MEMS技术的突破预示着手势识别世界即将来到

发表于 2016-12-01 17:31:24 收藏 已收藏
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MEMS技术的突破预示着手势识别世界即将来到

发表于 2016-12-01 17:31:24

  当今世界人们依靠触摸方式进行打字、点击、捏拉缩放,以控制我们的电子世界。2007年,苹果公司推出的iPhone首次采用了电容式触摸屏这款新颖的设计,在近十年内几乎成了无处不在的应用。它是如此的普遍,就连幼儿发现非触摸屏对自己的小指头没有反应时,都会感到奇怪。然而,触摸屏并非故事的结束。当你在洗澡时你无法使用;当你戴着一副“触摸屏”智能眼镜在眼睛前,你将无法通过滑动和捏放等触摸手持操作来享受虚拟现实(VR)。

  我们预测到2020年,触摸屏还会在一些手机和平板电脑上使用,但不会增加太多。对健身手环轻轻挥动下手指,你的晨跑就开始了,内嵌在手环中的MEMS超声波接收器可以感知并识别你的指尖动作,为你打开你最喜欢的音乐。晨跑结束后,洗澡过程中手机响了,只需要从浴室里伸出一只胳膊,用手掌在手机显示屏上挥动下便可以接听。接下来,开车途中,各种导航提示、文本信息都可能分散你的注意力,弹弹你的手就拒收这些消息。

MEMS技术的突破预示着手势识别世界即将来到

  受惠于压电式MEMS技术的突破,神奇的手势识别世界即将来到。

  基于手势界面的逻辑其实很简单:人类进化到现在,用手与环境进行交互,这所有人来说是一件很自然的事。虽然最近几年的语音识别有了很大的提高,但它并不适用口语命令,而是需要关键短语(如“您好,谷歌”)等简单的控制。例如,在一些汽车,你可以控制声音的音频,但首先你必须按下一个按钮激活语音控制,然后你说出三个语音命令序列:“广播”、“音量”、“开启”。一个一个地按按钮不是一件容易的事,手势控制可以让其变得容易,或者说更容易些——你不需要找到按钮,只是在收音机前挥动你的手。

  虚拟现实(VR)和增强现实(AR)是触摸界面和语音识别局限性的鲜活例子。毕竟使用触摸屏或语音命令“好吧,谷歌,挥剑”无法给予操作者身临其境的体验。

  相机似乎是实现基于手势用户界面最容易的方式,因为每一个笔记本电脑、平板电脑和智能手机都带有摄像头。但大多数人对个人电子产品有“常开”的摄像头感到不舒服(最近互联网上流传了一张照片显示脸谱网创始人马克?扎克伯格的笔记本电脑的摄像头被遮挡了)。手势跟踪需要视频捕获,是非常耗电的。谷歌眼镜的用户曾报告说,只录制30分钟的视频,电量就下降很多了。

  相机还有个根本性的问题,就是只能捕获二维图像,使得它难以把用户的手从复杂的光学背景中识别出来。如果你曾经用你的后视镜进行平行停车时出现过误判,你会同意仅靠视觉判断是很难的。

  使用图像的计算成本也是需要考虑的。即使是强大的微软Xbox,许多开发商也接受了禁用软件来支持Kinect。Kinect跟踪运动使用了红外摄像头,其可以访问Kinect专用图像处理的10%图形处理单元。

  近些年,出现一些不涉及照相机的手势感知技术,主要是雷达、光学红外和超声波。

  谷歌已经开发出一个旨在用于手势感知的小型60 GHz雷达系统,取名为Soli项目。Soli最新的项目可以用于智能手表,声称功耗为54毫瓦,看起来微不足道,但实际上对智能手表来讲功能相当大。为了让雷达成为主要交互界面,谷歌不得不将功耗再降低一个数量级。谷歌建议这款界面的应用频带为60 GHz,以基于IEEE 802.11ad标准(或者称WiGig)的形式,会在通信网络中显得非常拥挤。

  光学传感器则是用于手势界面的另一种方式。

  如今,基于低成本红外发光二极管的红外传感器已经被智能手机用作接近传感器,这是当你把手机放在耳朵旁时手机知道要关闭触摸屏。接近传感器测量出从附近物体反射的红外光强度,反射强度取决于物体的大小和颜色。尽管可以告诉用户是否已经接近你的头部,用于手机这已经足够好了,但距离测量能力还是较弱的。

  较新一代的红外传感器依靠红外光的飞行时间测量,而不是光的强度。这样更准确,但检测红外光飞行时间需要一个宽带接收器,因此会增加功耗。以意法半导体公司(STM)最新的红外激光发射器为例,选取10个样本测量,测试的平均功耗是20毫瓦。

