压电换能器如何改善触觉反馈

大多数触摸屏面板的触觉反馈类型有限或根本没有。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导致一些人仔细研究压电传感器以产生触觉信号，它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。它包括对专门为驱动压电换能器的独特特性而设计的电子电路的讨论，并分享了使用压电换能器的触觉应用示例。本文还研究了放大器输入功率与压电负载配置的关系。

请注意，来自压电致动器的触觉振动使用逆压电效应(即，来自电刺激的振动)。任何提到的压电效应都是指这种电能到机械的能量转移。

压电触觉简介

如今，在大多数手持或便携式电子设备中，触觉振动是由将电信号转换为机械振动的机电 (EM) 换能器产生的。其中包括偏心旋转质量 (ERM) 致动器和线性共振致动器 (LRA)。这些类型的 EM 传感器成本低、使用方便，并且可以由电池级电压供电。

然而，电磁传感器也有一些缺点：

它们是产生特定振动频率的共振设备，对于 LRA，必须在出厂时将其校准为随机的共振频率。

EM 设备在物理上又大又高(3 到 5 毫米高)，降低了将它们安装到薄外壳中的能力。

它们产生点源振动，不能在表面上产生各种频率模式。

它们效率低下，每个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。它们通过反压电效应通过施加的电动势(即EMF)产生晶体振动，通常来自交流电压源，从而产生机械振动。

由于几个重要特性，压电换能器具有优势：

它们很薄(<1 mm)，很灵活，可以安装在多种选项中，并且可以塑造成几乎任何所需的图案。

它们在表面区域产生振动，并且可以对触摸位置敏感。

它们的效率很高，具体取决于驱动压电的方法。

它们可以在很宽的频率范围内再现任何振动频率。

它们可以生成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，通常为 60 V 至 200 V 峰峰值。此外，压电致动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。稍后将讨论有关此主题的更多信息。

压电致动器结构和物理的详细讨论超出了本文的范围;然而，下面是一个简短的描述。压电换能器根据应用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致动器采用双压电晶片弯曲器的形式，该弯曲器将安装(即，胶合)到作为手持或可穿戴外壳或触摸屏的一部分的内表面。图 1显示了表面安装的单层压电致动器的示例。

图 1：双压电晶片压电促动器结构

如图1，双晶型弯曲机通常由一层或多层多晶陶瓷材料组成，这些材料被屏蔽在导电的机械层(例如黄铜或铜)上。在创建了这些层之后，在压电结构上施加一个大的 DC 极化电压以对齐晶畴边界，以增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，极化电压定义了施加电压产生的机械力的方向。沿极化电压方向增加施加的电压会增加机械力或弯曲位移。压电层的极化可以在相同方向或相反方向上施加。每种方法都有其优点，可用于根据需要创建压电效应。

图 1 中的图示显示了安装在与极化电压正交的表面上的压电致动器。这种配置(如图所示施加的 EMF)会在安装底座中产生一个力，因此，压电元件的偏转很小。如果底座垂直安装到压电致动器(以虚线显示)并且致动器的另一端不受约束，这将导致压电的偏转更大。

图 1中所示的安装示例是安装在显示屏上，该显示屏会产生传导到表面的力。这会产生最大的传导力和最小的偏转。例如，该方法可用于在触摸激活的显示屏上对手指产生触觉振动。应该注意的是，压电体和安装表面之间存在的任何材料都会吸收机械能并倾向于减弱传导的振动，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。例如，这可以通过在触摸屏或键盘显示器下方布置多个压电元件来实现，以便每个压电元件提供定位于其位置的触觉感觉。当感应到触摸时，显示器不仅会产生触摸的 XY 位置，还会启用压电驱动器，为特定的压电致动器通电。这可以通过使用高压 MUX 或从单独的压电放大器来实现。

每层多晶陶瓷产生的力与施加的电压成正比，n 层产生的力是所产生力的n倍。

压电材料会受到各种老化或降解效应的影响，这些效应可能是灾难性的或累积的。温度、湿度和压力会对压电效应的强度造成长期损坏和寿命退化。对压电执行器进行气密密封可减少湿度影响，并且正常的大气压力具有有限的老化影响。压电老化退化的主要原因是高温和连续直流偏压。

电压过应力类似于电压击穿，可能是灾难性的。如果压电致动器受到超过极化电压的差分电压，压电陶瓷将恢复其原始的随机晶体结构，压电效应将大大降低。类似地，如果压电体经受超过其居里点的温度，晶体结构将再次随机化。直流偏压和暴露于高温都会导致压电效应的累积退化。压电材料的极化如图2所示。

