摘要:9月28日,国产压力传感器技术提供商纽迪瑞(NDT)在深圳召开了媒体交流会,分享了纽迪瑞近十年来在柔性MEMS压力传感器领域的布局和最新进展。

9月28日,国产压力传感器技术提供商纽迪瑞(NDT)在深圳召开了媒体交流会,分享了纽迪瑞近十年来在柔性MEMS压力传感器领域的布局和最新进展。

压力传感——人机交互的全新维度

随着人机交互技术的持续发展,各类智能终端设备的形态和交互方式也在巨大的改变。比如在2G功能机时代,人机交互的主要方式是通过按键,到了3G时代,支持点单触控的电阻屏开始大行其道,而随着支持多点触控的电容屏的苹果iPhone推出之后,电容式触控很快开始流行,至今已经成为了众多智能终端的最主流的人机交互方式。

值得注意的是,在2015年,苹果又推出了全新的压力传感技术Force Touch,并将其应用于苹果的Apple Watch、MacBook等产品当中。Force Touch技术的加入,使得设备在支持电容触控的基础上,可以感知压力的力度,并调出不同的对应功能。

苹果当时就表示,Force Touch是研发Multi-Touch(多点触控)以来,最重要的全新感应功能。

很快,苹果又在Force Touch基础上推出了更加灵敏的3D Touch技术,并在iPhone 6s手机上成功应用,将人机交互由2D屏幕触控的维度带入了全新的3D维度。

3D Touch为何受市场冷遇?

作为手机行业的风向标,苹果的一举一动往往都会带动手机行业的发展趋势。而在支持3D Touch的苹果iPhone 6s推出前后,不少手机厂商也有跟进,推出压力触控手机产品。比如,在2015年10月,中兴推出了其第一款3D Touch手机Axon Mini,随后努比亚推出了全球首款压力按键手机Nubia Z9精英版。值得一提的是,这两款手机内部的压力传感器都是由纽迪瑞提供的。

但是,这一热潮并未持续多久,就很快冷却了下来。究其原因,芯智讯认为,主要还是在于当时技术成熟度不够,成本也较高,需要底层系统的支持,同时配套的应用软件也较少。虽然,对于一些热爱通过电子设备进行绘画或者手写的用户来说,压力传感的加入确实很有用(笔触粗细可以随着按压的力度来变化),但是对于大多数普通用户来说,压力传感的加入并未给交互体验带来多大的提升,相反硬件成本却要提高不少。这也使得压力传感技术在当时并未被市场所广泛接受。

对此,纽迪瑞创始人兼CEO李灏博士也表示,3D Touch本身就是基于电容式触控基础之上增加的一个新的压力感应维度,主要还是在原来交互上做一些锦上添花的功能,再加上相关配套的软件应用较少,直接用电容触控就能解决的事情,为什么还要用压感呢,这个时候用户的惰性就表现出来了,这也使得3D Touch的使用率较低。

压力传感市场爆发在即!纽迪瑞携柔性MEMS技术开创人机交互新篇章!-芯智讯

△纽迪瑞创始人兼CEO李灏博士

此外,李灏博士认为,当时的压力传感器的成本太高也是阻碍其发展的一个重要因素。“一套下来需要增加十几美金的成本,但是用户体验却并没有提高多少,这也使得很多手机厂商也不太接受这样高的成本。”

纽迪瑞三大核心技术加持,破解应用难题

所谓柔性MEMS(即微机电系统)压力传感器就是使用柔性材料制作的MSMS压力传感器,通过直接检测材料表面变形来感知力度,相对于传统的硅基MEMS压力传感器来说,其由于具有的柔性的特质,使得它对于系统其他部件的结构和内部空间结构要求较低,具有更强的适应性,应用范围也更广。比如折叠屏设备、内部空间狭小的可穿戴设备都可以应用。

而传统的硅基MEMS压力传感器主要是通过测量面板与固定位之间的间距变化,导致对MEMS的触点产生的挤压来测量压力。由于需要检测面板间距变化,需紧密支撑,对结构依赖度高,并且容易受到外部结构变化的影响,这也使得其在部署上对于其他部件结构和内部空间结构要求较高,组装更为复杂,可适应性和应用范围相对较窄。

