壓電換能器如何改善觸覺反饋

大多數觸摸屏面板的觸覺反饋類型有限或根本沒有。對于許多類型的手持或可穿戴設備(如手表、觸摸板、鍵盤、鼠標等)也是如此。對改進觸覺反饋的渴望導致一些人仔細研究壓電傳感器以產生觸覺信號，它提供了許多對傳統振動發生器的物理和電氣改進。

本文回顧了壓電換能器的原理、理論和建模。它包括對專門為驅動壓電換能器的獨特特性而設計的電子電路的討論，并分享了使用壓電換能器的觸覺應用示例。本文還研究了放大器輸入功率與壓電負載配置的關系。

請注意，來自壓電致動器的觸覺振動使用逆壓電效應(即，來自電刺激的振動)。任何提到的壓電效應都是指這種電能到機械的能量轉移。

壓電觸覺簡介

如今，在大多數手持或便攜式電子設備中，觸覺振動是由將電信號轉換為機械振動的機電 (EM) 換能器產生的。其中包括偏心旋轉質量 (ERM) 致動器和線性共振致動器 (LRA)。這些類型的 EM 傳感器成本低、使用方便，并且可以由電池級電壓供電。

然而，電磁傳感器也有一些缺點：

它們是產生特定振動頻率的共振設備，對于 LRA，必須在出廠時將其校準為隨機的共振頻率。

EM 設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。

它們產生點源振動，不能在表面上產生各種頻率模式。

它們效率低下，每個觸覺事件都需要大量能量。

LRA 設備有些脆弱，可能會因物理或電氣過應力(例如，跌落)而損壞。

相比之下，壓電換能器不是基于 EM 能量轉換，而是作為觸覺振動發生器表現出色。它們通過反壓電效應通過施加的電動勢(即EMF)產生晶體振動，通常來自交流電壓源，從而產生機械振動。

由于幾個重要特性，壓電換能器具有優勢：

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

它們在表面區域產生振動，并且可以對觸摸位置敏感。

它們的效率很高，具體取決于驅動壓電的方法。

它們可以在很寬的頻率范圍內再現任何振動頻率。

它們可以生成可以進行幅度或頻率調制的觸覺信號模式。

它們的慣性很小，因此響應時間非常快。

它們不會產生 EMI 輻射。

請注意，壓電執行器需要相對較高的電壓驅動信號來產生顯著的機械振動，通常為 60 V 至 200 V 峰峰值。此外，壓電致動器主要是驅動電路的容性負載，因此受益于專門的電子驅動電路。稍后將討論有關此主題的更多信息。

壓電致動器結構和物理的詳細討論超出了本文的范圍;然而，下面是一個簡短的描述。壓電換能器根據應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的壓電致動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表面。圖 1顯示了表面安裝的單層壓電致動器的示例。

圖 1：雙壓電晶片壓電促動器結構

如圖1，雙晶型彎曲機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電的機械層(例如黃銅或銅)上。在創建了這些層之后，在壓電結構上施加一個大的 DC 極化電壓以對齊晶疇邊界，以增強將產生的逆壓電效應力(即，增加每個電壓 EMF 產生的力)。然后，極化電壓定義了施加電壓產生的機械力的方向。沿極化電壓方向增加施加的電壓會增加機械力或彎曲位移。壓電層的極化可以在相同方向或相反方向上施加。每種方法都有其優點，可用于根據需要創建壓電效應。

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器。這種配置(如圖所示施加的 EMF)會在安裝底座中產生一個力，因此，壓電元件的偏轉很小。如果底座垂直安裝到壓電致動器(以虛線顯示)并且致動器的另一端不受約束，這將導致壓電的偏轉更大。

圖 1中所示的安裝示例是安裝在顯示屏上，該顯示屏會產生傳導到表面的力。這會產生最大的傳導力和最小的偏轉。例如，該方法可用于在觸摸激活的顯示屏上對手指產生觸覺振動。應該注意的是，壓電體和安裝表面之間存在的任何材料都會吸收機械能并傾向于減弱傳導的振動，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壓電元件來實現，以便每個壓電元件提供定位于其位置的觸覺感覺。當感應到觸摸時，顯示器不僅會產生觸摸的 XY 位置，還會啟用壓電驅動器，為特定的壓電致動器通電。這可以通過使用高壓 MUX 或從單獨的壓電放大器來實現。

每層多晶陶瓷產生的力與施加的電壓成正比，n 層產生的力是所產生力的n倍。

壓電材料會受到各種老化或降解效應的影響，這些效應可能是災難性的或累積的。溫度、濕度和壓力會對壓電效應的強度造成長期損壞和壽命退化。對壓電執行器進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直流偏壓。

電壓過應力類似于電壓擊穿，可能是災難性的。如果壓電致動器受到超過極化電壓的差分電壓，壓電陶瓷將恢復其原始的隨機晶體結構，壓電效應將大大降低。類似地，如果壓電體經受超過其居里點的溫度，晶體結構將再次隨機化。直流偏壓和暴露于高溫都會導致壓電效應的累積退化。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器

推薦的壓電觸覺驅動器可延長便攜式設備的電池壽命

壓電建模和共振

如前所述，壓電致動器的電氣模型可以主要是具有串聯電阻的電容器。這是對電路建模有用的簡化，但嚴格來說并非如此。事實上，使用網絡分析儀測量壓電器件會發現有幾個電諧振頻率出現在主諧振頻率的大約倍頻程處。例如，如果一個特定壓電元件的主要電諧振發生在 8 到 9 kHz 之間，則在 34 KHz 和 83 KHz 處會有額外的諧振點。這已在實驗室中觀察到，但可能僅適用于特定的壓電元件。然而，要記住的關鍵點是電共振獨立于機械共振，

