense的TouchPoint解决方案由于使用的是垂直的超声波束，可以作用于任何的材料表面，实现非常准确的触碰区域的控制。而且可以有效地实现两个传感器之间的共同作用，而不会出现传感器之间的信号串扰。

应用场景：手机、消费电子、汽车

经过多方面调研，很多客户希望能够在手机的背部增加一个按钮，帮助使用者完成非常轻松的自拍。

此外，目前大部分主流的手机厂商都希望能够通过超声传感器方式，取代传统的音量调节键以及电源键。由于现在手机使用的都是毫米波技术，在5G技术流行之后，5G的天线不可以在覆盖在任何的金属盖板之后，甚至手部遮挡都有可能会影响到信号的传输。使用TouchPoint技术就可以在机身上部分25%的地方，只需很小的体积，就可以成功地将5G毫米波的天线纳入，并且人们在日常使用时也不会因为手的遮挡而影响到信号的接收。

除了手机方面，一些消费级电子产品，如运动穿戴式手表、耳机、笔记本电脑、VR眼镜、电动牙刷上等用到机械按键的应用，都可以采用TouchPoint解决方案进行替换。

对于智能化家居或智能化设备，不仅可以非常方便地实现金属等材质的穿透，还可以实现整个系统的触压式交互。

随着汽车行业，尤其是车的内饰方面，从传统的臃肿式设计进入到了极简式的设计阶段，汽车内部机械式按钮正逐步消失。中控屏现在还会有一些简单的机械按钮，既能取代传统机械按钮实现机械控制，并且可以达到发光的新的解决方案将会受到青睐。Daniel Goehl透露，UltraSense与大量来自于汽车行业的客户正在进行接洽。

对于汽车外饰，目前主流的汽车的车门面板下的按键所传使用的都是电容器的方式，它的作用点就在汽车门的手把附近。采用UltraSense的解决方案，按钮可以位于汽车中部，甚至可以通过非常简单的超声传感的方式，轻松开启汽车的两门，包括后盖。Daniel Goehl透露，明年就可以在量产的车型上看到UltraSense的解决方案了。

据Daniel Goehl介绍，在CES2021期间，UltraSense已经向媒体宣布将会在本月完成超声感传感器产品的量产，并且将会交付给下游客户，包括手机的制造商以及消费级电子产品的产商。预测大概3-4个月之后搭载TouchPoint解决方案的产品就会面世。对于中国市场，Daniel Goehl表示，UltraSense正与国内的一些智能手机厂商进行合作，搭载TouchPoint解决方案的智能手机产品将会在2021年年底或者2022年年初问世；除了智能手机以外，中国还提供了很多其他细分市场的机会，如消费级电子产品、家电或汽车市场，目前UltraSense也与这些行业市场的一些客户在接洽中。

问及相比电容传感设备，超声波传感是在适用材质上面是有着得天独厚的优势，那么在功耗和响应速度方面表现如何呢？Daniel Goehl表示，在电容器传感设备上，有两种技术路径，一种是PSO应变计，另一种是MEMS。与传统的应变计相比，TouchPoint产品无论是在功耗还是在响应速度上都更有优势，特别是响应速度上。在响应速度方面，UltraSense的传感器因为超声波是随时开启的，不需要等到表面材质发生应变之后再去感知，因此响应速度比传统的电容传感器要更快。

更重要的一点是，UltraSense的解决方案本身也提供面层的反射材料的对比度的识别，作为补充的解决方案，帮助识别面层的对比度之后，也可以帮助更好地了解超声波在面层表面作用的一些声阻。因此超声波传感器的效果要明显的好于电容器的传感器。

同时，市面上也有其他的超声技术，如表层声学波技术，但其生产、校准非常复杂，整体成本非常高，而且只能使用在超薄（约1mm）的材料上。因此，从响应速度、功耗的角度来看，相比电容传感器以及表层声学波的技术， UltraSense的超声波解决方案都更有优势。