大多數(shù)觸摸屏面板的觸覺反饋類型有限或根本沒有。對(duì)于許多類型的手持或可穿戴設(shè)備(如手表、觸摸板、鍵盤、鼠標(biāo)等)也是如此。對(duì)改進(jìn)觸覺反饋的渴望導(dǎo)致一些人仔細(xì)研究壓電傳感器以產(chǎn)生觸覺信號(hào)，它提供了許多對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)發(fā)生器的物理和電氣改進(jìn)。

本文回顧了壓電換能器的原理、理論和建模。它包括對(duì)專門為驅(qū)動(dòng)壓電換能器的獨(dú)特特性而設(shè)計(jì)的電子電路的討論，并分享了使用壓電換能器的觸覺應(yīng)用示例。本文還研究了放大器輸入功率與壓電負(fù)載配置的關(guān)系。

請(qǐng)注意，來自壓電致動(dòng)器的觸覺振動(dòng)使用逆壓電效應(yīng)(即，來自電刺激的振動(dòng))。任何提到的壓電效應(yīng)都是指這種電能到機(jī)械的能量轉(zhuǎn)移。

壓電觸覺簡(jiǎn)介

如今，在大多數(shù)手持或便攜式電子設(shè)備中，觸覺振動(dòng)是由將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的機(jī)電 (EM) 換能器產(chǎn)生的。其中包括偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM) 致動(dòng)器和線性共振致動(dòng)器 (LRA)。這些類型的 EM 傳感器成本低、使用方便，并且可以由電池級(jí)電壓供電。

然而，電磁傳感器也有一些缺點(diǎn)：

它們是產(chǎn)生特定振動(dòng)頻率的共振設(shè)備，對(duì)于 LRA，必須在出廠時(shí)將其校準(zhǔn)為隨機(jī)的共振頻率。

EM 設(shè)備在物理上又大又高(3 到 5 毫米高)，降低了將它們安裝到薄外殼中的能力。

它們產(chǎn)生點(diǎn)源振動(dòng)，不能在表面上產(chǎn)生各種頻率模式。

它們效率低下，每個(gè)觸覺事件都需要大量能量。

LRA 設(shè)備有些脆弱，可能會(huì)因物理或電氣過應(yīng)力(例如，跌落)而損壞。

相比之下，壓電換能器不是基于 EM 能量轉(zhuǎn)換，而是作為觸覺振動(dòng)發(fā)生器表現(xiàn)出色。它們通過反壓電效應(yīng)通過施加的電動(dòng)勢(shì)(即EMF)產(chǎn)生晶體振動(dòng)，通常來自交流電壓源，從而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。

由于幾個(gè)重要特性，壓電換能器具有優(yōu)勢(shì)：

它們很薄(<1 mm)，很靈活，可以安裝在多種選項(xiàng)中，并且可以塑造成幾乎任何所需的圖案。

它們?cè)诒砻鎱^(qū)域產(chǎn)生振動(dòng)，并且可以對(duì)觸摸位置敏感。

它們的效率很高，具體取決于驅(qū)動(dòng)壓電的方法。

它們可以在很寬的頻率范圍內(nèi)再現(xiàn)任何振動(dòng)頻率。

它們可以生成可以進(jìn)行幅度或頻率調(diào)制的觸覺信號(hào)模式。

它們的慣性很小，因此響應(yīng)時(shí)間非常快。

它們不會(huì)產(chǎn)生 EMI 輻射。

請(qǐng)注意，壓電執(zhí)行器需要相對(duì)較高的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)來產(chǎn)生顯著的機(jī)械振動(dòng)，通常為 60 V 至 200 V 峰峰值。此外，壓電致動(dòng)器主要是驅(qū)動(dòng)電路的容性負(fù)載，因此受益于專門的電子驅(qū)動(dòng)電路。稍后將討論有關(guān)此主題的更多信息。

壓電致動(dòng)器結(jié)構(gòu)和物理的詳細(xì)討論超出了本文的范圍;然而，下面是一個(gè)簡(jiǎn)短的描述。壓電換能器根據(jù)應(yīng)用以各種不同的物理配置制造。例如，最常用于觸覺和音頻再現(xiàn)的壓電致動(dòng)器采用雙壓電晶片彎曲器的形式，該彎曲器將安裝(即，膠合)到作為手持或可穿戴外殼或觸摸屏的一部分的內(nèi)表面。圖 1顯示了表面安裝的單層壓電致動(dòng)器的示例。

