Калифорнийский стартап UltraSense Systems, чья технология ультразвуковых датчиков нацелена на создание новых способов человеко-машинного взаимодействия в эпоху Интернета вещей, заявляет, что может превратить в пользовательский интерфейс любую поверхность – ​домашнюю дверь, приборную панель автомобиля, стекло духовки – ​независимо от материала и его толщины. Механические кнопки исчезнут, а сами электронные устройства будут водонепроницаемыми. Но возможна ли реализация этой новаторской идеи?

Компания UltraSense Systems (г. Сан-Хосе, шт. Калифорния, США) представила, как утверждается, самый маленький ультразвуковой «датчик-на-кристалле» для распознавания прикосновений и жестов при использовании любого материала любой толщины. Первые такие датчики, названные TouchPoint и TouchPoint Z, пока находятся в стадии разработки и доводки. Как ожидается, их использование в ряде приборов потребительской и промышленной электроники начнется в 2020 г.

Руководители UltraSense – ​бывший вице-президент по технологиям и производству корпорации InvenSense Мо Магсудния и бывший вице-президент по международным продажам InvenSense Дэн Гель – ​около шести лет проработали вместе. После того как в мае 2017 г. корпорация TDK завершила сделку по приобретению InvenSense за 1,3 млрд долл., Гель остался на своей должности еще на 15 месяцев, а Магсудния сосредоточился на сфере медицинского применения УЗ-датчиков. Он обнаружил, что это перспективное направление, и предложил идею использовать ультразвук в качестве сенсорного пользовательского интерфейса. Так появилась UltraSense.

UltraSense, созданная в апреле 2018 г., сегодня выходит из тени. Поскольку рынок смартфонов по-прежнему демонстрирует устойчивый рост, компания сделала мобильные телефоны своим основным направлением. Освоение данного рынка происходит относительно быстро, причем одновременно с развертыванием по всему миру технологии 5G, в частности 5G миллиметрового диапазона (рис. 1).

Источник: UltraSense

Рисунок 1. Любая поверхность становится сенсорным экраном

Быстрой раскрутке компании способствовали богатый опыт и обширный список контактов предпринимателей, которые создали собственную сеть и начали продвигать свою концепцию. Все крупнейшие производители телефонов проявили заинтересованость в новой технологии, и первое, что они хотят сделать, – ​заменить механические кнопки. Это требование обретает еще больший смысл с появлением 5G (особенно технологии 5G миллиметрового диапазона) – ​наличие в телефоне 24 антенн только для 5G заставит серьезно изменить его дизайн. Причем эти антенны должны будут работать под стеклом и металлическими материалами.

Как утверждается, датчик UltraSense невосприимчив к воздействию влаги, грязи, масел и лосьонов, что позволяет ему воспринимать касание сквозь материалы любого типа (включая металл, стекло, дерево, керамику и пластик) и любой толщины. Отвечая на вопрос о физических барьерах, Гель сказал, что основные из них – ​воздух и потребляемая мощность. При создании первых продуктов разработчики ориентировались главным образом на энергоэффективность. Сигнал, генерируемый новыми датчиками, способен пройти через 5 мм алюминия, 5 мм стекла или 2 мм нержавеющей стали. Кроме того, у компании есть многообещающие наработки, и в перспективе сигнал сможет без проблем проходить сквозь 20 мм литого алюминия.

Что касается непосредственно УЗ-технологии, она заключается в передаче ультразвукового сигнала сквозь материал с последующим анализом изменения акустического импеданса на поверхности. Возвратный сигнал при отражении обратно в датчик можно интерпретировать как свидетельство среднего или сильного прикосновения. При легком прикосновении в папиллярных линиях пальцев человека все еще остается воздух, но при более сильном нажатии отпечаток пальца деформируется относительно материала поверхности, и воздух выдавливается. Чем сильнее нажатие, тем больше контраст.

