編者按：David Horsley 是加州大學機械與航空航天系的教授，Chirp Microsystems 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官，他發(fā)明并設計了低功耗 3D 傳感器。本文是他對壓電手勢控制的專欄文章，雷鋒網(wǎng)編譯，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。

今天，我們通過觸摸來控制我們的電子世界——點擊、滑動、五指并攏又縮放。

如果你回顧 2007 年，在當時觸摸屏還是一個新生事物，從最初蘋果公司將這項技術(shù)運用到 iPhone 中開始，這種技術(shù)只用了不到十年就順利普及。當屏幕不會對他們的手指做出回應時，連一個寶寶就會知道“顯示器壞掉了”。

但是，觸摸不是這個故事的終結(jié)。你不可能淋浴時使用觸屏，不能在眼鏡上安上觸屏，也不能靠在平板上滑動或捏屏幕去探索虛擬世界。

如果我們乘坐時光機來到 2020 年，我預測在那時會有一些手機和平板會使用觸屏，但不會太多。你將會通過在可穿戴設備上掃描手指以記錄晨跑時間。嵌于設備里的微型超聲波收發(fā)器可以檢測到你指尖的動作，識別你的手勢，并為你播放你最喜歡的音樂。當你晨跑結(jié)束后，如果在洗澡時你的手機響了，你只需將胳膊從浴簾里伸出來，手掌放在手機屏幕的上方，你就可以接電話了。而在驅(qū)車前行時，導航警報和收到的短信可能會使你分心，這時候你只需輕輕地搖頭，無關(guān)的信息就可以突然噤聲。

由于在 MEMS（微電子機械系統(tǒng)）上的重大突破，一個手勢動作的魔幻世界將要來臨。

基于手勢的屏幕的背后的邏輯其實很簡單：人類演變到使用手與環(huán)境相互交流，所以手勢動作對于我們每個人都很自然。雖然語音識別這幾年得到顯著地改善，可是它發(fā)出的語音口令并不總合時宜，而為了喚醒設備而必備的關(guān)鍵短語則增加了操作的難度。比如在私家車里，你可以通過語音指令來控制音頻，但是首先你必須按下一個按鈕來激活聲音控制，然后按順序發(fā)出三個獨立的語音指令：「收音機」，「音量」，「高」。這可不像按一個音量按鈕那么簡單，但手勢控制可以如此簡單——甚至更簡單：你不必去尋找音量按鈕；只要在收音機前擺動手就可以了。

虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)都給觸摸屏和語音識別的局限性提供了鮮活的例子。畢竟，我們不能通過觸摸屏和語音控制來使自己一邊沉迷其中，一邊還要進行操作：「好的」，「谷歌」，「揮劍」。

攝像頭可能是能執(zhí)行基于手勢功能的最佳入口，因為每個筆記本電腦，平板電腦和智能手機上都有攝像頭。但是如果你意識到攝像頭一直開著，大部分人其實會感到不舒服的。（一張扎克伯格照片最近傳得挺兇，照片里，小扎的筆記本電腦攝像頭是用膠布貼著的）雖然捕獲視頻對于追蹤手勢動作很有必要，但是耗電量極大：Google Glass 的用戶表示，拍攝視頻狀態(tài)下產(chǎn)品只能續(xù)航 30 分鐘。

此外，攝像頭的軟肋在于它只能捕獲二維圖像，而且很難將用戶的手和復雜的光學背景分開。如果你曾要進行平行停車或用后視鏡時，錯誤判斷過后方車輛的距離，你想必就會對這一點深有體會。

而我們還得把計算成本考慮在內(nèi)。就算是功能強大的微軟 Xbox，很多開發(fā)者還是會選擇禁用 Kinect ——即紅外追蹤手勢——因為后者的圖像處理比重達到了算力的 10% 。

不過近幾年，還是有很多執(zhí)行無攝像機的手勢感應技術(shù)獲得了成效，其中最受關(guān)注的是三大技術(shù)是：雷達、光學紅外及超聲波。

在谷歌 I/O 2015開發(fā)者大會上， ATAP團隊曾展示了工作在60GHz毫米波頻段下的可穿戴智能雷達芯片 Soli，它能實時檢測雙手及手指的細小動作，而該模塊的功耗是 54mW，這是對智能手表來說是一個重大的突破，按照谷歌的計劃，該雷達芯片的功耗還會降低一個數(shù)量級。

