由于相比機(jī)械界面具有明顯的優(yōu)勢，觸摸屏用戶界面變得無處不在。對于消費(fèi)者而言，這種界面光滑而直觀，對于工業(yè)用戶而言，密封的顯示屏避免了灰塵和水分入侵問題。但是對這兩類用戶也有不利的一面。例如，消費(fèi)者可能會失去點(diǎn)按機(jī)械開關(guān)帶來的便利性和滿足感，而工業(yè)用戶如果戴著手套操作觸摸屏，則難以確認(rèn)是否按下按鈕。

　　觸覺反饋可通過振動指示按鈕的操作，已被用來克服觸摸屏缺乏觸感的問題，但是現(xiàn)有的解決方案傾向于使用龐大而復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。其中包括偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 （ERM） 振動電機(jī)和線性諧振執(zhí)行器 （LRA）。壓電觸覺反饋提供了一種更緊湊、更靈活的替代方案。但是，直到最近，它的高工作電壓仍使其難以用于低功耗應(yīng)用——電池供電終端產(chǎn)品的關(guān)鍵要求。

　　然而，壓電“高清”觸覺解決方案的進(jìn)步不僅解決了功耗問題，而且還為觸控界面設(shè)計帶來了其他優(yōu)勢，例如緊湊纖薄的外形、強(qiáng)力反饋，以及快速響應(yīng)時間。

　　本文先簡要探討新型壓電觸覺執(zhí)行器相比 ERM 和 LRA 的優(yōu)勢，然后介紹基于多層結(jié)構(gòu)和雙極驅(qū)動模式的新一代器件，其結(jié)合高效且專用的驅(qū)動器以解決先前的功耗問題。接下來，本文使用來自 TDK 的觸控實(shí)例器件以及來自 Boréas Technologies 和 Texas Instruments （TI） 的驅(qū)動器，展示了工程師就如何在下一個觸摸屏觸覺反饋產(chǎn)品中利用這些執(zhí)行器和驅(qū)動器。

　　觸覺反饋選項

　　若要將觸覺反饋添加到觸摸屏界面，設(shè)計人員有以下三個選項：ERM、LRA 和壓電執(zhí)行器。這三者遵循相同的基本工作原理，其中微控制器負(fù)責(zé)監(jiān)督操作，而驅(qū)動器則控制執(zhí)行器產(chǎn)生振動（圖 1）。不同之處在于產(chǎn)生振動的方式：ERM 使用偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量塊，LRA 使用由螺旋彈簧懸掛的磁鐵質(zhì)量塊，壓電器件則依靠（反向）壓電效應(yīng)，而該效應(yīng)會使晶體或陶瓷物體在受到電場作用時發(fā)生維度變化。

圖 1：觸覺觸摸屏系統(tǒng)包含微控制器、驅(qū)動器和執(zhí)行器。在此示例中，執(zhí)行器是壓電器件，但 ERM 和 LRA 是常見的替代器件。（圖片來源：Boréas Technologies）

　　ERM 和 LRA 在便攜式設(shè)計中深受歡迎，主要是因為它們提供低電壓（約 3 伏）選擇，并且只需要簡單的驅(qū)動器設(shè)計。相比之下，常規(guī)壓電器件需要高得多的電壓（高達(dá) 200 伏）才能產(chǎn)生足夠的機(jī)械變形，以提供良好的消費(fèi)者體驗。之所以需要這些高電壓，是因為常規(guī)的壓電觸覺驅(qū)動器技術(shù)通常基于縮小比例的音頻放大器技術(shù)，而不是在設(shè)計之初就將低功耗納入考慮。另一個設(shè)計挑戰(zhàn)是缺少專用的低功耗觸覺執(zhí)行器驅(qū)動器，迫使設(shè)計人員轉(zhuǎn)用效率較低的解決方案。

　　不過，壓電解決方案的主要優(yōu)勢在于它們支持高清觸覺，反饋體驗超越了單調(diào)的振動。例如，壓電執(zhí)行器可產(chǎn)生頻率和振幅可變的振動，可用于表示按下單個按鈕時產(chǎn)出的不同結(jié)果（圖 2）。