圖 1：雙壓電晶片壓電促動(dòng)器結(jié)構(gòu)

如圖1，雙晶型彎曲機(jī)通常由一層或多層多晶陶瓷材料組成，這些材料被屏蔽在導(dǎo)電的機(jī)械層(例如黃銅或銅)上。在創(chuàng)建了這些層之后，在壓電結(jié)構(gòu)上施加一個(gè)大的 DC 極化電壓以對(duì)齊晶疇邊界，以增強(qiáng)將產(chǎn)生的逆壓電效應(yīng)力(即，增加每個(gè)電壓 EMF 產(chǎn)生的力)。然后，極化電壓定義了施加電壓產(chǎn)生的機(jī)械力的方向。沿極化電壓方向增加施加的電壓會(huì)增加機(jī)械力或彎曲位移。壓電層的極化可以在相同方向或相反方向上施加。每種方法都有其優(yōu)點(diǎn)，可用于根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建壓電效應(yīng)。

圖 1 中的圖示顯示了安裝在與極化電壓正交的表面上的壓電致動(dòng)器。這種配置(如圖所示施加的 EMF)會(huì)在安裝底座中產(chǎn)生一個(gè)力，因此，壓電元件的偏轉(zhuǎn)很小。如果底座垂直安裝到壓電致動(dòng)器(以虛線顯示)并且致動(dòng)器的另一端不受約束，這將導(dǎo)致壓電的偏轉(zhuǎn)更大。

圖 1中所示的安裝示例是安裝在顯示屏上，該顯示屏?xí)a(chǎn)生傳導(dǎo)到表面的力。這會(huì)產(chǎn)生最大的傳導(dǎo)力和最小的偏轉(zhuǎn)。例如，該方法可用于在觸摸激活的顯示屏上對(duì)手指產(chǎn)生觸覺振動(dòng)。應(yīng)該注意的是，壓電體和安裝表面之間存在的任何材料都會(huì)吸收機(jī)械能并傾向于減弱傳導(dǎo)的振動(dòng)，尤其是在材料柔軟或柔韌的情況下。

壓電換能器也可用于提供局部觸覺反饋。例如，這可以通過在觸摸屏或鍵盤顯示器下方布置多個(gè)壓電元件來實(shí)現(xiàn)，以便每個(gè)壓電元件提供定位于其位置的觸覺感覺。當(dāng)感應(yīng)到觸摸時(shí)，顯示器不僅會(huì)產(chǎn)生觸摸的 XY 位置，還會(huì)啟用壓電驅(qū)動(dòng)器，為特定的壓電致動(dòng)器通電。這可以通過使用高壓 MUX 或從單獨(dú)的壓電放大器來實(shí)現(xiàn)。

每層多晶陶瓷產(chǎn)生的力與施加的電壓成正比，n 層產(chǎn)生的力是所產(chǎn)生力的n倍。

壓電材料會(huì)受到各種老化或降解效應(yīng)的影響，這些效應(yīng)可能是災(zāi)難性的或累積的。溫度、濕度和壓力會(huì)對(duì)壓電效應(yīng)的強(qiáng)度造成長(zhǎng)期損壞和壽命退化。對(duì)壓電執(zhí)行器進(jìn)行氣密密封可減少濕度影響，并且正常的大氣壓力具有有限的老化影響。壓電老化退化的主要原因是高溫和連續(xù)直流偏壓。

電壓過應(yīng)力類似于電壓擊穿，可能是災(zāi)難性的。如果壓電致動(dòng)器受到超過極化電壓的差分電壓，壓電陶瓷將恢復(fù)其原始的隨機(jī)晶體結(jié)構(gòu)，壓電效應(yīng)將大大降低。類似地，如果壓電體經(jīng)受超過其居里點(diǎn)的溫度，晶體結(jié)構(gòu)將再次隨機(jī)化。直流偏壓和暴露于高溫都會(huì)導(dǎo)致壓電效應(yīng)的累積退化。壓電材料的極化如圖2所示。

