由于相比機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，消費者可能會失去點按機械開關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，但是現有的解決方案傾向于使用龐大而復雜的機械系統(tǒng)。其中包括偏心旋轉質量 （ERM） 振動電機和線性諧振執(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用——電池供電終端產品的關鍵要求。

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

　　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構和雙極驅動模式的新一代器件，其結合高效且專用的驅動器以解決先前的功耗問題。接下來，本文使用來自 TDK 的觸控實例器件以及來自 Boréas Technologies 和 Texas Instruments （TI） 的驅動器，展示了工程師就如何在下一個觸摸屏觸覺反饋產品中利用這些執(zhí)行器和驅動器。

　　觸覺反饋選項

　　若要將觸覺反饋添加到觸摸屏界面，設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，其中微控制器負責監(jiān)督操作，而驅動器則控制執(zhí)行器產生振動（圖 1）。不同之處在于產生振動的方式：ERM 使用偏心旋轉質量塊，LRA 使用由螺旋彈簧懸掛的磁鐵質量塊，壓電器件則依靠（反向）壓電效應，而該效應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動器設計。相比之下，常規(guī)壓電器件需要高得多的電壓（高達 200 伏）才能產生足夠的機械變形，以提供良好的消費者體驗。之所以需要這些高電壓，是因為常規(guī)的壓電觸覺驅動器技術通常基于縮小比例的音頻放大器技術，而不是在設計之初就將低功耗納入考慮。另一個設計挑戰(zhàn)是缺少專用的低功耗觸覺執(zhí)行器驅動器，迫使設計人員轉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的振動。例如，壓電執(zhí)行器可產生頻率和振幅可變的振動，可用于表示按下單個按鈕時產出的不同結果（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生的不同結果。（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，并證實壓電解決方案是高清應用的唯一選擇，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)行器的驅動器更為復雜，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)行器和高效專用驅動器推出相關產品，讓該技術成為電池供電型產品的更好解決方案。例如，最近推出的壓電觸覺產品，如 TDK 的 PowerHap B54102H1020A001（面積為 12.7 mm2）和 B54101H1020A001 （26 mm2），高度不到 2.5 mm，并且采用多層結構，而不是基于音頻放大器技術的器件所采用的單層結構。這種多層結構通過降低驅動電壓（降至 60 至 120 伏之間），在某種程度上減輕了對驅動器的要求。

　　由于反向壓電效應，TDK 多層產品的每一層僅沿“z”方向少量擴展。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 產品使用壓電器件兩端的一對鈸，以機械方式來放大該收縮，以使 z 軸運動增加 15 倍，讓位移達到 35 至 65 微米 （μm），具體取決于型號（圖 3）。在 100 克 （g） 的負載（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） 后即可達到 30 g 的加速度峰峰值。1 至 1000 赫茲 （Hz） 的頻率范圍使設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)行器采用多層結構和鈸來放大 z 軸運動。（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峰值之間變化。雙極工作方式的優(yōu)點是，相同的峰間電壓可以實現更大的位移，或者可以通過更低的峰間電壓實現相同的位移。缺點是雙極工作會增加執(zhí)行器上的機械和電氣負載（圖 4）。

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

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

　　Boréas Technologies 的 IC 是一款單芯片壓電執(zhí)行器驅動器，其采用能量回收技術，并能夠生成多個振動信號。該芯片能以 3 到 5.5 伏電源驅動高達 190 伏峰間電壓的執(zhí)行器。BOS1901 使用高速串行外設接口 （SPI），并且所有設置均可通過數字前端進行調整。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動器，集成 105 伏升壓開關和數字前端，能夠驅動高壓和低壓執(zhí)行器。數字前端減輕了微處理器產生脈沖寬度調制 （PWM） 的負擔，也使主機系統(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，并且熱過載保護功能可防止器件在過激勵時受損。

　　壓電觸覺系統(tǒng)設計

　　Boréas 和 TI 芯片均可用于在已包含應用處理器的觸控系統(tǒng)中運行。處理器通過 SPI 觸發(fā)觸覺反饋的執(zhí)行。另外，設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 電機功率驅動器的應用電路。觸覺事件由觸摸屏應用處理器觸發(fā)，然后由 TI 芯片驅動壓電觸覺器件。（圖片來源：Texas Instruments）

　　由于最新驅動器的集成度，壓電觸覺反饋觸摸屏系統(tǒng)的設計變得更加容易，但是某些元器件的選擇對于優(yōu)化設計性能非常重要。例如，升壓電壓 （BST） 應該比壓電執(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絡 R1/R2 進行設置。

　　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，要達到 TI 驅動器的最大 V（BST） 能力 105 伏，R1 和 R2 值應分別為 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對所編程電流極限 （ILIM） 的電感器。R（EXT） 與 ILIM 之間的關系由以下公式確定：

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

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

　　從驅動器角度來看，壓電觸覺執(zhí)行器的關鍵電氣規(guī)格是額定電壓和電容。例如，在 TI 驅動器的最大頻率 500 Hz 下，該器件經過優(yōu)化，可在 200 伏峰間電壓（驅動器的最高電壓擺幅能力）下驅動高達 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、一個升壓轉換器、一個輸出驅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。該界面允許配置以下信號參數（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 - 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 壓電觸覺驅動器的工程師而設計。該套件包括一個基板、一個升壓轉換器、兩個驅動器和一個微控制器?；咎准S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，使用標準 USB 音頻協(xié)議，并作為普通音頻輸出到任何計算機。波形原型設計（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行原型設計。

　　總結

　　使用壓電、ERM 和 LRA 執(zhí)行器的觸覺反饋增強了消費和工業(yè)應用中的觸摸屏控制。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)勢已擴展至電池供電型設備。

　　同時，壓電觸覺系統(tǒng)的設計因專用驅動器的推出得以簡化，這些驅動器可與流行的應用處理器連接并提供各種波形支持。TDK 等供應商已為這些器件提供了評估套件，可以在硬件設計之前進行實驗和原型設計。