图：2. 显示极化前后多晶畴的压电致动器

推荐的压电触觉驱动器可延长便携式设备的电池寿命

压电建模和共振

如前所述，压电致动器的电气模型可以主要是具有串联电阻的电容器。这是对电路建模有用的简化，但严格来说并非如此。事实上，使用网络分析仪测量压电器件会发现有几个电谐振频率出现在主谐振频率的大约倍频程处。例如，如果一个特定压电元件的主要电谐振发生在 8 到 9 kHz 之间，则在 34 KHz 和 83 KHz 处会有额外的谐振点。这已在实验室中观察到，但可能仅适用于特定的压电元件。然而，要记住的关键点是电共振独立于机械共振，

例如，上述相同的双压电晶片压电致动器安装在边缘夹具中，在大约 300 Hz 处显示出机械共振(用激光偏转测量系统观察)，电容为 400 nF。因此，电谐振频率比机械谐振频率高 30 倍，并且如将要显示的那样，对驱动放大器几乎没有影响。同样重要的是要注意机械共振取决于安装方法和安装的质量。因此，最终的机械共振值将具有几个随机变量，例如安装、质量和工厂变化。

代表压电中存储的电荷量的压电电容也很复杂。考虑一个压电驱动信号，它是一个以机械共振频率为中心的连续正弦波。因为电容器中的电流滞后于其上的电压 90°，所以压电体中的充电电流在峰值施加电压的 –6dB 值处达到峰值(或者，一般来说，在 V OUT的最大压摆率处)。因此，为压电器件充电所需的无功功率在同一电压点达到峰值。

有趣的是，(低频)压电电容不是一个固定值。它具有一阶和二阶电压系数。例如，在某些压电传感器中，电容在施加电压低于其额定值时达到峰值。显然，这使得精确的电压电建模变得困难。幸运的是，对于大多数只需要低带宽信号响应的触觉应用来说，单个电容加上串联电阻就足够了。有趣的是，驱动压电致动器(类似于本文中描述的那个)所需的电能在机械共振频率下没有显着变化，除了充电能量与频率呈线性关系，如下所述。

对于触觉应用，闭环带宽要求通常较低(即，3 到 5 kHz 通常就足够了)。另请注意，在直流时，压电上的施加电压是静态的，不会产生振动。因为电气负载主要是电容性的(具有电气谐振点)，压电充电电流会随着频率的增加而继续增加，直到 ESR 占主导地位并且压电是电阻性的。

图 3显示了压电阻抗频率扫描的测量图。无花果。图 4和图5分别显示了电气模型和模拟的压电频率扫描。串联 LRC 网络配置为在 8 kHz、34 kHz 和 80 kHz 处匹配测量的电频率谐振点，每个谐振点都具有低 Q。C1 和 R1 代表压电的低频电容和串联电阻，并主导负载呈现到放大器输出。

图 3：带有网络分析仪的压电执行器的频率响应

图 4：匹配的电气模型

图 5：压电模型频率响应仿真

压电充电和能量要求

大多数触觉信号基于正弦或高斯波形。波形可以重复并形成音爆型包络，也可以是单脉冲事件。它们也可以由调幅包络形状构成，或者可以由调频突发音或任何组合组成。几乎无限的触觉形状可用于创建任何所需的触觉“感觉”。最简单的触觉波形用作简单的警报或触摸反馈响应。此外，由于触觉波形本质上是音频波形，因此可以使用来自压电致动器的触觉信号的声音来增强响应。

图 6：典型触觉波形示例(6a：正弦波;6b：高斯)

用正弦波对电容器(压电)充电所需的能量与频率、电压和电容成正比，如下所示：

P(reac tive) 与：2pi × C × V 2 × F成正比

根据上述等式，C、V 和 F 的自变量决定了驱动压电体所需的能量。对于驱动特定压电致动器的触觉波形信号，电容和频率对于该应用通常是固定的。例如，典型的触觉频率在 100 到 300 Hz 之间，压电执行器的范围从 100 nF 到超过 1 µF(取决于陶瓷层的数量和尺寸)。左边的因变量是电压摆幅。根据压电陶瓷的厚度和使用的陶瓷类型，设置最大峰值电压。如前所述，不得超过极化电压。

常用压电执行器的额定最大电压范围为 30 至 200 V。这些值只是典型值;新的压电材料和构造技术不断被开发，特别是由于新的应用需求和用例。

然而，目前，压电材料的电容特性和驱动高压波形的需求决定了充电能量需求和用于驱动压电元件的电子电路类型。由于压电负载的电容特性，基于诺顿(电流输出)的驱动电路是最合适的。