“纽迪瑞是真正全球首家将柔性MEMS的概念商业化的公司,也是做了几年之后,才开始想清楚这是为了解决交互的问题。”

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△纽迪瑞的柔性MEMS压力传感器模组

据李灏博士介绍,纽迪瑞的柔性MEMS压感技术有三大核心技术优势:

1、可印刷的高精度应变感应材料。这是一种高灵敏度压阻式柔性材料,当其受力的作用产生拉伸或压缩时,其电阻值会发生显著变化,可以把力信号变为电信号,因此可用作压力传感器。据介绍,该材料可以检测到拉伸和压缩应变,在较大的应变范围内可保持线性输出。最小工作压力为30g,可检测到最低1μm的面板形变,非常的灵敏。

2、即贴即用易集成压力传感器。由于纽迪瑞的压力传感器是基于柔性材料制作的,这也使得其具有可弯折、可伸缩的特性,可以适应各种设备不同的内部空间结构的要求,可做到即贴即用,非常的便于集成。

“纽迪瑞把传感器能做得像一个创可贴一样,撕掉背胶贴上就可以使用,非常的方便。”李灏博士形象的比喻到。

3、定制化芯片+独创自有算法。纽迪瑞可以根据客户产品形态的需求,生产定制化的柔性MEMS压力传感器,并且基于现有的集成电路工艺流程,可以快速的实现大规模、低成本的量产。

这里提一句,虽然目前还有电容式的压力传感技术,采用的是双层结构,可通过极板间距变化导致电容值改变来反应压力变化,但是经过一段时间使用后,两层极板之间的间隙可能会发生变化,从而导致精准度下降。同时,在装配时的公差也需要严格限制,甚至装配时一颗螺丝的拧的松紧度不同都会产生影响。相比之下纽迪瑞的柔性MEMS传感器则没有这些问题。

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当然,光有好的传感器是不够的,还需要配合相应的算法,才能够很好的解读不同压力信号所代表的交互意义。纽迪瑞目前的压力传感器都配套有纽迪瑞独创的自有算法。当然,如果客户要求自己做算法,纽迪瑞也可只提供传感器。

得益于以上三大核心技术优势的加持,纽迪瑞的柔性压力传感器的成本也得以大幅降低。比如,柔性压力传感器可印刷、即贴即用、易于集成的特性,就使得其相比传统的压力传感器在使用成本上降低了50%。此外,纽迪瑞还不断通过改善工艺流程等手段,持续的解决压力传感器的高成本问题。

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值得一提的是,纽迪瑞拥有70多项国内外核心技术专利,涵盖了材料、结构、方案、量产等多个环节。纽迪瑞还开发了从材料到算法到模组到一体化的实现和量产工具,实现了全产业链的高度垂直整合,这也使得纽迪瑞的产能能够持续保持较高的良率,同时成本也能够得到很好的控制的关键。

“纽迪瑞的主力市场其实在最有挑战性的消费类市场。在这个市场,不仅要把产品做得好,还要让别人用得起。所以我们一直在推进标准化,希望把模组的性价比做到最高。”纽迪瑞公司市场销售副总裁任璐佳透露:“现在纽迪瑞的压力传感器的成本已经做到了接近于实体按键。”

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△纽迪瑞市场销售副总裁任璐佳

总结来说,得益于纽迪瑞在柔性MEMS压感技术的三大核心优势,以及良率上的提升和成本上的快速降低,破解了终端设备在集成压力传感器上所面临的硬件上和成本上的难题。

此外,马达作为压力反馈是非常重要的重要的器件,也是客户使用体验好不好的重要因素。目前在马达这块,中国厂商已经做得非常的不错,可谓是物美价廉,反馈效果也很出色。

任璐佳表示:“我们几年前在和手机厂商配合的时候,那时候的马达效果就已经非常好,压力输入非常好,但是马达驱动的反应比较慢。原因在于它的信号链要去绕一圈,从传感器到AP、从AP再到马达,这时候需要350ms。但纽迪瑞现在最新的样机做出来,基本上做到80ms,甚至跟手机的实体按键效果一模一样。”