圖 2：壓電觸覺執(zhí)行器支持一系列振動，可用于提示激活單個按鈕產(chǎn)生的不同結(jié)果。（圖片來源：Boréas Technologies）

　　總之，高清觸覺反饋解決方案要求：

　　寬帶寬：支持多種振動頻率和模式

　　高加速度 ［g］：提供更大的反饋力

　　大位移：提高觸覺反饋靈敏度

　　低延遲：快速響應(yīng)時間增加反饋范圍

　　表 1 匯總了每種觸覺反饋解決方案的性能，并證實(shí)壓電解決方案是高清應(yīng)用的唯一選擇，因為它們提供了所需的帶寬、反饋力和靈敏度以及延遲組合。

　　表 1：觸覺反饋解決方案的工作特性比較。壓電器件提供了高清觸覺反饋所需的良好加速度（以“g”為單位，其中 1 g 是地球表面重力引起的加速度 （9.81 m/s2））、位移和響應(yīng)時間以及自定義波形。（圖片來源：Digi-Key，通過作者）

　　請注意，壓電執(zhí)行器的驅(qū)動器更為復(fù)雜，部分原因是需要附加功能來生成自定義波形，以便為觸覺反饋提供定義和上下文。ERM 和 LRA 不支持自定義波形，因此驅(qū)動器更簡單。

　　新型壓電觸覺反饋器件的優(yōu)勢

　　近來針對壓電執(zhí)行器和高效專用驅(qū)動器推出相關(guān)產(chǎn)品，讓該技術(shù)成為電池供電型產(chǎn)品的更好解決方案。例如，最近推出的壓電觸覺產(chǎn)品，如 TDK 的 PowerHap B54102H1020A001（面積為 12.7 mm2）和 B54101H1020A001 （26 mm2），高度不到 2.5 mm，并且采用多層結(jié)構(gòu)，而不是基于音頻放大器技術(shù)的器件所采用的單層結(jié)構(gòu)。這種多層結(jié)構(gòu)通過降低驅(qū)動電壓（降至 60 至 120 伏之間），在某種程度上減輕了對驅(qū)動器的要求。

　　由于反向壓電效應(yīng)，TDK 多層產(chǎn)品的每一層僅沿“z”方向少量擴(kuò)展。但是，由于壓電器件必須保持恒定的體積，因此各層會沿“x”和“y”維度同時收縮。

　　TDK 產(chǎn)品使用壓電器件兩端的一對鈸，以機(jī)械方式來放大該收縮，以使 z 軸運(yùn)動增加 15 倍，讓位移達(dá)到 35 至 65 微米 （μm），具體取決于型號（圖 3）。在 100 克 （g） 的負(fù)載（單極工作，單脈沖正弦波，200 Hz）下，較大的 TDK 執(zhí)行器僅在 1 毫秒 （ms） 后即可達(dá)到 30 g 的加速度峰峰值。1 至 1000 赫茲 （Hz） 的頻率范圍使設(shè)計人員可以定制開發(fā)高清觸覺反饋特征。

圖 3：TDK 壓電觸覺執(zhí)行器采用多層結(jié)構(gòu)和鈸來放大 z 軸運(yùn)動。（圖片來源：TDK）

　　TDK 壓電觸覺執(zhí)行器可在單極或雙極模式下工作。單極工作會在執(zhí)行器上施加正電壓，而雙極工作時電壓會在正負(fù)峰值之間變化。雙極工作方式的優(yōu)點(diǎn)是，相同的峰間電壓可以實(shí)現(xiàn)更大的位移，或者可以通過更低的峰間電壓實(shí)現(xiàn)相同的位移。缺點(diǎn)是雙極工作會增加執(zhí)行器上的機(jī)械和電氣負(fù)載（圖 4）。

圖 4：雙極工作（右）提供與單極相同的機(jī)械位移，但使用較低的峰間電壓。（圖片來源：TDK）

　　芯片供應(yīng)商最近還推出了專為觸覺反饋應(yīng)用設(shè)計的驅(qū)動器芯片。這些增強(qiáng)的設(shè)計能夠在良好的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生一系列振動模式，并提供單極或雙極驅(qū)動特性，同時工作效率比先前的設(shè)計更高。具體實(shí)例包括 Boréas Technologies 的 BOS1901CQT 壓電觸覺驅(qū)動器和 Texas Instruments 的 DRV2667 電機(jī)功率驅(qū)動器。