  所有的红外传感器都要与其它存在的红外光源“抗衡”,如卤素灯和日光。一个令人印象深刻案例是,某供应商的红外激光发射器在室内的测试范围为2米,换到阴沉沉的户外就减少到仅50厘米。而在烈日下的性能则没有数据,这大概是传感器不会在这种环境下工作吧。

  现在谈谈超声波。当我们还是孩子时就了解到蝙蝠和海豚用超声波回声定位。奇怪的是,大多数蝙蝠和海豚并不是完全看不见东西的,它们使用超声波来补充他们的视野,使它们能够确定猎物的大小、范围、位置和速度。它们通过发射高频声波脉冲和接收回波来进行飞行时间的测量。在空气中,回声从2米远的目标返回的时间约12毫秒,时间短到足够超声波跟踪快速移动的目标,这个时间又长到可以不依靠大量的带宽处理就分割成多个回波。

  MEMS技术的突破预示着手势识别世界即将来到

  你的手机接下来会发生什么?Chirp Microsystems公司生产的这种三维空间手势传感器可利用超声波确定物体在空间的三维位置。

  超声波测距在人类世界已经有100多年历史。自第一次世界大战期间法国反潜行动的一部分——Paul Langevin于1917年首次展示石英传感器后,超声波测距仍然依赖于压电换能器,与石英传感器也没有多大的差异。从那时起,超声波已被广泛应用于从小型游艇到核潜艇的海洋应用,医学方面的无损检测应用,在汽车上可以增加独具魅力的应用(如特斯拉的自动驾驶仪)和常用功能(如停车测距传感器)。

  然而,到目前为止,超声波传感器在消费电子产品中并没有得到太多的应用。未普及的原因之一是:虽然固态集成电路技术对射频和红外传感器产生了巨大的影响(第一个商业化红外LED在1962年由德州仪器推出,不久后德州仪器的Jack Kilby发明了集成电路),但超声波换能器的设计和材料这么多年来变化却不大。不过,最近在MEMS声学传感器的创新涌现,超声波在消费世界得到应用非常有希望。

  MEMS技术在微型麦克风领域已经引起了很大的轰动。2003年,当流行的摩托罗拉Razr手机首次使用楼氏声学MEMS麦克风,标志着声学MEMS器件首次进入手机市场。如今,MEMS麦克风比传统的驻极体电容传声器尺寸更小、功耗更低,且能集成更多的板载信号处理单元,几乎所有的智能手机有配有MEMS麦克风。Akustica公司、凌云科技(Cirrus Logic)、英飞凌(Infineon),应美盛(InvenSense)、楼氏电子(Knowles)、意法半导体(STM)等公司都是MEMS麦克风的主要生产厂家。

  最近,一些公司已经开始研发MEMS麦克风接收接近音频带超声波的能力。而制造商的数据表中表明音频性能约20千赫,这些麦克风的MEMS芯片往往能够接收频率为其两倍的信号。

  大众消费市场首款基于MEMS技术的超声波应用来自高通的骁龙数码笔,被用于惠普HP Slate系列平板电脑。高通在2012年通过收购以色列超声波技术公司EPOS获得此技术。这种超声波笔允许用户在靠近平板电脑的纸垫上写字,即使不接触也可以书写。

  另一个消费类超声波创新应用来自挪威的Elliptic Labs今年推出的名为“Beauty”产品。现有接近传感器主要作用是手机接近耳朵时手机知道要关闭触摸屏,“Beauty”是替代红外接近传感器的基于软件的解决方案。

  早期的消费类超声波应用通常采用MEMS麦克风做超声波信号接收器。然而,这些麦克风是基于电容式的传感器,不适合在空气中传输超声波。

  MEMS技术的突破预示着手势识别世界即将来到

  大弯曲理论:超声波传感器靠膜的伸缩发声。在MEMS电容超声传感器(CMUT)中,底部电极拉动顶部电极发射超声波脉冲,但底部电极限制膜的运动(左图)。在一个MEMS压电超声波传感器(PMUT),加电压后底电极弯曲,给膜更多的移动空间(右图)。

  电容式MEMS麦克风由两个电容器板——背板和膜组成,由微米级的空气间隙隔开。这种类型的传感器接收入射声波声音后,膜会引起电容变化。通常情况下,这是所有的麦克风接收声音的方式,但它们可以通过这个逆过程使膜发射声波。

  这里的问题是一个好的接收器需要膜和背板之间空气间隙很小,因为接收器的声学灵敏度与空气间距的平方成反比,换句话讲,间距增加为原来的三倍,灵敏度降低为原来的九分之一。如果说减小间距以利于接收声音,但又带来了另一个问题,那就是限制了膜的位移距离,从而降低了最高声压级(SPL)。SPL与声波周围介质(空气)的声阻,膜的运动频率和幅度三者乘积成正比。电容式传感器,如MEMS电容超声波传感器(CMUTs),用于医疗应用时,周围的介质是液体,超声频率大于几兆赫,需要高压驱动换能器。