任璐佳强调,从目前来看,第一产业链更成熟了,第二系统方案的成本更接近实体按键的需求,所以纽迪瑞认为压力传感器的应用落地将会进一步加速。

市场需求正加速爆发

随着柔性MEMS压力传感技术的发展成熟和成本的大幅降低,再加上智能手机全面屏、无孔化设计的发展,以及各类手游对于手机游戏体验要求的提升,对于压力传感的需求正加速爆发。而这也进一步加速了纽迪瑞的压力传感器的出货的增长。

首先在全面屏手机的演化上,为了追求屏占比,屏下指纹、瀑布屏已经被很多的手机所采用,而在交互上,也开始加入压力传感器来弥补全面屏对于传统按键的影响。比如,作为全球首款采用压感屏幕指纹的手机——小米8透明探索版就采用了纽迪瑞提供的高灵敏压感传感器及屏幕指纹压感解决方案。采用瀑布屏的vivo NEX3 / 3S系列等就在手机侧边配备了隐藏式压感按键(由7个传感器组成的压力传感器阵列,配合压力算法模型和X轴线性马达,可实现微米级的精准识别,以及震动反馈),并且隐藏压感按键配备独立电源系统,在关机中也可独立正常使用。解决了瀑布屏无法在手机侧边部署传统的电源/音量调节的物理按键的难题,同时带来了全新的交互体验。

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随着近两年“吃鸡”等手游的火爆,不少智能手机厂商也开始在手机侧边加入压感按键,为原本触控操控相对复杂的游戏,开启了更多独特的操控交互体验。比如,vivo旗下的iQOO系列手机就加入了Monster Touch侧边压感按键功能,而这些压感传感器也是由纽迪瑞科技独家提供的。

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此外,自去年以来,不少手机厂商开始追求无孔化设计,使用无需开孔的压感按键来替代物理按键。比如魅族Zero、vivo Apex 2019/2020等,已经让我们看到了无按键带来的一体化外观的惊艳。

与此同时,在笔记本电脑、TWS耳机上,压力传感技术也开始崭露头角。

对于笔记本电脑来说,本身触控板面积就比较小,又有两个实体左右键在上面或者在下面,交互体验比较差。如果能够使用压力触控去替代实体的左键或右键,则可以很好的提升交互体验。所以,我们也可以看到,联想、华为的笔记本电脑已开始在触控板上加入压感技术。

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在TWS耳机方面,苹果去年推出的AirPods Pro上就加入了压感技术,苹果就做成了可以捏一下、捏两下、捏三下、长捏可获得不同的功能调节反馈。但是,它的交互语言不完备,并未解决音量调节的问题,目前仍然是需要通过手机或者调出语音助手Siri来调节音量。

相比之下,华为近期最新推出的同样集成了压力传感技术的Freebus Pro则解决了这一问题,其正是采用了纽迪瑞的压力传感器。纽迪瑞将电容交互和压感交互全部放到了一个非常小的传感器里面,实现了交互上的完备、自洽。

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△纽迪瑞展示基于其柔性MEMS压力传感器的华为Freebus Pro

李灏博士称:“压力交互加入,可以对用户意图的进行进一步理解,就好像我在看电子书的时候就希望把手指放在上面,它能理解我按一下就能翻页,打游戏的时候希望按一下就能开枪。通过与电容触控的融合,可以进一步提升体验。我们现在正通过标准化的模组,比如直接在屏下布两个标准模组,就能够让大家用非常少的成本实现压力触控。对于压力触控未来的市场前景,纽迪瑞看到的是,它是正在快速爆发,并有望成为一个大家都会使用的功能。”

据了解,目前纽迪瑞的11家手机客户中,有9家已经量产了。其中配合品牌手机客户量产的旗舰机型已经超过30款。纽迪瑞的压力传感器的累积的出货量已经超过5000万套了。需要指出的是,这个不是指单个的模组,因为在很多手机上已经采用了传感器阵列(多个传感器)。

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“纽迪瑞做的是硬科技,是最软的硬科技——柔性MEMS。但它其实是从材料,一点点演进,最后商业化。从材料学到一个商业化的落地,在十年的时间能做到这样,其实是非常不容易的。这当然是十年磨一剑,但实际上不只是磨一剑,纽迪瑞是真正地开创了一个领域。我们相信在这个领域里面还会长非常多的果实。”李灏博士最后总结到。

作者:芯智讯-浪客剑