　　Boréas Technologies 的 IC 是一款單芯片壓電執(zhí)行器驅(qū)動器，其采用能量回收技術(shù)，并能夠生成多個振動信號。該芯片能以 3 到 5.5 伏電源驅(qū)動高達(dá) 190 伏峰間電壓的執(zhí)行器。BOS1901 使用高速串行外設(shè)接口 （SPI），并且所有設(shè)置均可通過數(shù)字前端進(jìn)行調(diào)整。典型啟動時間不到 300 微秒 （μs），可降低延遲。

　　TI 的芯片則是一款壓電觸覺驅(qū)動器，集成 105 伏升壓開關(guān)和數(shù)字前端，能夠驅(qū)動高壓和低壓執(zhí)行器。數(shù)字前端減輕了微處理器產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 的負(fù)擔(dān)，也使主機(jī)系統(tǒng)擺脫了對其他模擬通道的需求。該芯片包括用于存儲和調(diào)用波形的專用存儲器，以及高級波形合成器。典型的 2 ms 啟動時間限制了延遲，并且熱過載保護(hù)功能可防止器件在過激勵時受損。

　　壓電觸覺系統(tǒng)設(shè)計

　　Boréas 和 TI 芯片均可用于在已包含應(yīng)用處理器的觸控系統(tǒng)中運(yùn)行。處理器通過 SPI 觸發(fā)觸覺反饋的執(zhí)行。另外，設(shè)計人員可使用模擬輸入來觸發(fā)觸覺效果（圖 5）。

圖 5：顯示 TI DRV2667 電機(jī)功率驅(qū)動器的應(yīng)用電路。觸覺事件由觸摸屏應(yīng)用處理器觸發(fā)，然后由 TI 芯片驅(qū)動壓電觸覺器件。（圖片來源：Texas Instruments）

　　由于最新驅(qū)動器的集成度，壓電觸覺反饋觸摸屏系統(tǒng)的設(shè)計變得更加容易，但是某些元器件的選擇對于優(yōu)化設(shè)計性能非常重要。例如，升壓電壓 （BST） 應(yīng)該比壓電執(zhí)行器要承受的峰值電壓大 5 伏。這允許一定程度的放大器開銷，并使用圖 5 所示的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò) R1/R2 進(jìn)行設(shè)置。

　　電阻值的計算公式為：V（BST） = V（FB） x （1 + R1/R2），其中 V（FB） = 1.32 伏。

　　因此，舉例來說，要達(dá)到 TI 驅(qū)動器的最大 V（BST） 能力 105 伏，R1 和 R2 值應(yīng)分別為 768 千歐 （kΩ） 和 9.76 kΩ。

　　峰值升壓電流通過電感器 L1 從電源獲取。 該電流由 R（EXT） 確定，但必須小心選擇能夠應(yīng)對所編程電流極限 （ILIM） 的電感器。R（EXT） 與 ILIM 之間的關(guān)系由以下公式確定：

　　其中 K = 10，500，VREF = 1.35 伏，RINT（驅(qū)動器的內(nèi)部電阻）= 60 Ω，ILIM = L1 的峰值電流極限。

　　電感器的選擇對于確保最佳驅(qū)動器性能至關(guān)重要。對于 TI 芯片，推薦的電感范圍為 3.3 至 22 微亨 （μH）。需要權(quán)衡的是，選擇較大的電感以降低升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗，還是選擇較小的電感以使其輸出電流最大化。

　　從驅(qū)動器角度來看，壓電觸覺執(zhí)行器的關(guān)鍵電氣規(guī)格是額定電壓和電容。例如，在 TI 驅(qū)動器的最大頻率 500 Hz 下，該器件經(jīng)過優(yōu)化，可在 200 伏峰間電壓（驅(qū)動器的最高電壓擺幅能力）下驅(qū)動高達(dá) 50 納法 （nF）。如果所編程的升壓電壓降低和/或用戶將輸入頻率范圍限制為 300 Hz 等，則該芯片可以驅(qū)動更大的電容。

