在当今时代，半导体技术已经深度融入现代生活的各个角落，使得我们的家居、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，这些技术进步都离不开物理触控和无线接口的支持，它们极大地提升了用户体验。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。本文将深入探讨 HMI 技术的进步，重点关注 Qorvo 的创新压力传感器解决方案。文章将研究 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。
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 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。
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。