光學傳感器是另一種手勢交互的呈現(xiàn)方式。

基于廉價的紅外線半導體的紅外探測器已經(jīng)應用于智能手機中的近距離傳感器中——也就是說，當你把耳朵靠近電話打電話時，你的智能手機會“懂得”此時并不是你用手指在觸碰屏幕。這些近距離傳感器測量從周圍物體反射回來的紅外線強度。因為這些反射回來的紅外線的強度取決于物體的大小和顏色，它提供了粗略距離的測量，但用來測量手機是否靠近了腦袋，還是綽綽有余的。

一些更新的紅外探測器依賴于飛行時間的測量而不是光線強度。這些設備會更加精準，但是想要探測到光線的飛行時間需要寬帶接收器，因此造成了功耗增加所帶來的費用。最新的紅外飛行時間探測器來自意法半導體的微電子，能以 20mW的功率實現(xiàn)每秒十個樣本的測量 。

所有的紅外探測器都要與其他紅外線資源競爭，比如鹵素燈和日光。一個供應商的紅外飛行時間探測器能探測室內(nèi)兩米的范圍，雖然在室外陰天的情況下會減少到五十厘米。它在大太陽底下的表現(xiàn)就很普通了，大概是因為它根本不能在那種條件下工作吧。

那么現(xiàn)在我們來聊聊超聲波。當我們年紀還小的時候就知道，蝙蝠和海豚使用超聲波回聲定位。有意思的是，大部分的蝙蝠和海豚并不是全盲的。相反地，它們利用超聲波來完善視野，使它們能夠確定獵物的大小，范圍，位置和速度。他們發(fā)出高頻聲波脈沖再聽回聲，來進行飛行時間的測量。在空氣中，回聲從距離兩米的目標處返回需要十二毫秒，對于追蹤快速移動的目標來說，這個時間里程已經(jīng)很短了，對于分開許多回聲聲波而不要求很多處理帶寬也是足夠長的。

超聲波測距已在人類世界存在超過一百年了，但是它依舊依賴于壓電式傳感器，這種傳感器與石英換能器沒有什么不同，由 Paul Langevin 于 1917 年第一次展示，作為第一次世界大戰(zhàn)時期法國反潛艇行動的一部分。從那以后，超聲波被廣泛使用于海上應用（從小型游船到核潛艇），在醫(yī)學上應用于無損檢測，也應用于汽車行業(yè)，有迷人之處（ Tesla 的自動駕駛儀），也很常見（停車距離傳感器）。

可是，迄今為止，超聲波并沒有廣泛應用于家用電子產(chǎn)品中。一個遺漏的原因是固態(tài)集成電路技術(shù)對于無線電頻率和紅外傳感器（在 TI 的 Jack Kilby 發(fā)明了集成電路后不久，第一個紅外線半導體在 1962 年被 Texas Instruments 公司商業(yè)化）有很大的影響，這幾年超聲波傳感器的材料和設計并沒有什么大的改變。但是，MEMS 聲音換能器近來的革新可以使超聲波應用于商業(yè)市場。

MEMS 技術(shù)給微型麥克風領(lǐng)域帶來了極大的飛躍。聲學 MEMS 的組件在 2003 第一次進入手機市場，那時暢銷的摩托羅拉 Razr 手機采用了諾爾斯聲的 MEMS 的麥克風。而現(xiàn)在的 MEMS 麥克風，相比較于傳統(tǒng)的駐極體電容傳聲器則更小一些，消耗更少的電能，也包含了更多機載信號處理——幾乎存在于所有的智能手機中。這種麥克風目前由 Akustica, Cirrus Logic, Infineon, InvenSense, Knowles, STMicroelectronics 等公司生產(chǎn)。

一些公司已經(jīng)開始開發(fā) MEMS 麥克風可以接受近音超聲波聲帶的能力。雖然制造商的數(shù)據(jù)規(guī)定了音頻頻段的性能（高達大約 20KHz），但這些麥克風里的 MEMS 傳感器經(jīng)常有能接受高于這種頻率兩倍的信號的能力。