  然而,高频超声波在空气中以吸收损耗从约40千赫频段1分贝/米到800千赫频段100分贝/米的速度迅速衰减。为此,空气耦合超声换能器通常工作频段为在40到200千赫。在这个频段,由于空气比流体的声阻抗要低得多,超声波换能器必须振动幅度超过1微米才能在一个声压级传播,足以保证从与传感器有超过几厘米的物体的回波被测量到。CMUTs要满足这种振幅,就需求较大的空气间距和超过100V的高电压才能运行。

  因此在一个低电压器件中产生高压声波,也就是灵敏的接收器,需要振动膜的位移不受背板的限制。

  答案就是压电效应。压电效应在1880年由居里兄弟首先发现,指某些材料发生机械变形会产生电荷的能力。在MEMS压电超声传感器(PMUT),这种变形使换能器转换将入射超声压力波转换成电信号。PMUT传输超声波运用的是压电效应。当电场施加在PMUT,压电材料的膜发生机械变形,从而发射超声波。PMUT没有背板,不会阻挡膜的运动。

  压电MEMS器件如PMUTs依靠压电薄膜,它通常是化学溶液或蒸汽沉积法制作。二十年前,由这些方法沉积的压电薄膜和其块状陶瓷状态的特性不同,薄膜的应力和压电系数很难控制,且沉积过程是不可重复的。但受惠于一些关键应用如喷墨打印头和射频滤波器,研究人员和设备制造商已经解决了这些问题。两种压电材料:PZT(锆钛酸铅)和AlN(氮化铝)问世。当今,制造商在传统的超声换能器制造通常使用PZT。

  MEMS技术的突破预示着手势识别世界即将来到

  通过测量一个声音的飞行时间确定一个物体的位置。三次飞行时间测量从三个维度定位对象。

  Chirp Microsystems公司的PMUT技术来自加利福尼亚大学的伯克利传感器和执行器中心授权,正在开发基于超声波界面的用户接口收发器。

  从外观来看,Chirp Microsystems的超声波收发器和MEMS麦克风相同。器件内部包括PMUT芯片和定制超低功耗混合信号IC,用于管理所有的超声信号处理,即使没有外部处理器的监控也能运行。因此,传感器的功耗非常低,一次测量的消耗约4微焦耳,低采样率时电流为微安级。这相当于用于全民健身计步器的MEMS加速度计一直在线时的功耗。

  一个物体的三维位置,如手或手指,可以由至少三个传感器并结合使用一种称为三边测量法是算法确定飞行时间,类似于一个GPS接收机从卫星星座接收位置的方法。在Chirp的系统中,有一个低功耗的微控制器,作为传感器中枢来配合三边测量。因为每个传感器处理一边的超声波信号,传感器中枢只需要用最小的计算量读取每个传感器的飞行次数,通过三边测量法计算出最近目标的三维坐标。

  Chirp在2016年CES技术展览会上首次公开展示其超声波手势感知技术。该公司目前正在与多家制造商合作,以实现在可穿戴设备的超声波手势感知和超声波控制器跟踪在虚拟现实和游戏机的应用,希望这些产品能在2017年底上市销售。Chirp是目前唯一一家拥有商业化的空气耦合超声波PMUTs的公司,但还有一些公司正在开发其他用途的PMUTs。例如,初创公司eXO System正在开发大PMUT阵列用于便携式医疗超声系统,惯性传感器制造商InvenSense在2015年底宣布将于2017年推出一款基于PMUT的超声波指纹传感器UltraPrint。

  基于MEMS的低功耗压电超声波技术将改变未来消费电子世界。采用超低功率超声波技术的简单电子设备,如手机和手表,能通过实时在线感知实现对环境的感知。当被放置在钱包里、口袋里、袖套时能进入低功耗模式,需要时可立刻唤醒。房间和车辆可以感觉到我们的存在,根据用户的娱乐、照明和信息喜好进行响应,且无需安装烦人的相机。平板电脑、娱乐系统,甚至光开关都可以采用基于手势的界面,通过简单的运动提供直观的控制。如果物联网将实现数以百亿计的智能设备连接,那么2020年,我们更需要一个比语音和触摸更好的方式来与这个世界的互动。

  具有讽刺意味的是,当这种直观的手势用户界面进入我们的日常生活时,我们都会很快忘记它的存在。我们会不自觉地挥挥手让手机静音,用手指在手腕刷一下上发送文本,或挥挥手切换应用程序。在房间的某个地方,在桌子上,或者在你身体的某个地方,一个微小的超声波传感器艰难地工作着,它要从周围懒惰的空气分子冲出来,从我们周围未使用到的超声波频谱提取出有用的信息。

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