北京�(shí)�04�29日消息，中國觸摸屏網(wǎng)訊，隨著觸摸屏在手持式消�(fèi)類設(shè)備中逐步替代�(jī)械按鍵，由于缺乏觸覺響應(yīng)，消�(fèi)者開始提出對�(shí)�(shí)響應(yīng)的需求。用戶已�(jīng)�(xí)慣了按鍵按下�(shí)表示成功操作按鍵輸入的機(jī)械觸感，如圖1所示鍵盤。近來，由于缺乏好的觸覺反饋�(shè)�(jì)，從而帶動了電子觸覺響應(yīng)系統(tǒng)的需求�
�1. 基于軟件的按下激活按�
使用壓電�(qū)動實(shí)�(xiàn)觸覺反饋是一種比較有前途的方法，這種方式已經(jīng)在少�(shù)消費(fèi)類設(shè)備中�(yīng)用了很多年。壓電式觸覺反饋具有很多�(yōu)�(diǎn)，包括：快速響�(yīng)、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�(yīng)用及封裝的需求，并可以提供單層和多層�(jié)�(gòu)。多�(gè)壓電體可以實(shí)�(xiàn)較強(qiáng)的觸覺反饋和多種不同的觸感�
工作在諧振點(diǎn)及其附近的壓電驅(qū)動應(yīng)用包括：
●振動激�(lì)和消�
●微型泵
●微型雕刻系�(tǒng)
●超聲鉆�/焊接/雕刻/解剖/�(jì)�
工作在諧振點(diǎn)以下的應(yīng)用包括：
●觸覺響�(yīng)
●圖像穩(wěn)�
●自動對焦系�(tǒng)
●纖維光�(xué)校準(zhǔn)
●結(jié)�(gòu)變形
●磨損補(bǔ)�
壓電工作原理
低于諧振頻率�(shí)，壓電體可以簡單地用一�(gè)電容模擬。當(dāng)直流電壓加在壓電體兩端，�(gòu)造和物理形狀不同的壓電體會產(chǎn)生不同的形變（圖2）�
�2. 簡化壓電體模�
庫侖定律指出Q＝CV，但在壓電體中電容不是常�(shù)，這是�?yàn)殡娙輼O板間距會隨著電壓變化而變化�
�(dāng)對壓電體施加電壓�(shí)，由于極板間距離�(fā)生變化（�3A），電容量也會隨之改變。壓電體位移正比于電場強(qiáng)度，而電場強(qiáng)度是極板間電壓和距離的函�(shù)。外加電壓和壓電�(qū)動器�(chǎn)生的作用力保持著合理的正比關(guān)系（�3C）�
在大多數(shù)壓電�(qū)動器移動范圍�(nèi)，壓電體等效電容的電荷與位移量都保持近似正比�(guān)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�
�3. 位移量和作用力與外加電壓
作用力正比于壓電體外加電壓（�3）。作用力（相對于�(shí)間）是影響觸覺響�(yīng)的主要因素，它決定了用戶的感覺，使用多層壓電體可以改�(jìn)位移量�
壓電模型
壓電體中�(yùn)�(zhuǎn)的電�(jī)系統(tǒng)可以用主介質(zhì)電容CP并聯(lián)由LRC組成的串�(lián)�(wǎng)�(luò)來模擬（�4）。達(dá)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，�(dāng)壓電體工作在�(yuǎn)低于諧振頻率�(shí)，可以僅用一�(gè)電容CP來模擬�
�4.壓電體阻抗與頻率
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(qū)動器通常工作在遠(yuǎn)�(yuǎn)低于諧振頻率的位置�
對于音頻�(yīng)用，效率是最�(guān)心的問題，觸覺反饋則與之不同，觸覺反饋的�(guān)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(chǎn)生較�(qiáng)觸感，但也會�(chǎn)生不希望聽到的喀噠聲�
�5展示了一�(gè)典型的觸感波形圖，波形模擬了對一�(gè)�(jī)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�(yīng)；下降沿，P2到P3，反映了釋放的觸覺響�(yīng)。從P1到P2的時(shí)間是用戶按住�(jī)械按鍵的持續(xù)�(shí)間，由用戶決定�
�5.一�(gè)典型觸覺反饋的波形示�
�(dāng)�(gòu)建一�(gè)基于壓電體的觸覺反饋系統(tǒng)�(shí)，首先需要決定的是使用單層還是多層壓電驅(qū)動器（圖6）。表1總結(jié)了兩種壓電類型的對比�
�1.單層和多層壓電驅(qū)動器的優(yōu)勢對�
�6. 左圖�100VP-P單層壓電� （SLD� ；右上圖� 120VP-P多層壓電條（MLS）； 右下圖為 30VP-P多層壓電條（MLS�
方案選擇
單層還是多層�(jié)�(gòu)�
�1提供的信息建議使用單層壓電驅(qū)動器。單層片供貨量大而且已經(jīng)量產(chǎn)，投入生�(chǎn)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�(gè)壓電體的方案中十分重要。例如，市場上的很多手機(jī)在屏幕后面都安裝了多�(gè)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�(diǎn)之一是復(fù)雜度比較高，典型的壓電體解決方案采用分立元件�(shí)�(xiàn)整�(gè)觸覺反饋系統(tǒng)，額外的分立元件包括一�(gè)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�(dá)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，� MAX11835相比于傳�(tǒng)分立�(shè)�(jì)有很多優(yōu)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�(shè)備是極具吸引力的解決方案�
