如今，半導(dǎo)體技術(shù)已深度融入現(xiàn)代生活的方方面面，讓我們的家居、工作場(chǎng)所和城市環(huán)境實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通與自動(dòng)化。從簡(jiǎn)單的設(shè)備激活操作到復(fù)雜的控制系統(tǒng)，這些技術(shù)進(jìn)步都依賴物理觸控和無(wú)線接口來(lái)提升用戶體驗(yàn)。在幾乎所有市場(chǎng)領(lǐng)域，這一技術(shù)變革都推動(dòng)了智能表面的發(fā)展——通過(guò)用無(wú)縫、可交互的面板取代傳統(tǒng)的機(jī)械按鈕，重新定義了人機(jī)界面（HMI）。

早期的觸控傳感器實(shí)現(xiàn)方式存在諸多顯著局限，例如觸控靈敏度低、在寒冷條件下可用性差、應(yīng)用尺寸不斷縮小，以及整體耐用性存疑等。這些挑戰(zhàn)凸顯了開發(fā)先進(jìn)傳感解決方案的必要性，以克服這些限制。此外，傳統(tǒng)機(jī)械按鈕僅提供兩種輸入狀態(tài)——即“開”或“關(guān)”，而壓力傳感技術(shù)的引入則解鎖了多級(jí)意圖識(shí)別功能，為各種應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)了全新的深度與功能維度。

全新的HMI傳感器技術(shù)能夠在各種材料上實(shí)現(xiàn)高靈敏度觸控檢測(cè)。其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)使其非常適用于汽車、工業(yè)、消費(fèi)電子等眾多領(lǐng)域。此類新型固態(tài)解決方案專為滿足汽車等嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)，不僅消除了機(jī)械按鈕的故障隱患，還降低了維護(hù)成本，同時(shí)提升了可靠性與可用性。

Qorvo的HMI壓力傳感器解決方案集成于智能表面應(yīng)用中，可在低功耗和小尺寸封裝下，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的HMI多級(jí)感測(cè)、XYZ軸感測(cè)、邊緣感測(cè)和喚醒感測(cè)。本文將探討HMI技術(shù)的進(jìn)步，重點(diǎn)關(guān)注Qorvo的創(chuàng)新壓力傳感器解決方案。文章研究了Qorvo的集成式固態(tài)壓力傳感器如何通過(guò)實(shí)現(xiàn)高靈敏度、緊湊且可靠的觸控界面，克服傳統(tǒng)HMI設(shè)計(jì)的局限。關(guān)鍵議題包括傳感器架構(gòu)、與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的性能對(duì)比，以及微型化和低功耗設(shè)計(jì)在各類應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

HMI 傳感器基礎(chǔ)知識(shí)

從宏觀層面來(lái)看，一個(gè)有效的壓力傳感系統(tǒng)需要四個(gè)關(guān)鍵組件：將感知到的力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感元件、放大信號(hào)的低噪聲放大器、將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及處理該信號(hào)的微控制器單元（MCU），如下圖1所示。

圖1，傳統(tǒng)壓力傳感器與Qorvo壓力傳感器方案對(duì)比

圖1對(duì)比了傳統(tǒng)壓力感測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Qorvo創(chuàng)新解決方案之間的差異。Qorvo采用了全硅設(shè)計(jì)，將低噪聲放大器和ADC直接集成在一個(gè)更小的傳感器器件中，使得在產(chǎn)品尺寸縮小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而擁有比競(jìng)品更小的占板面積。此外，Qorvo的傳感器配備I2C接口功能，可與客戶的主機(jī)端信號(hào)處理MCU協(xié)同工作。

Qorvo的壓力傳感器與應(yīng)變片和壓阻效應(yīng)的工作原理相同，但采用了先進(jìn)的專有技術(shù)，在力測(cè)量精度方面實(shí)現(xiàn)了顯著提升。借助先進(jìn)的半導(dǎo)體制造工藝，Qorvo充分發(fā)揮硅材料固有的壓阻特性，制造出靈敏度極高的傳感器；其靈敏度可達(dá)傳統(tǒng)應(yīng)變片的50倍之多，從而在系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)卓越的精度。這一能力使其能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)施加的力，因此非常適用于微型化且高靈敏度要求的應(yīng)用場(chǎng)景。

所有Qorvo的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）傳感器均采用全惠斯通電橋傳感器元件配置。其核心在于將電子和機(jī)械部件巧妙地集成在一個(gè)微小的封裝中；如圖2所示。

圖2：惠斯通電橋應(yīng)變片方法

這種全惠斯通電橋方式不僅提高了靈敏度，還改善了溫度補(bǔ)償性能，并帶來(lái)更大的輸出信號(hào)。此外，全橋配置提供了與所施加力直接成正比的線性輸出，確保了更高的測(cè)量精度。例如圖3所示，對(duì)Qorvo數(shù)字壓力傳感器參考設(shè)計(jì)的鋁制外殼頂部施加壓力，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)勁且線性的力計(jì)數(shù)響應(yīng)。這表明該傳感器能夠針對(duì)給定的施力提供一致且準(zhǔn)確的信號(hào)輸出。

