|
隨著觸摸屏在手持式消費類設備中逐步替代機械按鍵，由于缺乏觸覺響應，消費者開始提出對實時響應的需求。用戶已經習慣了按鍵按下時表示成功操作按鍵輸入的機械觸感，如圖1所示鍵盤。近來，由于缺乏好的觸覺反饋設計，從而帶動了電子觸覺響應系統的需求。
 圖1. 基于軟件的按下激活按鍵。
使用壓電驅動實現觸覺反饋是一種比較有前途的方法，這種方式已經在少數消費類設備中應用了很多年。壓電式觸覺反饋具有很多優點，包括：快速響應、超薄外觀、低功耗以及大量可以利用的壓電材料和組裝工藝。
壓電特性和比較
壓電材料有各種不同的形狀、尺寸、厚度、電壓范圍、作用力和額定電容，可以加工成特定形狀，以滿足特殊應用及封裝的需求，并可以提供單層和多層結構。多個壓電體可以實現較強的觸覺反饋和多種不同的觸感。
工作在諧振點及其附近的壓電驅動應用包括：
* 振動激勵和消除
* 微型泵
* 微型雕刻系統
* 超聲鉆孔/焊接/雕刻/解剖/計量
工作在諧振點以下的應用包括：
* 觸覺響應
* 圖像穩定
* 自動對焦系統
* 纖維光學校準
* 結構變形
* 磨損補償
壓電工作原理
低于諧振頻率時，壓電體可以簡單地用一個電容模擬。當直流電壓加在壓電體兩端，構造和物理形狀不同的壓電體會產生不同的形變(圖2)。
 圖2. 簡化壓電體模型。(簡化模型)
庫侖定律指出Q＝CV，但在壓電體中電容不是常數，這是因為電容極板間距會隨著電壓變化而變化。
當電壓加到壓電體兩端，由于極板間距發生變化，電容也會隨之變化。壓電體的位移量正比于電場強度，并且電場強度是兩極電壓和極板間距的函數。對壓電體施加的電壓與壓電驅動器產生的作用力也成正比。
在大多數壓電驅動器移動范圍內，壓電體等效電容的電荷與位移量都保持近似正比關系。如果等效電容極板間沒有漏電流，即使極板與電壓源斷開，仍能夠保持位移量。
 圖3. 位移量和作用力與外加電壓關系圖。(位移量、電壓、)(位移量、電荷)(作用力、電壓)
作用力正比于壓電體外加電壓(圖3)。作用力(相對于時間)是影響觸覺響應的主要因素，它決定了用戶的感覺，使用多層壓電體可以改進位移量。
當對壓電體施加電壓時，由于極板間距離發生變化(圖3A)，電容量也會隨之改變。壓電體位移正比于電場強度，而電場強度是極板間電壓和距離的函數。外加電壓和壓電驅動器產生的作用力保持著合理的正比關系(圖3C)。
壓電模型
壓電體中運轉的電機系統可以用主介質電容Cp并聯由LRC組成的串聯網絡來模擬(圖4)。達到諧振頻率之前，阻抗會像電容一樣隨頻率上升而下降。所以，當壓電體工作在遠低于諧振頻率時，可以僅用一個電容Cp來模擬。
 圖4.壓電體阻抗與頻率。(阻抗、頻率、諧振)
壓電體可以工作在諧振頻率，以滿足自激振蕩在固定頻率的需求，例如超聲振蕩器。然而，用于觸覺反饋的壓電驅動器通常工作在遠遠低于諧振頻率的位置。
對于音頻應用，效率是最關心的問題，觸覺反饋則與之不同，觸覺反饋的關鍵問題不是效率，而是人的觸感。超過幾百兆赫茲的振動不但不能提供很好的觸覺反饋，反而消耗不必要的功率。周期超過幾毫秒的振動可以產生較強觸感，但也會產生不希望聽到的喀噠聲。
圖5展示了一個典型的觸感波形圖，波形模擬了對一個機械按鍵按壓和釋放的感覺。波形的上升沿，P0到P1，反映了按壓的觸覺響應；下降沿，P2到P3，反映了釋放的觸覺響應。從P1到P2的時間是用戶按住機械按鍵的持續時間，由用戶決定。
 圖5.一個典型觸覺反饋的波形示例。
當構建一個基于壓電體的觸覺反饋系統時，首先需要決定的是使用單層還是多層壓電驅動器(圖6)。表1總結了兩種壓電類型的對比。
 圖6. 左圖為100VP-P 單層壓電片 (SLD) ；右上圖為 120VP-P多層壓電條(MLS)； 右下圖為 30VP-P 多層壓電條(MLS) 表1.單層和多層壓電驅動器的優勢對比
方案選擇：
單層還是多層結構?表1提供的信息建議使用單層壓電驅動器。單層片供貨量大而且已經量產，投入生產的多層壓電體則相對較少。另外，單層壓電體成本低很多，這在使用多個壓電體的方案中十分重要。例如，市場上的很多手機在屏幕后面都安裝了多個單層壓電片，這種情況下使用多層壓電體成本就要高很多。
分立方案還是單芯片方案?基于壓電體的觸覺反饋方案的缺點之一是復雜度比較高，典型的壓電體解決方案采用分立元件實現整個觸覺反饋系統，額外的分立元件包括一個微控制器、反激boost或集成電荷泵、反激變壓器或電感，以及各種電阻、電容、二極管和晶體管。而基于直流馬達的觸覺反饋方案需要很少甚至不需要外部元件。