Что делать, если пользователь носит смартфон в кармане? Может ли датчик случайно активироваться? Разработчики утверждают, что такой риск минимален, так как существует возможность определять тип прикасающегося к датчику материала, и если это не палец или иной заданный предмет, а, например, ткань кармана, то датчик не реагирует на прикосновение.

Размеры датчика TouchPoint фирмы Ultra-Sense составляют 1,4×2,4×0,49 мм при сборке в корпус с матрицей контактных площадок (LGA). Благодаря этому он считается самым маленьким ультразвуковым «датчиком-на-кристалле» (рис. 2). Потребляя менее 20 мкА в режиме непрерывной работы, он может действовать независимо от хост-процессора продукта, в который интегрирован, со всеми алгоритмами обработки, встроенными в датчик. Его можно использовать в качестве автономной кнопки включения питания (одновременно с распознанием пользователя – ​опционально) при выводе конечной системы из режима ожидания в рабочий режим – ​благодаря этому включение всего конечного прибора осуществляется простым касанием, – ​а также в качестве многофункционального пользовательского интерфейса (для нажатия, удерживания и пролистывания).

Источник: UltraSense

Рисунок 2. УЗ-датчик TouchPoint на 1-центовой монете

По сути, «датчик-на-кристалле» состоит из специализированной ИС (ASIC) и MEMS-преобразователя. ASIC, по словам Геля, включает в себя микроконтроллер, память и аналоговый интерфейс. MEMS-преобразователь представляет собой пьезоэлектрический преобразователь, созданный методом микрообработки (PMUT). Технология изготовления – ​собственность компании, для производства преобразователя и всего «датчика-на-кристалле» используются мощности кремниевых заводов GlobalFoundries и TSMC.

Испытания нового прибора уже проведены, и он готов к массовому производству. Некоторые потенциальные потребители рассматривают его как «победную конструкцию»¹⁴ для своих смартфонов и других мобильных приборов. Предполагается, что первая продукция с применением «датчиков-на-кристалле» будет запущена в производство во второй половине 2020 г.

В последнее время произошел сдвиг во взаимодействии пользователей со своими смартфонами, умными бытовыми приборами и любыми другими устройствами, вошедшими в повседневную жизнь. Цифровой аппарат заменяет механический, а переход к виртуальным кнопкам и поверхностным жестам ускоряется. Основатели UltraSense считают, что через два-три года будут наблюдаться не только устойчивые продажи разработанных ими датчиков, но и потребность в связанном с ними многофункциональном пользовательском интерфейсе. Помимо мобильных и потребительских приборов продукция UltraSense будет востребована и в автомобильной сфере, где может быть достигнут, например, синергизм между технологией UltraSense и другими сенсорными интерфейсами, в том числе системами сенсорного интерфейса с поддержкой тактильного интерфейса. Кроме того, остается возможность работать с различными материалами, а также расширять поверхность прикосновения.

UltraSense не является пионером в данной сфере. Несколько компаний, таких как поставщик тензодатчиков Sentons и поставщик датчиков силы нажатия New Degree Technology, присутствуют на рынке уже несколько лет. Однако технология UltraSense сильно отличается от технологий конкурентов. В отличие от тензодатчиков, датчиков силы нажатия и датчиков на поверхностных акустических волнах, которые имеют ограничения при производстве и проектировании (такие как толщина материала, сложность интеграции и время наладки производства), решения TouchPoint фирмы UltraSense позволяют обойтись минимальными усилиями по интеграции и дают возможность быстрой настройки параметров продукции.

На сегодняшний день штат UltraSense составляет чуть более 20 человек. Предполагается, что в 2020–2021 гг. число сотрудников будет увеличено, в основном за счет инженерно-технического персонала. Кроме того, планируется уточнить «маршрутную карту» развития технологии и продукции фирмы.

Pelé Anne-Françoise. Ultrasound Sensor Turns Any Surface into a Touch Button. EETimes magazine, December 18, 2019: https://www.eetimes.com/ultrasound-sensor-turns-any-surface-into-a-touch-button/