圖3，力輸出線性度

Qorvo壓力傳感器的進(jìn)一步分析

Qorvo的壓力傳感器能夠檢測(cè)從如羽毛般輕柔的指尖觸碰、戴手套的手指按壓，到不同力度的觸摸，并可區(qū)分輕觸和重壓。如下圖4所示的“磚塊”測(cè)試中，Qorvo壓力傳感器被放置在一塊由實(shí)心丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）材料制成的大“磚塊”底部。該測(cè)試展示了此類壓力傳感器在實(shí)際場(chǎng)景中的高靈敏度。采用這種高靈敏度傳感器，意味著過(guò)去需要多個(gè)傳感器才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在只需更少的傳感器就能達(dá)到相同的效果。

圖4，傳感器測(cè)試：展示Qorvo壓力傳感器的高靈敏度

將競(jìng)品傳感器技術(shù)與Qorvo壓力傳感器進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析，凸顯了Qorvo傳感器顯著優(yōu)越的靈敏度與性能。在以下測(cè)試中，兩種傳感器類型在相同條件下接受評(píng)估，以進(jìn)行直接對(duì)比。如圖5所示，Qorvo傳感器的力靈敏度達(dá)競(jìng)品的六倍。這一對(duì)比顯示，Qorvo傳感器更適合需要更致密材料或更厚表面的應(yīng)用。

圖5，Qorvo與競(jìng)品壓力傳感器對(duì)比

Qorvo的高靈敏度使其傳感器在各種觸控表面中表現(xiàn)出色，即便是鋁材或不銹鋼等更堅(jiān)硬、更厚實(shí)的材料——在此類材料上，許多競(jìng)品傳感器往往難以有效檢測(cè)所施加的力。

圖6，壓力傳感器應(yīng)用中，使用的各種粘合劑和觸控表面的泊松比

除了適用于硬質(zhì)或厚實(shí)材料外，Qorvo傳感器還非常適合無(wú)縫或柔韌表面。例如，傳統(tǒng)電動(dòng)牙刷常使用穹頂式開關(guān)；這類開關(guān)隨時(shí)間推移可能出現(xiàn)表面裂紋，且因環(huán)境暴露易受潮濕侵蝕。相比之下，Qorvo傳感器無(wú)需機(jī)械間隙或活動(dòng)部件，降低了磨損、裂紋和因潮濕導(dǎo)致故障的風(fēng)險(xiǎn)，是密封、耐用產(chǎn)品設(shè)計(jì)的理想之選。

小尺寸與低功耗

如前所述，Qorvo壓力傳感器具有緊湊的外形尺寸。與競(jìng)品方案不同，Qorvo采用專有封裝技術(shù)，在一個(gè)小封裝內(nèi)提供了高度集成的解決方案，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特高效且集成化的設(shè)計(jì)。Qorvo的產(chǎn)品利用硅基材料構(gòu)建全集成模塊，不僅滿足了客戶對(duì)傳感器尺寸小巧的需求，還帶來(lái)了降低傳感器器件整體功耗的額外優(yōu)勢(shì)，從而為客戶的整個(gè)系統(tǒng)縮減了功耗。Qorvo傳感器工作電流僅為個(gè)位數(shù)微安級(jí)別，功耗低于系統(tǒng)整體漏電流，使其成為傳統(tǒng)機(jī)械電源開關(guān)的可行替代方案。

結(jié)語(yǔ)

Qorvo創(chuàng)新型HMI壓力傳感器解決方案集高精度、高耐用性、小巧尺寸和低功耗于一身，解決了傳統(tǒng)壓力感測(cè)技術(shù)面臨的關(guān)鍵難題。通過(guò)將先進(jìn)的壓阻傳感技術(shù)與全惠斯通電橋架構(gòu)以及片上放大和轉(zhuǎn)換功能相結(jié)合，Qorvo實(shí)現(xiàn)了在各種材料和環(huán)境下的高靈敏度、高可靠性，且節(jié)省空間的力檢測(cè)。無(wú)論是在時(shí)尚輕薄的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，還是堅(jiān)固耐用的工業(yè)系統(tǒng)，Qorvo正通過(guò)更智能、更靈敏、更可靠的傳感器技術(shù)，重新定義人機(jī)交互范式。作為HMI傳感器技術(shù)的領(lǐng)軍企業(yè)，Qorvo致力于打造行業(yè)領(lǐng)先的品質(zhì)保障；其傳感器完全符合嚴(yán)格的AEC-Q100車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。我們的解決方案即使在極端溫度和高濕度環(huán)境下，也能穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。