　　另一個重要元器件選擇是升壓電容器 （C（BST））。這種電容器的額定電壓必須至少與升壓電壓相同，最好更高。例如，在以 TI 芯片的最大升壓電壓 105 伏運(yùn)行時，建議使用額定 250 伏的 X5R 或 X7R 型 100 nF 電容器。C（BST） 必須具有至少 50 nF 的最小工作電容。對于 30 至 80 伏的 V（BST），可接受額定電壓為 100 伏的 100 nF 電容器；對于小于 30 伏的 V（BST），建議使用 50 伏的 0.22 μF 電容器。

　　由于開關(guān)引腳電流的要求，建議在電感器旁使用大容量電容器 （CBULK）。建議使用電容至少為 1 μF 的 X5R 或 X7R 型的陶瓷電容器。

　　開發(fā)工具

　　針對希望在投入硬件之前對 TDK 壓電觸覺執(zhí)行器功能進(jìn)行試驗的工程師，該公司提供了單通道 Z63000Z2910Z 1Z 1 PowerHap 評估套件。該套件包括一個基板、一個升壓轉(zhuǎn)換器、一個輸出驅(qū)動器板和一個微控制器板。

　　該套件隨附配置軟件，可在使用 Windows 7（或更高版本）的 PC 上運(yùn)行。加載軟件后，通過 USB 電纜將該套件連接到 PC，并通過 12 伏 （DC） 的電源來供電。然后，該軟件會提供一個界面，用于配置執(zhí)行器被按下時的觸覺響應(yīng)。該界面允許配置以下信號參數(shù)（圖 6）：

　　幅度 - 5% 至 100%（115 伏）

　　頻率 - 20 至 300 Hz

　　波形（梯形、正弦方波，鋸齒形）

　　梯形占空比 - 35% 至 75%

　　脈沖數(shù) - 1 至 1000

　　觸發(fā)電平 - 0 至 12 伏（觸發(fā)電平越低，按下執(zhí)行器以激活信號所需的力度越大）

　　延遲時間（執(zhí)行器在此期間檢測不到力）

圖 6：TDK PowerHap 評估套件軟件提供了一個信號配置界面。設(shè)置完成后，可以通過“Transmit configuration”（傳輸配置）按鈕將配置發(fā)送到評估板處理器。（圖片來源：TDK）

　　此外，該軟件還讓工程師能夠創(chuàng)建自定義波形。配置軟件后，相關(guān)信息將通過 USB 電纜發(fā)送到套件的處理器。

　　第二個評估套件 PowerHap Z63000Z2910Z1Z44 專為使用 Boréas BOS1901CQT 壓電觸覺驅(qū)動器的工程師而設(shè)計。該套件包括一個基板、一個升壓轉(zhuǎn)換器、兩個驅(qū)動器和一個微控制器。基本套件隨附一個 TDK 壓電觸覺執(zhí)行器。

　　該評估板通過 USB 電纜連接到 PC，使用標(biāo)準(zhǔn) USB 音頻協(xié)議，并作為普通音頻輸出到任何計算機(jī)。波形原型設(shè)計（最高 190 伏峰間電壓）和回放可以使用 USB 音頻協(xié)議執(zhí)行，以在 MATLAB、Python 和 Audacity 等軟件中對觸覺效果進(jìn)行原型設(shè)計。

　　總結(jié)

　　使用壓電、ERM 和 LRA 執(zhí)行器的觸覺反饋增強(qiáng)了消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用中的觸摸屏控制。但是，隨著低壓緊湊型壓電觸覺執(zhí)行器的發(fā)展，高清觸覺反饋的優(yōu)勢已擴(kuò)展至電池供電型設(shè)備。

　　同時，壓電觸覺系統(tǒng)的設(shè)計因?qū)Ｓ抿?qū)動器的推出得以簡化，這些驅(qū)動器可與流行的應(yīng)用處理器連接并提供各種波形支持。TDK 等供應(yīng)商已為這些器件提供了評估套件，可以在硬件設(shè)計之前進(jìn)行實(shí)驗和原型設(shè)計。