卷土重来,3D Touch迎来新风口

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通过类似于3D touch这样的压力触控/触觉反馈技术消除物理按键,为用户提供一个额外维度的人机交互界面,正成为现在消费类电子产品新的、重要的设计趋势。推动这一趋势的主要因素是对未来工业设计的需求,以及此设计可提供的组合优势,例如防水/防尘、意图检测和新的用户体验。

“我们估计这个市场的总规模可以轻松达到数十亿美元。”他说。

为何没能一炮而红

但让人们感到好奇的是,3D touch技术被用于智能手机、智能手表和电子设备中的时间其实并不短,不过似乎没有掀起多大的波澜。没有一炮而红的原因,有行业分析人士认为一是与它在应用上没有太多刚需场景有关。比如,对消费者来说,直接用力按压app图标执行操作,与点击打开app再执行操作,两者之间其实并没有特别大的差别;另外一个原因,则是现有方案的一些限制,阻碍了它们的进一步普及。

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追溯到2015年苹果在iPhone 6S上推出的3D Touch功能就能发现,为了实现该方案,苹果不得不给手机带来一个坚实的背板来承载电容传感阵列。同时,考虑到结构变形可能会让其灵敏度发生明显变化,厂商就必须从结构上做更多的投入和思考。更重要的是,3D Touch的投入会带来更高的成本,这就让不少厂商望而却步。

 

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iPhone 6S的 3D Touch电容式触摸传感器

如上图所示,iPhone 6S的方案除了拥有一个传感器外,还需要一个额外的控制器。有行业人士指出,市场上一些采用“传感器+MCU”的设计不但需要搭配多块的长条形FPC模组,还要在在单个模组中摆放2颗压感sensor,造成中框开大孔,不利于散热,其功耗和成本也高。更有甚者,相关模组是开发人员根据项目需求定制的尺寸,通用性差。此外,压感材料印刷还易导致微裂缝,一致性、良率不如硅材质。

Julius Tsai对此的看法是,3D touch是一项新型传感技术,涉及到机械、工业、用户体验和软件等多个学科的融合,需要在方案设计的早期阶段便参与其中。由于这项技术较为复杂,需要很长的设计周期才能推向市场,而扩大适用范围的关键,就在于确定正确的杀手级应用以及适当的客户群。

于是,他将票投给了手游和汽车两大市场。

IDTtechEx的数据表明,在过去的十年中,每个设备的“触觉花费”和带有触觉功能的设备的百分比都得到显著增长。而Markets and Markets的预测则指出,展望未来,触觉技术市场到2022年将达到195.5亿美元,2016年至2022年之间的复合年增长率为16.2%;Market Research Future等其他机构也发布了相似的数据。智能手机、PC触控板、可穿戴设备和VR/AR系统等消费电子设备中对触觉越来越多的需求,成为推动市场增长的主要驱动力。

 

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图片来源:IDTtechEx

如果继续加以细分,以手游市场为例,数据分析平台Sensor Tower最新公布的数据显示,2021年全球手游市场(包括App Store和Google Play双渠道)内购收入就达到了896亿元,超过70%的手机线上交易是在游戏中完成的。手机制造商肯定无法忽视线上交易的趋势,因此,如何向玩家提供极致的操控体验,自然成为手机厂商和芯片厂商关注的重点。

当前,手机越来越大、越来越薄,传统操控方式特别是用单手操控很难,需要找到替代方案。同时,手机游戏越来越多,玩家在屏幕上过多的操作以及由此带来的操作延迟,会严重影响游戏体验,需要更专业、体验更好的操控方式。

以第一人称射击游戏为例,在诸如瞄准和射击这样的生死关头,瞄准和射击之间的反应时间就是决定成败的关键。“与其说我们应该制作一款游戏专用手机,不如说我们应该制作一款能够满足游戏需求的手机。”Julius Tsai认为,3D touch技术就可以提供非常直观且快速的响应,同时使用起来十分自然,极具前景。

目前,Qorvo产品已经被广泛应用到Google-Fitbit、Philips、黑鲨和魅族等移动设备中,并在特斯拉、奇瑞、吉利和高合等车型上实现量产。

3D Touch新玩家

面对这样的“新风口”,Qorvo在2021年5月完成了对NextInput公司的收购。成立于2012年NextInput是一家为移动应用、真正无线立体声(TWS)、消费、汽车、物联网、机器人、医疗和工业市场提供基于MEMS传感器解决方案的厂商,其MEMS力度传感器和红外(IR)检测传感器能够以出色的性能取代按钮和电容式触摸解决方案,打造了新的用户接口可能性。