第一次打入大眾消費市場的基于 MEMS 的超聲波應用是高通的 Snapdragon 數(shù)字筆，已應用在惠普平板電腦中。2012 年高通公司收購了以色列超聲波技術(shù)公司 EPOS Development 技術(shù)后，采用了這項技術(shù)。超聲針可以在離平板表面一段距離處進行追蹤，允許用戶在鄰近的記事本上寫字。

另一個應用于消費市場的超聲波革新的事例是一個叫做 Beauty 的產(chǎn)品，今年由挪威的 EllipticLabs 推出。Beauty 是一種純軟件超聲法，它用智能手機里的耳機和 MEMS 里的麥克風替代紅外接近傳感器來檢測手機是否靠近了你的耳朵，以便禁用手機屏幕和顯示器。

這些早期的消費超聲波的應用使用了傳統(tǒng)的 MEMS 麥克風，這些麥克風接收信號功能良好。但是，這些麥克風基于電容傳感器，不適于在空氣中傳播超聲波。

電容性麥克風傳感器由兩個電容極板構(gòu)成---背板和隔膜---由一個很小的氣隙隔開（近似一微米寬）。這種類型的傳感器是當薄膜因入射聲波發(fā)生彎曲時引起的電容發(fā)生變化來接受聲音。通常，這都是麥克風的工作---接收聲音。它們可以通過顛倒這個進程來傳播聲音，使薄膜彎曲從而制造聲波。

這里的問題是，一個好的接收器要求背板和薄膜間的氣隙很小。這是因為聲音靈敏度反比于氣隙平方，所以氣隙每增加三倍因數(shù)，靈敏度就相應地減小九倍因數(shù)。雖然小氣隙有利于接受聲音，但他們對聲音傳播造成問題，因為小氣隙限制了膜位移也因此限制了可以傳播的最大聲壓等級（SPL）。

SPL 與周圍介質(zhì)—-空氣中的聲阻抗，膜位移的頻率和振幅成正比。電容傳感器，例如電容微型電機超聲傳感器（CMUTS），在周圍介質(zhì)是液體環(huán)境下的醫(yī)療應用中工作良好，頻率高達好幾兆赫茲，高電壓以驅(qū)動傳感器。

但是，高頻聲波會在空氣中迅速減弱，吸收損失從 40KHz 1 分貝每米增加到 800KHz 100 分貝每米。因此，空氣耦合式超聲傳感器通常的工作頻率為 40KHz 到 200KHz。在這些頻率下，由于空氣中的聲阻抗比液體中低很多，所以超聲傳感器必須進行大于一微米的震動來傳播足夠聲壓等級的聲波從而可以測得比傳感器還遠幾厘米的物體的回聲。能夠具有這種震動振幅的 CMUTS 要求大氣隙，因此需要高電壓（高于 100V）來運行。

所以這也是靈敏接收器的低壓裝置中生產(chǎn)高壓聲波，要求膜位移不會被周圍的背板所限制。

Curie 兄弟在 1880 年第一次發(fā)現(xiàn)壓電現(xiàn)象，指的是一些材料在發(fā)生形變時會產(chǎn)生電荷的能力。在一個壓電式微型機械超聲傳感器中（PMUT），這種形變使得一個入射超聲壓力波轉(zhuǎn)換成電信號。PMUT 使用逆壓電效應傳播超聲。也就是說，電場提供壓電材料造成 PMUT 的薄膜發(fā)生機械形變，從而發(fā)射超聲波。因為 PMUT 沒有背板，所以沒有一個硬停止來限制薄膜位移。

壓電 MEMS 裝置就像 PMUT 一樣依賴于薄膜壓電材料，通常通過在化學溶液或煙霧的沉積中制造。二十年前，薄膜壓電材料可以沉積在這兩種方法中的任何一種，這種材料不具有跟陶瓷體積等同物相同的性質(zhì)；對于壓力和壓電系數(shù)這種膜性質(zhì)不好被控制，并且沉積過程不能重復。但是有一些例如噴墨打印頭和射頻濾波器這種關(guān)鍵應用，調(diào)查人員和設備制造商用兩個材料已經(jīng)解決了這個問題：PZT（鋯鈦酸鉛）和 ALN（氮化鋁）。制造商主要將 PZT 用于傳統(tǒng)的超聲傳感器。