圖：2. 顯示極化前后多晶疇的壓電致動(dòng)器

推薦 的壓電觸覺驅(qū)動(dòng)器可延長(zhǎng)便攜式設(shè)備的電池壽命

壓電建模和共振

如前所述，壓電致動(dòng)器的電氣模型可以主要是具有串聯(lián)電阻的電容器。這是對(duì)電路建模有用的簡(jiǎn)化，但嚴(yán)格來說并非如此。事實(shí)上，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量壓電器件會(huì)發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)電諧振頻率出現(xiàn)在主諧振頻率的大約倍頻程處。例如，如果一個(gè)特定壓電元件的主要電諧振發(fā)生在 8 到 9 kHz 之間，則在 34 KHz 和 83 KHz 處會(huì)有額外的諧振點(diǎn)。這已在實(shí)驗(yàn)室中觀察到，但可能僅適用于特定的壓電元件。然而，要記住的關(guān)鍵點(diǎn)是電共振獨(dú)立于機(jī)械共振，

例如，上述相同的雙壓電晶片壓電致動(dòng)器安裝在邊緣夾具中，在大約 300 Hz 處顯示出機(jī)械共振(用激光偏轉(zhuǎn)測(cè)量系統(tǒng)觀察)，電容為 400 nF。因此，電諧振頻率比機(jī)械諧振頻率高 30 倍，并且如將要顯示的那樣，對(duì)驅(qū)動(dòng)放大器幾乎沒有影響。同樣重要的是要注意機(jī)械共振取決于安裝方法和安裝的質(zhì)量。因此，最終的機(jī)械共振值將具有幾個(gè)隨機(jī)變量，例如安裝、質(zhì)量和工廠變化。

代表壓電中存儲(chǔ)的電荷量的壓電電容也很復(fù)雜。考慮一個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)信號(hào)，它是一個(gè)以機(jī)械共振頻率為中心的連續(xù)正弦波。因?yàn)殡娙萜髦械?a href="http://m.xsypw.cn/tags/電流/" target="_blank">電流滯后于其上的電壓 90°，所以壓電體中的充電電流在峰值施加電壓的 –6dB 值處達(dá)到峰值(或者，一般來說，在 V OUT的最大壓擺率處)。因此，為壓電器件充電所需的無功功率在同一電壓點(diǎn)達(dá)到峰值。

有趣的是，(低頻)壓電電容不是一個(gè)固定值。它具有一階和二階電壓系數(shù)。例如，在某些壓電傳感器中，電容在施加電壓低于其額定值時(shí)達(dá)到峰值。顯然，這使得精確的電壓電建模變得困難。幸運(yùn)的是，對(duì)于大多數(shù)只需要低帶寬信號(hào)響應(yīng)的觸覺應(yīng)用來說，單個(gè)電容加上串聯(lián)電阻就足夠了。有趣的是，驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器(類似于本文中描述的那個(gè))所需的電能在機(jī)械共振頻率下沒有顯著變化，除了充電能量與頻率呈線性關(guān)系，如下所述。

對(duì)于觸覺應(yīng)用，閉環(huán)帶寬要求通常較低(即，3 到 5 kHz 通常就足夠了)。另請(qǐng)注意，在直流時(shí)，壓電上的施加電壓是靜態(tài)的，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。因?yàn)殡姎庳?fù)載主要是電容性的(具有電氣諧振點(diǎn))，壓電充電電流會(huì)隨著頻率的增加而繼續(xù)增加，直到 ESR 占主導(dǎo)地位并且壓電是電阻性的。

圖 3顯示了壓電阻抗頻率掃描的測(cè)量圖。無花果。圖 4和圖5分別顯示了電氣模型和模擬的壓電頻率掃描。串聯(lián) LRC 網(wǎng)絡(luò)配置為在 8 kHz、34 kHz 和 80 kHz 處匹配測(cè)量的電頻率諧振點(diǎn)，每個(gè)諧振點(diǎn)都具有低 Q。C1 和 R1 代表壓電的低頻電容和串聯(lián)電阻，并主導(dǎo)負(fù)載呈現(xiàn)到放大器輸出。

圖 3：帶有網(wǎng)絡(luò)分析儀的壓電執(zhí)行器的頻率響應(yīng)

圖 4：匹配的電氣模型

圖 5：壓電模型頻率響應(yīng)仿真

壓電充電和能量要求

大多數(shù)觸覺信號(hào)基于正弦或高斯波形。波形可以重復(fù)并形成音爆型包絡(luò)，也可以是單脈沖事件。它們也可以由調(diào)幅包絡(luò)形狀構(gòu)成，或者可以由調(diào)頻突發(fā)音或任何組合組成。幾乎無限的觸覺形狀可用于創(chuàng)建任何所需的觸覺“感覺”。最簡(jiǎn)單的觸覺波形用作簡(jiǎn)單的警報(bào)或觸摸反饋響應(yīng)。此外，由于觸覺波形本質(zhì)上是音頻波形，因此可以使用來自壓電致動(dòng)器的觸覺信號(hào)的聲音來增強(qiáng)響應(yīng)。