按照Qorvo方面的说法,通过该收购,Qorvo MEMS技术产品组合得到了进一步扩充,公司也能够利用基于MEMS的传感器加快力度感测解决方案的部署。

QM98000是一颗在3D Touch市场极具话题度的芯片。作为一颗使用MEMS工艺打造的标准IC,QM98000采用1.33x1.43x0.22mm的封装尺寸,不但集成了传感器和模拟前端,无需MCU,还拥有极其出色的灵敏度,可以只用单颗Sensor的信号就能覆盖半屏。其采样频率最高可达1KHz,拥有自动补偿校准、超低功耗、内置温度传感器和温度补偿逻辑等功能,在线性度、一致性和可靠性方面性能出色。

Qorvo方面指出,基于QM98000芯片的长条形模组可以直接替代市场上的现有方案。其提供的Standoff设计更是能将器件保护在中间,能够防止极端情况下碰撞。又因为中框开孔仅露出QM98000芯片,考虑到该芯片的小尺寸,这就使得该方案拥有开孔小,利于散热等特性。加上其信号强度支持单芯片覆盖半屏,因此该模组距上边框仅有15mm,符合新一代手机压感设计要求。

“无论任何设计,要做到尺寸、功耗和性能(力度传感器的灵敏度)的平衡都非常困难。而且,客户的关注点也各不相同,有的关注灵敏度,有的关注功耗。”Julius Tsai说这给他们的设计工作带来了极大的挑战——既要实现不同要素间的平衡,更要努力提供最小型、最低功耗和最高灵敏度的高品质力度传感器。当然,价格因素也不能忽略,要确保所有产品均在可承受的价格范围内。

“很幸运,我们做到了,我们可以提供独特的功能组合,使传感器能够以不同的尺寸、功耗、形状和ASP实施。并且,Qorvo传感器是唯一能够在从30美元的耳塞式耳机到超过10万美元的电动汽车中均有所应用的产品。”他说。

汽车,触觉应用新热点

在汽车设计领域,电动汽车设计犹如一张白纸。新的市场参与者可以自由地重新设计人们如何使用汽车以及如何与汽车互动。自动驾驶可为驾驶员或乘客提供更多的空闲时间来处理工作或娱乐。人们会更加注重舒适性、内部设计和使用体验。所有这些需求都将成为未来工业设计的驱动力,而力度感测则是一个关键的促成因素。

在过往的汽车设计中,无论是出于安全还是保守的缘故,大多数汽车内部的控制功能几乎都由机械按键加以完成。但随着智能汽车的兴起,中控屏、智能后视镜、多功能方向盘、座椅控制,包括压力传感器(force sensor)、电容触控、振动反馈、更大的显示屏、各种新材料在内的智能表面产品,被越来越多的引入汽车内部。

例如方向盘的按键就可以从“物理”按键变成“虚拟”按键;同时,许多研究表明,有了触觉反馈,可以减少驾驶员眼睛在触摸屏上的停留时间,减少事故发生的次数,极大提升驾驶的安全性。

为此,Qorvo也推出了两款包括传感器和模拟前端的车规级解决方案:“Force sensor only”能支持更多样化的表面材料(包括金属),厚手套以及有水环境的操作;“Force sensor+电容触控”方案则可以解决单一电容触控技术易被干扰而导致误触发的问题。

 

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图源:Qorvo

如今,这两种实现方式在方向盘、门开关和中央控制台中均有所运用,但不会针对应用本身设定特定的实现方式,更多的是要考虑价格范围、机械结构、以及如何用最简的设计实现最优的体验等。

但,“宝马和梅赛德斯奔驰的触觉体验是有所不同的”,如何提供那种流淌在指尖的精准触感和差异化方案,是Julius Tsai及其团队需要面对的挑战。他解释说,Qorvo的做法是与OEM和一级供应商合作,以确保功能的出色整合。其中,面向不同目标用户群设置的触摸体验由OEM 和一级供应商定义,Qorvo传感器负责通过数字编程特性来实现差异化体验。

结语

从按键、按钮到传统触控屏,人类与设备的交互方式在过去十几年里发生了巨大的转变。但其实,总体来看,技术的进化很像人类的生物进化,不可能是单一性质,非此即彼,更多的时候是协同发展,未来的人机交互技术一定会呈现百家争鸣的良性竞争状态。

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