超越表面：触控传感器技术创新，提升人机界面体验

如今，半导体技术已深度融入现代生活的方方面面，让我们的家居、工作场所和城市环境实现了互联互通与自动化。从简单的设备激活操作到复杂的控制系统，这些技术进步都依赖物理触控和无线接口来提升用户体验。在几乎所有市场领域，这一技术变革都推动了智能表面的发展——通过用无缝、可交互的面板取代传统的机械按钮，重新定义了人机界面（HMI）。早期的触控传感器实现方式存在诸多显著局限，例如触控灵敏度低、在寒冷条件下可用性差、应用尺寸不断缩小，以及整体耐用性存疑等。这些挑战凸显了开发先进传感解决方案的必要性，以克服这些限制。此外，传统机械按钮仅提供两种输入状态——即“开”或“关”，而压力传感技术的引入则解锁了多级意图识别功能，为各种应用场景带来了全新的深度与功能维度。

全新的 HMI 传感器技术能够在各种材料上实现高灵敏度触控检测。其坚固的设计使其非常适用于汽车、工业、消费电子等众多领域。此类新型固态解决方案专为满足汽车等严苛标准而设计，不仅消除了机械按钮的故障隐患，还降低了维护成本，同时提升了可靠性与可用性。

Qorvo 的 HMI 压力传感器解决方案集成于智能表面应用中，可在低功耗和小尺寸封装下，实现高灵敏度的HMI多级感测、XYZ轴感测、边缘感测，和唤醒感测。本文探讨了HMI技术的进步，重点关注Qorvo的创新压力传感器解决方案。文章研究了Qorvo的集成式固态压力传感器如何通过实现高灵敏度、紧凑且可靠的触控界面，克服传统HMI设计的局限。关键议题包括传感器架构、与竞争对手的性能对比，以及微型化和低功耗设计在各类应用中的优势。

HMI 传感器基础知识

从宏观层面来看，一个有效的压力传感系统需要四个关键组件：将感知到的力转换为电信号的传感元件、放大信号的低噪声放大器、将模拟信号转换为数字输出的模数转换器（ADC），以及处理该信号的微控制器单元（MCU），如下图1所示。

图1，传统压力传感器与Qorvo压力传感器方案对比

图1对比了传统压力感测系统设计与Qorvo创新解决方案之间的差异。Qorvo采用了全硅设计，将低噪声放大器和ADC直接集成在一个更小的传感器器件中，使得在产品尺寸缩小了一个数量级，从而拥有比竞品更小的占板面积。此外，Qorvo的传感器配备I2C接口功能，可与客户的主机端信号处理MCU协同工作。

Qorvo的压力传感器与应变片和压阻效应的工作原理相同，但采用了先进的专有技术，在力测量精度方面实现了显著提升。借助先进的半导体制造工艺，Qorvo充分发挥硅材料固有的压阻特性，制造出灵敏度极高的传感器；其灵敏度可达传统应变片的50倍之多，从而在系统层面上实现卓越的精度。这一能力使其能够准确监测施加的力，因此非常适用于微型化且高灵敏度要求的应用场景。

所有Qorvo的微机电系统（MEMS）传感器均采用全惠斯通电桥传感器元件配置。其核心在于将电子和机械部件巧妙地集成在一个微小的封装中；如图2所示。

图2：惠斯通电桥应变片方法

这种全惠斯通电桥方式不仅提高了灵敏度，还改善了温度补偿性能，并带来更大的输出信号。此外，全桥配置提供了与所施加力直接成正比的线性输出，确保了更高的测量精度。例如图3所示，对Qorvo数字压力传感器参考设计的铝制外壳顶部施加压力，会产生强劲且线性的力计数响应。这表明该传感器能够针对给定的施力提供一致且准确的信号输出。

图3，力输出线性度

Qorvo压力传感器的进一步分析

Qorvo的压力传感器能够检测从如羽毛般轻柔的指尖触碰、戴手套的手指按压，到不同力度的触摸，并可区分轻触和重压。如下图4所示的“砖块”测试中，Qorvo压力传感器被放置在一块由实心丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）材料制成的大“砖块”底部。该测试展示了此类压力传感器在实际场景中的高灵敏度。采用这种高灵敏度传感器，意味着过去需要多个传感器才能实现的功能，现在只需更少的传感器就能达到相同的效果。

图4，传感器测试：展示Qorvo压力传感器的高灵敏度

将竞品传感器技术与Qorvo压力传感器进行进一步对比分析，凸显了Qorvo传感器显著优越的灵敏度与性能。在以下测试中，两种传感器类型在相同条件下接受评估，以进行直接对比。如图5所示，Qorvo传感器的力灵敏度达竞品的六倍。这一对比显示，Qorvo传感器更适合需要更致密材料或更厚表面的应用。

图5，Qorvo与竞品压力传感器对比

Qorvo的高灵敏度使其传感器在各种触控表面中表现出色，即便是铝材或不锈钢等更坚硬、更厚实的材料——在此类材料上，许多竞品传感器往往难以有效检测所施加的力。

图6，压力传感器应用中，使用的各种粘合剂和触控表面的泊松比

除了适用于硬质或厚实材料外，Qorvo传感器还非常适合无缝或柔韧表面。例如，传统电动牙刷常使用穹顶式开关；这类开关随时间推移可能出现表面裂纹，且因环境暴露易受潮湿侵蚀。相比之下，Qorvo传感器无需机械间隙或活动部件，降低了磨损、裂纹和因潮湿导致故障的风险，是密封、耐用产品设计的理想之选。

小尺寸与低功耗

如前所述，Qorvo压力传感器具有紧凑的外形尺寸。与竞品方案不同，Qorvo采用专有封装技术，在一个小封装内提供了高度集成的解决方案，实现了独特高效且集成化的设计。Qorvo的产品利用硅基材料构建全集成模块，不仅满足了客户对传感器尺寸小巧的需求，还带来了降低传感器器件整体功耗的额外优势，从而为客户的整个系统缩减了功耗。Qorvo传感器工作电流仅为个位数微安级别，功耗低于系统整体漏电流，使其成为传统机械电源开关的可行替代方案。

结语

Qorvo创新型HMI压力传感器解决方案集高精度、高耐用性、小巧尺寸和低功耗于一身，解决了传统压力感测技术面临的关键难题。通过将先进的压阻传感技术与全惠斯通电桥架构以及片上放大和转换功能相结合，Qorvo实现了在各种材料和环境下的高灵敏度、高可靠性，且节省空间的力检测。无论是在时尚轻薄的消费电子产品中，还是坚固耐用的工业系统，Qorvo正通过更智能、更灵敏、更可靠的传感器技术，重新定义人机交互范式。作为HMI传感器技术的领军企业，Qorvo致力于打造行业领先的品质保障；其传感器完全符合严格的AEC-Q100车规标准。我们的解决方案即使在极端温度和高湿度环境下，也能稳定可靠地运行。

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关于作者

我们的作者在面向前沿技术开发及优化传感器融合应用方面拥有丰富的专业技术知识。立足对客户需求和行业趋势的深刻理解，他们与Qorvo的设计团队紧密合作，推动创新，并提供支持行业领先产品的尖端解决方案。

感谢参与本文撰写的主要贡献者：Julius Tsai（MEMS与解决方案总监）、Omar Leung（客户解决方案总监）、Magnus Ahlstedt（产品市场总监）、以及David Schnaufer（技术市场经理）；他们的宝贵支持为我们的读者带来专业知识和反映行业趋势的最新信息。