圖 6：典型觸覺波形示例(6a：正弦波;6b：高斯)

用正弦波對(duì)電容器(壓電)充電所需的能量與頻率、電壓和電容成正比，如下所示：

P(reactive) 與：2pi × C × V 2 × F成正比

根據(jù)上述等式，C、V 和 F 的自變量決定了驅(qū)動(dòng)壓電體所需的能量。對(duì)于驅(qū)動(dòng)特定壓電致動(dòng)器的觸覺波形信號(hào)，電容和頻率對(duì)于該應(yīng)用通常是固定的。例如，典型的觸覺頻率在 100 到 300 Hz 之間，壓電執(zhí)行器的范圍從 100 nF 到超過 1 μF(取決于陶瓷層的數(shù)量和尺寸)。左邊的因變量是電壓擺幅。根據(jù)壓電陶瓷的厚度和使用的陶瓷類型，設(shè)置最大峰值電壓。如前所述，不得超過極化電壓。

常用壓電執(zhí)行器的額定最大電壓范圍為 30 至 200 V。這些值只是典型值;新的壓電材料和構(gòu)造技術(shù)不斷被開發(fā)，特別是由于新的應(yīng)用需求和用例。

然而，目前，壓電材料的電容特性和驅(qū)動(dòng)高壓波形的需求決定了充電能量需求和用于驅(qū)動(dòng)壓電元件的電子電路類型。由于壓電負(fù)載的電容特性，基于諾頓(電流輸出)的驅(qū)動(dòng)電路是最合適的。

充電電流對(duì)電容器電壓的微分方程形式為：

dV = (dI/C)dT(增量電容電壓與充電電流X時(shí)間積分成正比)

Q = CV(電容器上的總電荷與電容 X 電容器上的電壓成正比)

則 dQ = dI × dT(增量存儲(chǔ)電荷與充電電流隨時(shí)間的積分成正比)

大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的壓電驅(qū)動(dòng)電路使用傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器來生成為電壓輸出線性放大器(即，低阻抗輸出放大器)供電的高壓軌。這個(gè)概念如圖7 所示。

圖 7：具有升壓轉(zhuǎn)換器和 A/B 類放大器的現(xiàn)有技術(shù)壓電驅(qū)動(dòng)器電路

圖 7所示的壓電驅(qū)動(dòng)器拓?fù)溆袔讉€(gè)缺點(diǎn)，主要與輸入功耗和 IC 功耗有關(guān)。通過檢查，有兩個(gè)功率轉(zhuǎn)換階段，每個(gè)階段都有自己的功率效率損失。首先，有一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生高壓直流電源軌，供差分輸出放大器使用。高轉(zhuǎn)換率、高壓電源的典型升壓轉(zhuǎn)換器效率可能為 70% 至 85%。第二個(gè)功率轉(zhuǎn)換器是差分驅(qū)動(dòng)壓電致動(dòng)器的輸出放大器。在該實(shí)施例中，壓電負(fù)載驅(qū)動(dòng)器是線性放大器(即A/B類)，通常效率為50%至67%。

兩種效率的乘積產(chǎn)生 35% 到 57% 的總效率。注意沒有實(shí)際輸出負(fù)載功率(負(fù)載是容性的);因此，所有輸入功率都消耗在 IC 上。例如，對(duì)于大壓電電容 (>1 μF)、高電壓擺幅 (> 100 Vpp) 和高觸覺頻率 (~300 Hz)，輸入功率會(huì)變得過大，IC 將顯著升溫并可能進(jìn)入熱限制狀態(tài)。

有趣的是，上述拓?fù)渲械?A/B 類放大器可以替換為 D 類放大器，從而提高驅(qū)動(dòng)器效率。但是，需要與壓電負(fù)載串聯(lián)一個(gè)低電阻電感器，以減弱 D 類調(diào)制頻率載波在壓電中的耗散。

壓電充電和能量回收

為了減少功率損耗并緩解功率耗散問題，能量回收可用于回收用于為壓電電容充電的能量，并將其傳遞回輸入電源或中間存儲(chǔ)電容器。使用這種方法，大部分無功能量從壓電中回收，輸入功率大大降低。與圖 7所示拓?fù)渲械哪芰繐p失相比，可以實(shí)現(xiàn)接近 10 倍的能量比。