由加州大學伯克利分校年代傳感器和執(zhí)行器中心許可的 PMUT 技術(shù)，筆者作為聯(lián)合創(chuàng)始人創(chuàng)立的公司，Chirp Microsystems，正在開發(fā)用于基于超聲的用戶接口的收發(fā)器。

從外觀上來看，Chirp 的超聲收發(fā)器與 MEMS 的麥克風一模一樣。從內(nèi)部來看，此收發(fā)器包含了一個 PMUT 芯片，該芯片與定制的超低功耗的芯片和集成電路混合信號協(xié)同合作，共同控制所有的超聲信號處理，允許飛行時間傳感器可以在沒有外部處理器的監(jiān)管下工作。因此，傳感器使用很少的電能：一次飛行時間測量大概消耗 4 微焦耳，描繪出低抽樣率下的電流微安單位數(shù)。這可與大眾健身追蹤器里的計步器所使用的處于持續(xù)開啟狀態(tài)的 MEMS 加速器的功耗相當。

一個物體的三維空間，比如手或是指尖，可以被至少三個傳感器利用三邊測量法準確測定出飛行時間，類似于 GPS 從星座和人造衛(wèi)星群中準確找出它的位置的方式。在 Chirp 的系統(tǒng)中，一個低功耗的微型控制器與三邊測量法協(xié)同操作，作為傳感器運行中樞。因為所有的超聲信號處理都發(fā)生在單個傳感器中，所以中樞區(qū)只需進行最小的計算，讀取不同的傳感器的飛行時間，并通過三邊測量法計算出最近的目標的三維坐標。

Chirp 在 2016 年 CES 技術(shù)展上舉行了第一次超聲手勢感應的公開展示。這個公司現(xiàn)在正在與幾個制造商合作研發(fā)能在可穿戴的裝備上實現(xiàn)超聲手勢感應，在虛擬現(xiàn)實和游戲控制器上實現(xiàn)超聲控制器追蹤。我們期望能在 2017 年底銷售部分產(chǎn)品。Chirp 是目前唯一一家將 PMUT 商業(yè)化并用于空氣耦合式超聲的公司；但是，一些公司正在研究使 PMUT 用于別的目的。比如，初創(chuàng)公司 Exo System 致力于研究一種使用了大型 PMUT 陣列的便攜式醫(yī)療超聲系統(tǒng)，慣性傳感器制造商 InvenSense 在 2015 年底發(fā)布聲明說公司將于 2017 年推出基于 PMUT 的超聲指紋傳感器，商品名為 UltraPrint。

低功耗，基于 MEMS 的壓電超聲波將會改變消費電子設備的世界。例如手表、手機這些簡單的設備，當它們被放到手提袋或口袋里，或者是被袖子擋住，或者是在需要時開啟了喚醒模式，這時可以運用超低功耗的超聲波通過處于常開狀態(tài)的感應器來進行情景感知，進入到低功耗模式不停地探測它們周圍的環(huán)境。房間和汽車可以感應到我們的存在，響應用戶喜歡的娛樂，燈光，而并不使用侵入式監(jiān)視器。平板電腦，娛樂系統(tǒng)，甚至是燈的開關(guān)都可以體現(xiàn)出基于手勢的自然界面，通過簡單地動作來提供直觀的控制。

我們覺得，如果到了設想的 2020 年，還只有億分之一的產(chǎn)品能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，我們就需要去尋找一個更好的辦法來與這個世界溝通，而不是單單通過聲音和觸摸。

諷刺的是，當這種直觀手勢的用戶界面進入到我們的日常生活中，我們應該會很快忘記它的存在。我們會無意識地撥動手指讓手機靜音，用手指劃過手腕來發(fā)短信，或者是搖擺以換應用軟件。在房間里的某個地方，在桌子上，或是你身體的某處，一個微型超聲傳感器正在拼命干活，推動我們周圍懶惰的空氣分子，從那些未使用的超聲頻譜中擠出一些有用的信息。

via IEEE

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