如今，半導體技術已深度融入現(xiàn)代生活的方方面面，讓我們的家居、工作場所和城市環(huán)境實現(xiàn)了互聯(lián)互通與自動化。從簡單的設備激活操作到復雜的控制系統(tǒng)，這些技術進步都依賴物理觸控和無線接口來提升用戶體驗。在幾乎所有市場領域，這一技術變革都推動了智能表面的發(fā)展——通過用無縫、可交互的面板取代傳統(tǒng)的機械按鈕，重新定義了人機界面（HMI）。

早期的觸控傳感器實現(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)先進傳感解決方案的必要性，以克服這些限制。此外，傳統(tǒng)機械按鈕僅提供兩種輸入狀態(tài)——即“開”或“關”，而壓力傳感技術的引入則解鎖了多級意圖識別功能，為各種應用場景帶來了全新的深度與功能維度。

全新的HMI傳感器技術能夠在各種材料上實現(xiàn)高靈敏度觸控檢測。其堅固的設計使其非常適用于汽車、工業(yè)、消費電子等眾多領域。此類新型固態(tài)解決方案專為滿足汽車等嚴苛標準而設計，不僅消除了機械按鈕的故障隱患，還降低了維護成本，同時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用中，可在低功耗和小尺寸封裝下，實現(xiàn)高靈敏度的HMI多級感測、XYZ軸感測、邊緣感測和喚醒感測。本文將探討HMI技術的進步，重點關注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實現(xiàn)高靈敏度、緊湊且可靠的觸控界面，克服傳統(tǒng)HMI設計的局限。關鍵議題包括傳感器架構、與競爭對手的性能對比，以及微型化和低功耗設計在各類應用中的優(yōu)勢。

HMI 傳感器基礎知識

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

圖1，傳統(tǒng)壓力傳感器與Qorvo壓力傳感器方案對比

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

Qorvo的壓力傳感器與應變片和壓阻效應的工作原理相同，但采用了先進的專有技術，在力測量精度方面實現(xiàn)了顯著提升。借助先進的半導體制造工藝，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；其靈敏度可達傳統(tǒng)應變片的50倍之多，從而在系統(tǒng)層面上實現(xiàn)卓越的精度。這一能力使其能夠準確監(jiān)測施加的力，因此非常適用于微型化且高靈敏度要求的應用場景。

所有Qorvo的微機電系統(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械部件巧妙地集成在一個微小的封裝中；如圖2所示。

圖2：惠斯通電橋應變片方法

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

圖3，力輸出線性度

Qorvo壓力傳感器的進一步分析

Qorvo的壓力傳感器能夠檢測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”測試中，Qorvo壓力傳感器被放置在一塊由實心丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）材料制成的大“磚塊”底部。該測試展示了此類壓力傳感器在實際場景中的高靈敏度。采用這種高靈敏度傳感器，意味著過去需要多個傳感器才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在只需更少的傳感器就能達到相同的效果。

圖4，傳感器測試：展示Qorvo壓力傳感器的高靈敏度

將競品傳感器技術與Qorvo壓力傳感器進行進一步對比分析，凸顯了Qorvo傳感器顯著優(yōu)越的靈敏度與性能。在以下測試中，兩種傳感器類型在相同條件下接受評估，以進行直接對比。如圖5所示，Qorvo傳感器的力靈敏度達競品的六倍。這一對比顯示，Qorvo傳感器更適合需要更致密材料或更厚表面的應用。

圖5，Qorvo與競品壓力傳感器對比

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硬、更厚實的材料——在此類材料上，許多競品傳感器往往難以有效檢測所施加的力。

圖6，壓力傳感器應用中，使用的各種粘合劑和觸控表面的泊松比

除了適用于硬質或厚實材料外，Qorvo傳感器還非常適合無縫或柔韌表面。例如，傳統(tǒng)電動牙刷常使用穹頂式開關；這類開關隨時間推移可能出現(xiàn)表面裂紋，且因環(huán)境暴露易受潮濕侵蝕。相比之下，Qorvo傳感器無需機械間隙或活動部件，降低了磨損、裂紋和因潮濕導致故障的風險，是密封、耐用產(chǎn)品設計的理想之選。

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。與競品方案不同，Qorvo采用專有封裝技術，在一個小封裝內提供了高度集成的解決方案，實現(xiàn)了獨特高效且集成化的設計。Qorvo的產(chǎn)品利用硅基材料構建全集成模塊，不僅滿足了客戶對傳感器尺寸小巧的需求，還帶來了降低傳感器器件整體功耗的額外優(yōu)勢，從而為客戶的整個系統(tǒng)縮減了功耗。Qorvo傳感器工作電流僅為個位數(shù)微安級別，功耗低于系統(tǒng)整體漏電流，使其成為傳統(tǒng)機械電源開關的可行替代方案。

結語

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)壓力感測技術面臨的關鍵難題。通過將先進的壓阻傳感技術與全惠斯通電橋架構以及片上放大和轉換功能相結合，Qorvo實現(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。無論是在時尚輕薄的消費電子產(chǎn)品中，還是堅固耐用的工業(yè)系統(tǒng)，Qorvo正通過更智能、更靈敏、更可靠的傳感器技術，重新定義人機交互范式。作為HMI傳感器技術的領軍企業(yè)，Qorvo致力于打造行業(yè)領先的品質保障；其傳感器完全符合嚴格的AEC-Q100車規(guī)標準。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)定可靠地運行。