圖 8：具有能量回收功能的壓電驅(qū)動(dòng)器 IC

圖 8所示的原理圖是 Maxim 的 MAX77501 壓電觸覺致動(dòng)器升壓驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化框圖。它被配置為帶有外部功率 FET 的單端輸出驅(qū)動(dòng)器/控制器，旨在提供高度的應(yīng)用靈活性。MAX77501 采用 12-V、BiCMOS 工藝，具有 10-V 柵極驅(qū)動(dòng)輸出。觸覺信號(hào)的回放可以從流數(shù)據(jù)(SPI 接口)生成，也可以存儲(chǔ)在 9 kB 的內(nèi)部 RAM 中。一個(gè) 12 位 DAC 和緩沖放大器完善了數(shù)字引擎信號(hào)路徑。輸入電源范圍為 2.8 至 5.5 V，升壓放大器通常可驅(qū)動(dòng)高達(dá) 120 V 峰值的壓電負(fù)載和高達(dá) 2 μF 的電容。其他數(shù)字功能包括啟用、FIFO 填充狀態(tài)和因故障條件而產(chǎn)生的系統(tǒng)中斷請(qǐng)求 (nIRQ)。

能量回收或能量再循環(huán)的原理如圖9所示的波形圖所示。上圖(藍(lán)色)是通過壓電致動(dòng)器測(cè)量的正弦波觸覺信號(hào)(250 Hz 時(shí)峰峰值為 80 V)。下圖顯示了在電池輸出 (3.6 V) 處測(cè)量的輸入電源電流。在V OUT的正dV/dT斜率期間，需要來自電池的能量來為壓電電容充電并且電池電流為正(即>0)。請(qǐng)注意，如前所述，輸入電流峰值出現(xiàn)在最大 V OUT dV/dT 或滯后 V OUT 90°。在負(fù) dV/dT 斜率條件下，需要去除來自壓電的能量以降低 V OUT隨著時(shí)間的推移，輸入電源電流現(xiàn)在為負(fù)(即，電池電源正在吸收向后傳輸?shù)诫姵刂械哪芰?。

此處未顯示 VBATTERY 的圖，但根據(jù)電池的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)電阻，將觀察到 VBATTERY 電壓隨著電源電流的前進(jìn)或后退而上升和下降。在 V OUT 的峰值或谷值區(qū)域沒有斜率(即 dV/dT 為零)，輸入電源電流接近于零。通過這種方法，能量被用來給壓電體充電，然后在電荷被移除時(shí)回收(或回收)。當(dāng)然會(huì)有能量損失。在能量傳輸?shù)膬蓚€(gè)方向期間，實(shí)際功率損耗元件(例如開關(guān)、金屬和電感器 DCR)都會(huì)消耗功率，這會(huì)導(dǎo)致觸覺信號(hào)每個(gè)完整周期的整體效率損失。例如，如果每個(gè)周期的功率損失為 20%，則與不使用能量回收相比，效率提高了 8:1。回到圖 7，可以看出線性放大器在正 d( VOUT)/dT) 相。然后，放大器輸出必須在負(fù) d(V OUT )/dT 相位期間將存儲(chǔ)在壓電體中的能量釋放到地。釋放壓電中存儲(chǔ)的能量會(huì)導(dǎo)致輸入功率急劇增加，其中大部分消耗在 IC 上。

圖 9：壓電觸覺輸出波形(藍(lán)色)與輸入電流圖(綠色)的示波器照片

概括

壓電換能器具有許多獨(dú)特的屬性，使其非常適合產(chǎn)生觸覺反饋振動(dòng)。本文回顧了典型的壓電換能器構(gòu)造技術(shù)以及電氣和機(jī)械建模。它還討論了安全工作區(qū)、壓電退化和老化效應(yīng)問題，并提供了電氣驅(qū)動(dòng)電路示例，以滿足壓電元件的特定要求以及應(yīng)用示例。

此外，該文章分享了一個(gè)專有的能量回收過程，該過程大大降低了輸入功率要求，從而允許驅(qū)動(dòng)器 IC 處理更大的壓電電容/電壓致動(dòng)器，而不會(huì)超過與使用線性放大器驅(qū)動(dòng)器的壓電驅(qū)動(dòng)器 IC 相關(guān)的結(jié)溫。

審核編輯：湯梓紅