�7 展示了單芯片高壓觸覺反饋�(qū)動控制器的框圖：
�7. 使用壓電�(qū)動器的觸覺反饋方案框�
MAX11835 單芯片優(yōu)化方案具有以下功能：
●支持單層和多層壓電�(qū)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(fā)生器
●內(nèi)嵌DC-DC升壓控制�
●工作電壓范圍可滿足典型的手�(jī)電池需�
●小封裝尺寸
●低功�
電源管理的重要�
壓電體相對于直流馬達(dá)�(qū)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�(shù)
●高壓升壓電路消耗的功率
MAX11835觸覺�(qū)動控制器對各種壓電驅(qū)動器和高壓電容的功耗�(jìn)行了測量。MAX11835可以回放boost�(zhuǎn)換器反饋�(huán)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�
�8�9A�9B 顯示� MAX11835 �(qū)� 175V 100Hz 正弦波時(shí)的輸出，同時(shí)也畫出了變壓器主線圈電流�
�8.輸出電壓波形� MAX11835 boost電源的電流波�
�9A. 100Hz連續(xù)正弦波下，功耗隨�(fù)載的變化曲線
�9B. 峰值boost電源電流隨負(fù)載變化的曲線圖，
測試條件：頻� = 100Hz的正弦波；boost電源電壓 = 4.2V；boost電源去耦電� = 10uF；使�6:1變壓器�
按下按鍵是最普通的操作，圖10所示波形需�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�(gè)�(jī)械按鍵�
�10. 按壓按鍵的模擬波�
�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(dāng)電壓超過180V，MAX11835的原邊鉗位開啟，功耗會急劇上升�
�11所示波形連續(xù)工作。功耗隨著占空比的降低而線性下降。在�(jī)械負(fù)載（半阻塞作用力）和空載壓電�(qū)動器的壓電體�(shù)�(jù)間沒有顯著的區(qū)別�
�12顯示了MAX11835升壓過程的效率，用負(fù)載消耗能量除以升壓電源消耗能量（VBST）�(jìn)行測量�
�12. 能量�(zhuǎn)換效率：�(fù)載消耗能量與VBST消耗能量。電壓超�180V�(shí)，MAX11835的原邊鉗位開啟，效率快速上升�
�12中，效率隨著�(fù)載電容的增大而上升，�?yàn)橹挥衎oost電路消耗靜�(tài)功率�
MAX11835 功耗與馬達(dá)�(qū)動器功耗對�
MAX11835的功耗相對于馬達(dá)�(qū)動器來說非常低，馬達(dá)�(qū)動器包括偏振旋轉(zhuǎn)（ERM）型、線性振蕩驅(qū)動器（LRA）型和音圈型�
基于馬達(dá)的驅(qū)動器通常需要低電壓�1.8V�3V），電流卻相�(dāng)大。此外，馬達(dá)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�
�2和圖13給出了驅(qū)動器的大量測量結(jié)果，測試了兩種工作模式，連續(xù)工作和脈沖工作。實(shí)際情況通常不是連續(xù)工作方式，因?yàn)楹芏嘤|碰操作非常短暫，即使仿真紋理表面的仿真�
� 2. 馬達(dá)�(qū)動器的功�
�13. �2對比的驅(qū)動器，相�(guān)�(shù)�(jù)如表2所�
�14顯示了連續(xù)工作的功耗。圖中壓電體由幅度為180V、頻率為100Hz的連續(xù)正弦波驅(qū)動。其它驅(qū)動器�3VDC�2VRMS （LRA 和音圈）�(qū)動�
�14. 各種�(qū)動器的連續(xù)工作下的功�
�15顯示了脈沖工作方式下的功耗，圖中�(qū)動器�50ms脈沖�(qū)動，以此仿真按鍵按壓操作。壓電驅(qū)動器�(qū)動幅度為180V ，其它驅(qū)動器�(qū)動電壓為3VDC� 2VRMS （LRA 和音圈）�
�15. 各種�(qū)動器在脈沖工作方式下的功�
�(jié)�
從以上討論中可以得出很多�(jié)論。顯然，基于多種考量，單層（非多層）壓電�(qū)動器是當(dāng)前更具吸引力的設(shè)�(jì)方案�
成本最�
供貨渠道眾多
大規(guī)模量�(chǎn)
提供定制�(shè)�(jì)
可安裝在LCD背面或側(cè)�
�(shù)�(jù)顯示，應(yīng)該對觸覺反饋電路消耗電源功率�(jìn)行詳�(xì)�(jì)算，波形幅度、類型和持續(xù)�(shí)間都會影響功耗的大小和觸覺響�(yīng)�
每秒鐘觸碰的次數(shù)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(jié)果歸一化為每秒鐘�(jìn)行的一次觸碰操作，以便比較�
本文來自: 中國觸摸屏網(wǎng)(http://www.51touch.com/) 詳細(xì)出處參考：http://www.51touch.com/touchscreen/news/front/201104/29-9877.html
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