充电电流对电容器电压的微分方程形式为：

dV = (dI/C)dT(增量电容电压与充电电流X时间积分成正比)

Q = CV(电容器上的总电荷与电容 X 电容器上的电压成正比)

则 dQ = dI × dT(增量存储电荷与充电电流随时间的积分成正比)

大多数现有技术的压电驱动电路使用传统的升压转换器来生成为电压输出线性放大器(即，低阻抗输出放大器)供电的高压轨。这个概念如图7 所示。

图 7：具有升压转换器和 A/B 类放大器的现有技术压电驱动器电路

图 7所示的压电驱动器拓扑有几个缺点，主要与输入功耗和 IC 功耗有关。通过检查，有两个功率转换阶段，每个阶段都有自己的功率效率损失。首先，有一个升压转换器，用于产生高压直流电源轨，供差分输出放大器使用。高转换率、高压电源的典型升压转换器效率可能为 70% 至 85%。第二个功率转换器是差分驱动压电致动器的输出放大器。在该实施例中，压电负载驱动器是线性放大器(即A/B类)，通常效率为50%至67%。

两种效率的乘积产生 35% 到 57% 的总效率。注意没有实际输出负载功率(负载是容性的);因此，所有输入功率都消耗在 IC 上。例如，对于大压电电容 (>1 µF)、高电压摆幅 (> 100 Vpp) 和高触觉频率 (~300 Hz)，输入功率会变得过大，IC 将显着升温并可能进入热限制状态。

有趣的是，上述拓扑中的 A/B 类放大器可以替换为 D 类放大器，从而提高驱动器效率。但是，需要与压电负载串联一个低电阻电感器，以减弱 D 类调制频率载波在压电中的耗散。

压电充电和能量回收

为了减少功率损耗并缓解功率耗散问题，能量回收可用于回收用于为压电电容充电的能量，并将其传递回输入电源或中间存储电容器。使用这种方法，大部分无功能量从压电中回收，输入功率大大降低。与图 7所示拓扑中的能量损失相比，可以实现接近 10 倍的能量比。

图 8：具有能量回收功能的压电驱动器 IC

图 8所示的原理图是 Maxim 的 MAX77501 压电触觉致动器升压驱动器的简化框图。它被配置为带有外部功率 FET 的单端输出驱动器/控制器，旨在提供高度的应用灵活性。MAX77501 采用 12-V、BiCMOS 工艺，具有 10-V 栅极驱动输出。触觉信号的回放可以从流数据(SPI 接口)生成，也可以存储在 9 kB 的内部 RAM 中。一个 12 位 DAC 和缓冲放大器完善了数字引擎信号路径。输入电源范围为 2.8 至 5.5 V，升压放大器通常可驱动高达 120 V 峰值的压电负载和高达 2 µF 的电容。其他数字功能包括启用、FIFO 填充状态和因故障条件而产生的系统中断请求 (nIRQ)。

能量回收或能量再循环的原理如图9所示的波形图所示。上图(蓝色)是通过压电致动器测量的正弦波触觉信号(250 Hz 时峰峰值为 80 V)。下图显示了在电池输出 (3.6 V) 处测量的输入电源电流。在V OUT的正dV/dT斜率期间，需要来自电池的能量来为压电电容充电并且电池电流为正(即>0)。请注意，如前所述，输入电流峰值出现在最大 V OUT dV/dT 或滞后 V OUT 90°。在负 dV/dT 斜率条件下，需要去除来自压电的能量以降低 V OUT随着时间的推移，输入电源电流现在为负(即，电池电源正在吸收向后传输到电池中的能量)。

此处未显示 VBATTERY 的图，但根据电池的驱动点电阻，将观察到 VBATTERY 电压随着电源电流的前进或后退而上升和下降。在 V OUT 的峰值或谷值区域没有斜率(即 dV/dT 为零)，输入电源电流接近于零。通过这种方法，能量被用来给压电体充电，然后在电荷被移除时回收(或回收)。当然会有能量损失。在能量传输的两个方向期间，实际功率损耗元件(例如开关、金属和电感器 DCR)都会消耗功率，这会导致触觉信号每个完整周期的整体效率损失。例如，如果每个周期的功率损失为 20%，则与不使用能量回收相比，效率提高了 8:1。回到图 7，可以看出线性放大器在正 d( VOUT)/dT) 相。然后，放大器输出必须在负 d(V OUT )/dT 相位期间将存储在压电体中的能量释放到地。释放压电中存储的能量会导致输入功率急剧增加，其中大部分消耗在 IC 上。