使用压电换能器改善触觉反馈

大多数触摸屏面板的触觉反馈类型有限，或者根本没有。对于许多类型的手持或可穿戴设备（如手表、触摸板、键盘、鼠标等）也是如此。对改进触觉反馈的渴望促使一些人仔细研究压电换能器以生成触觉信号，这提供了许多对传统振动发生器的物理和电气改进。

本文回顾了压电换能器的原理、理论和建模。它讨论了专门设计用于驱动压电换能器的独特特性的电子电路，并分享了使用压电换能器的触觉应用示例。本文还考察了放大器输入功率与压电负载配置的关系。

请注意，压电执行器的触觉振动使用逆压电效应（即电刺激产生的振动）。任何提到的压电效应都是指这种电到机械的能量转移。

压电触觉介绍

今天，在大多数手持或便携式电子设备中，触觉振动是由机电 (EM) 换能器产生的，该换能器将电信号转换为机械振动。这些包括偏心旋转质量 (ERM) 执行器和线性谐振执行器 (LRA)。这些类型的 EM 换能器成本低、使用方便，并且可以由电池电压供电。

然而，电磁换能器有许多缺点：

• 它们是产生特定振动频率的谐振设备，对于 LRA，必须在出厂时将其校准为随机的谐振频率。
• EM 设备体积大且高（3 到 5 毫米高），降低了将它们安装到薄外壳中的能力。
• 它们会产生点源振动，并且无法在表面上产生各种频率模式​​。
• 它们效率低下，每次触觉事件都需要大量能量。
• LRA 设备有些脆弱，可能会因物理或电气过应力（例如跌落）而损坏。

相比之下，压电换能器不是基于 EM 能量转换，而是作为触觉振动发生器表现出色。它们通过施加的电动势（即 EMF）产生晶体振动，通过反向压电效应产生机械振动，通常来自交流电压源。

由于以下几个重要特性，压电换能器具有优势：

• 它们很薄（<1 毫米），很灵活，可以安装在各种选项中，并可以塑造成几乎任何所需的图案。
• 它们会在表面区域产生振动，并且可以对触摸位置敏感。
• 它们非常高效，具体取决于用于驱动压电的方法。
• 它们可以在很宽的频率范围内重现任何振动频率。
• 它们可以生成一种可以进行幅度或频率调制的触觉信号模式。
• 它们的惯性很小，因此响应时间非常快。
• 它们不会产生 EMI 辐射。

请注意，压电执行器需要相对较高的电压驱动信号来产生显着的机械振动，峰峰值通常为 60 V 至 200 V。此外，压电执行器主要是驱动电路的容性负载，因此受益于专门的电子驱动电路。稍后将讨论更多关于这个主题的内容。

压电致动器结构和物理学的详细讨论超出了本文的范围；但是，下面是简要说明。根据应用，压电换能器以各种不同的物理配置制造。例如，最常用于触觉和音频再现的压电执行器采用双压电晶片弯曲器的形式，该弯曲器将安装（即粘合）到作为手持或可穿戴外壳或触摸屏一部分的内表面。表面安装的单层压电执行器的示例如图 图所示。 1 .

图 1：双压电晶片压电执行器结构

如图所示。 1 ，双晶弯曲器通常由一层或多层多晶陶瓷材料屏蔽到导电的机械层（例如黄铜或铜）上。在创建这些层后，在压电结构上施加一个大的 DC 极化电压以对齐晶畴边界，以加强将产生的逆压电效应力（即，增加每个电压 EMF 产生的力）。然后，极化电压定义了通过施加电压产生的机械力的方向。在极化电压的方向上增加施加的电压会增加机械力或弯曲位移。可以在相同方向或相反方向上施加对压电层的极化。每种方法都有其优点，可以根据需要创建压电效果。

图中的插图。 1 图 1 显示了安装在与极化电压正交的表面上的压电执行器。这种配置（如图所示施加了 EMF）会在安装底座上产生一个力，因此压电元件几乎没有偏转。如果底座垂直安装到压电执行器（如虚线所示）并且执行器的另一端不受约束，这将导致压电更大的偏转。

图所示的安装示例。 1 将是对产生传导到表面的力的显示屏。这会产生最大的导电力和最小的偏转。例如，该方法可用于在触摸激活的显示屏上为手指生成触觉振动。应该注意的是，存在于压电体和安装表面之间的任何材料都会吸收机械能并趋于减弱传导振动，尤其是在材料柔软或柔韧的情况下。

压电换能器也可用于提供局部触觉反馈。这可以通过在触摸屏或键盘显示器下布置多个压电元件来实现，例如，以便每个压电元件提供定位于其位置的触觉。当感应到触摸时，显示器不仅会产生触摸的 X-Y 位置，还会启用压电驱动器，为特定的压电致动器供电。这可以通过使用高压 MUX 或从单独的压电放大器来实现。

每层多晶陶瓷产生一个与外加电压成正比的力，n层产生n 倍产生的力。

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