單芯片觸覺反饋方案，如 MAX11835相比于傳統分立設計有很多優勢：較小的印制電路板尺寸、較低功耗、精簡的材料清單(BOM)以及簡單的軟件支持。考慮到壓電體尺寸也很小，MAX11835對于手持設備是極具吸引力的解決方案。
 圖7 展示了單芯片高壓觸覺反饋驅動控制器的框圖：
圖7. 使用壓電驅動器的觸覺反饋方案框圖。
MAX11835 單芯片優化方案具有以下功能：
* 支持單層和多層壓電驅動器
* 用戶可定義的片上波形存儲功能(通過串口)
* 片上波形發生器
* 內嵌DC-DC升壓控制器
* 工作電壓范圍可滿足典型的手機電池需求
* 小封裝尺寸
* 低功耗
電源管理的重要性
壓電體相對于直流馬達驅動器來說功耗極低，盡管如此，仍有一些其它功耗因素需要考慮：
* 每次觸碰從主電源消耗的功率
* 每次觸碰的波形類型
* 每秒觸碰次數
* 高壓升壓電路消耗的功率
MAX11835觸覺驅動控制器對各種壓電驅動器和高壓電容的功耗進行了測量。MAX11835可以回放升壓轉換器反饋環路中軟件控制的存儲波形，測試波形包括100Hz正弦波和20Hz斜坡。
圖8 、 9A 和 9B 顯示了 MAX11835 驅動 175V 100Hz 正弦波時的輸出，同時也畫出了變壓器主線圈電流。
 圖8.輸出電壓波形和 MAX11835 升壓電源的電流波形 圖 9A. 100Hz連續正弦波下，功耗隨負載的變化曲線 圖 9B. 峰值升壓電源電流隨負載變化的曲線圖，測試條件：頻率 = 100Hz的正弦波；升壓電源電壓 = 4.2V；升壓電源去耦電容 = 10uF；使用6:1變壓器。
按下按鍵是最普通的操作，圖10所示波形需要40ms充電，10ms放電。緩慢充電在觸碰屏幕的過程中不容易被察覺，而快速放電的感覺則如同釋放一個機械按鍵。
 圖 10. 按壓按鍵的模擬波形 圖 11. 功耗與壓電電壓曲線圖，用單層和多層壓電體模擬按鍵的按壓。當電壓超過180V，MAX11835的原邊鉗位開啟，功耗會急劇上升。
圖11所示波形連續工作。功耗隨著占空比的降低而線性下降。在機械負載(半阻塞作用力)和空載壓電驅動器的壓電體數據間沒有顯著的區別。
圖12顯示了MAX11835升壓過程的效率，用負載消耗能量除以升壓電源消耗能量(VBST)進行測量。
 圖 12. 能量轉換效率：負載消耗能量與VBST消耗能量。電壓超過180V時，MAX11835的原邊鉗位開啟，效率快速上升。
圖12中，效率隨著負載電容的增大而上升，因為只有boost電路消耗靜態功率。
MAX11835 功耗與馬達驅動器功耗對比
MAX11835的功耗相對于馬達驅動器來說非常低，馬達驅動器包括偏振旋轉(ERM)型、線性振蕩驅動器(LRA)型和音圈型。
基于馬達的驅動器通常需要低電壓(1.8V至3V)，電流卻相當大。此外，馬達的通、斷特性，尤其是ERM型，不具備理想的模擬觸感所需的反饋信號。
表2和圖13給出了驅動器的大量測量結果，測試了兩種工作模式，連續工作和脈沖工作。實際情況通常不是連續工作方式，因為很多觸碰操作非常短暫，即使仿真紋理表面的仿真。
 表 2. 馬達驅動器的功耗 圖 13. 表2對比的驅動器，相關數據如表2所示
圖 14 顯示了連續工作的功耗。圖中壓電體由幅度為180V、頻率為100Hz的連續正弦波驅動。其它驅動器由 3VDC 或2VRMS (LRA 和音圈)驅動。
 圖 14. 各種驅動器的連續工作下的功耗
圖 15 顯示了脈沖工作方式下的功耗，圖中驅動器由50ms脈沖驅動，以此仿真按鍵按壓操作。壓電驅動器驅動幅度為180V ，其它驅動器驅動電壓為 3VDC 或 2VRMS (LRA 和音圈)。
 圖 15. 各種驅動器在脈沖工作方式下的功耗
結論
從以上討論中可以得出很多結論。顯然，基于多種考量，單層(非多層)壓電驅動器是當前更具吸引力的設計方案：
*成本最低
*供貨渠道眾多
*大規模量產
*提供定制設計
*可安裝在LCD背面或側面
數據顯示，應該對觸覺反饋電路消耗電源功率進行詳細計算，波形幅度、類型和持續時間都會影響功耗的大小和觸覺響應。
每秒鐘觸碰的次數也會影響功耗，需要考慮滾動或滑動操作，還是輕按或緩慢鍵入等，這些因素都會影響功耗。最后，把測量結果歸一化為每秒鐘進行的一次觸碰操作，以便比較。
|