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

代表壓電中存儲的電荷量的壓電電容也很復雜。考慮一個壓電驅動信號，它是一個以機械共振頻率為中心的連續正弦波。因為電容器中的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達到峰值。

有趣的是，(低頻)壓電電容不是一個固定值。它具有一階和二階電壓系數。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達到峰值。顯然，這使得精確的電壓電建模變得困難。幸運的是，對于大多數只需要低帶寬信號響應的觸覺應用來說，單個電容加上串聯電阻就足夠了。有趣的是，驅動壓電致動器(類似于本文中描述的那個)所需的電能在機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系，如下所述。

對于觸覺應用，閉環帶寬要求通常較低(即，3 到 5 kHz 通常就足夠了)。另請注意，在直流時，壓電上的施加電壓是靜態的，不會產生振動。因為電氣負載主要是電容性的(具有電氣諧振點)，壓電充電電流會隨著頻率的增加而繼續增加，直到 ESR 占主導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 LRC 網絡配置為在 8 kHz、34 kHz 和 80 kHz 處匹配測量的電頻率諧振點，每個諧振點都具有低 Q。C1 和 R1 代表壓電的低頻電容和串聯電阻，并主導負載呈現到放大器輸出。

圖 3：帶有網絡分析儀的壓電執行器的頻率響應

圖 4：匹配的電氣模型

圖 5：壓電模型頻率響應仿真

壓電充電和能量要求

大多數觸覺信號基于正弦或高斯波形。波形可以重復并形成音爆型包絡，也可以是單脈沖事件。它們也可以由調幅包絡形狀構成，或者可以由調頻突發音或任何組合組成。幾乎無限的觸覺形狀可用于創建任何所需的觸覺“感覺”。最簡單的觸覺波形用作簡單的警報或觸摸反饋響應。此外，由于觸覺波形本質上是音頻波形，因此可以使用來自壓電致動器的觸覺信號的聲音來增強響應。

圖 6：典型觸覺波形示例(6a：正弦波;6b：高斯)

用正弦波對電容器(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(reac tive) 與：2pi × C × V 2 × F成正比

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

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

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

充電電流對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(增量存儲電荷與充電電流隨時間的積分成正比)

大多數現有技術的壓電驅動電路使用傳統的升壓轉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。這個概念如圖7 所示。

圖 7：具有升壓轉換器和 A/B 類放大器的現有技術壓電驅動器電路

圖 7所示的壓電驅動器拓撲有幾個缺點，主要與輸入功耗和 IC 功耗有關。通過檢查，有兩個功率轉換階段，每個階段都有自己的功率效率損失。首先，有一個升壓轉換器，用于產生高壓直流電源軌，供差分輸出放大器使用。高轉換率、高壓電源的典型升壓轉換器效率可能為 70% 至 85%。第二個功率轉換器是差分驅動壓電致動器的輸出放大器。在該實施例中，壓電負載驅動器是線性放大器(即A/B類)，通常效率為50%至67%。

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

有趣的是，上述拓撲中的 A/B 類放大器可以替換為 D 類放大器，從而提高驅動器效率。但是，需要與壓電負載串聯一個低電阻電感器，以減弱 D 類調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所示拓撲中的能量損失相比，可以實現接近 10 倍的能量比。

圖 8：具有能量回收功能的壓電驅動器 IC

圖 8所示的原理圖是 Maxim 的 MAX77501 壓電觸覺致動器升壓驅動器的簡化框圖。它被配置為帶有外部功率 FET 的單端輸出驅動器/控制器，旨在提供高度的應用靈活性。MAX77501 采用 12-V、BiCMOS 工藝，具有 10-V 柵極驅動輸出。觸覺信號的回放可以從流數據(SPI 接口)生成，也可以存儲在 9 kB 的內部 RAM 中。一個 12 位 DAC 和緩沖放大器完善了數字引擎信號路徑。輸入電源范圍為 2.8 至 5.5 V，升壓放大器通常可驅動高達 120 V 峰值的壓電負載和高達 2 μF 的電容。其他數字功能包括啟用、FIFO 填充狀態和因故障條件而產生的系統中斷請求 (nIRQ)。

能量回收或能量再循環的原理如圖9所示的波形圖所示。上圖(藍色)是通過壓電致動器測量的正弦波觸覺信號(250 Hz 時峰峰值為 80 V)。下圖顯示了在電池輸出 (3.6 V) 處測量的輸入電源電流。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)。請注意，如前所述，輸入電流峰值出現在最大 V OUT dV/dT 或滯后 V OUT 90°。在負 dV/dT 斜率條件下，需要去除來自壓電的能量以降低 V OUT隨著時間的推移，輸入電源電流現在為負(即，電池電源正在吸收向后傳輸到電池中的能量)。

此處未顯示 VBATTERY 的圖，但根據電池的驅動點電阻，將觀察到 VBATTERY 電壓隨著電源電流的前進或后退而上升和下降。在 V OUT 的峰值或谷值區域沒有斜率(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回收(或回收)。當然會有能量損失。在能量傳輸的兩個方向期間，實際功率損耗元件(例如開關、金屬和電感器 DCR)都會消耗功率，這會導致觸覺信號每個完整周期的整體效率損失。例如，如果每個周期的功率損失為 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 d(V OUT )/dT 相位期間將存儲在壓電體中的能量釋放到地。釋放壓電中存儲的能量會導致輸入功率急劇增加，其中大部分消耗在 IC 上。