概述随着触摸屏在手持式消费类设备中逐步替代机械按键，由于缺乏触觉响应，消费者开始提出对实时响应的需求。

用户已经习惯了按键按下时表示成功操作按键输入的机械触感，如图 1 所示键盘。

近来，由于缺乏好的触觉反馈设计，从而带动了电子触觉响应系统的需求。

图 1. 基于软件的按下激活按键。

使用压电驱动实现触觉反馈是一种比较有前途的方法，这种方式已经在少数消费类设备中应用了很多年。

压电式触觉反馈具有很多优点，包括：快速响应、超薄外观、低功耗以及大量可以利用的压电材料和组装工艺。

压电特性和比较压电材料有各种不同的形状、尺寸、厚度、电压范围、作用力和额定电容，可以加工成特定形状，以满足特殊应用及封装的需求，并可以提供单层和多层结构。

多个压电体可以实现较强的触觉反馈和多种不同的触感。

工作在谐振点及其附近的压电驱动应用包括：振动激励和消除微型泵微型雕刻系统超声钻孔 / 焊接 / 雕刻 / 解剖 / 计量工作在谐振点以下的应用包括：触觉响应图像稳定自动对焦系统纤维光学校准结构变形磨损补偿压电工作原理低于谐振频率时，压电体可以简单地用一个电容模拟。

当直流电压加在压电体两端，构造和物理形状不同的压电体会产生不同的形变(图 2)。

图 2. 简化压电体模型库仑定律指出 Q = CV，但在压电体中电容不是常数，这是因为电容极板间距会随着电压变化而变化。

当对压电体施加电压时，由于极板间距离发生变化(图 3A)，电容量也会随之改变。

压电体位移正比于电场强度，而电场强度是极板间电压和距离的函数。

外加电压和压电驱动器产生的作用力保持着合理的正比关系(图 3C)。

在大多数压电驱动器移动范围内，压电体等效电容的电荷与位移量都保持近似正比关系。

如果等效电容极板间没有漏电流，即使极板与电压源断开，仍能够保持位移量。

图 3. 位移量和作用力与外加电压作用力正比于压电体外加电压(图 3)。

作用力(相对于时间)是影响触觉响应的主要因素，它决定了用户的感觉，使用多层压电体可以改进位移量。

压电模型压电体中运转的电机系统可以用主介质电容 CP 并联由 LRC 组成的串联网络来模拟(图 4)。

达到谐振频率之前，阻抗会像电容一样随频率上升而下降。

所以，当压电体工作在远低于谐振频率时，可以仅用一个电容 CP 来模拟。

图 4. 压电体阻抗与频率压电体可以工作在谐振频率，以满足自激振荡在固定频率的需求，例如超声振荡器。

然而，用于触觉反馈的压电驱动器通常工作在远远低于谐振频率的位置。

对于音频应用，效率是最关心的问题，触觉反馈则与之不同，触觉反馈的关键问题不是效率，而是人的触感。

超过几百兆赫兹的振动不但不能提供很好的触觉反馈，反而消耗不必要的功率。

周期超过几毫秒的振动可以产生较强触感，但也会产生不希望听到的喀哒声。

图 5 展示了一个典型的触感波形图，波形模拟了对一个机械按键按压和释放的感觉。

波形的上升沿，P0 到 P1，反映了按压的触觉响应；下降沿，P2 到 P3，反映了释放的触觉响应。

从 P1 到 P2 的时间是用户按住机械按键的持续时间，由用户决定。

图 5. 一个典型触觉反馈的波形示例。

当构建一个基于压电体的触觉反馈系统时，首先需要决定的是使用单层还是多层压电驱动器(图 6)。

表 1 总结了两种压电类型的对比。

表 1. 单层和多层压电驱动器的优势对比图 6. 左图为 100VP-P 单层压电片 (SLD) ；右上图为 120VP-P 多层压电条(MLS)； 右下图为 30VP-P 多层压电条(MLS)方案选择单层还是多层结构?表 1 提供的信息建议使用单层压电驱动器。

单层片供货量大而且已经量产，投入生产的多层压电体则相对较少。

另外，单层压电体成本低很多，这在使用多个压电体的方案中十分重要。

例如，市场上的很多手机在屏幕后面都安装了多个单层压电片，这种情况下使用多层压电体成本就要高很多。

分立方案还是单芯片方案?基于压电体的触觉反馈方案的缺点之一是复杂度比较高，典型的压电体解决方案采用分立元件实现整个触觉反馈系统，额外的分立元件包括一个微控制器、反激 boost 或集成电荷泵、反激变压器或电感，以及各种电阻、电容、二极管和晶体管。

而基于直流马达的触觉反馈方案需要很少甚至不需要外部元件。

单芯片触觉反馈方案，如 MAX11835 相比于传统分立设计有很多优势：较小的印制电路板(PCB)尺寸、较低功耗、精简的材料清单(BOM)以及简单的软件支持。

考虑到压电体尺寸也很小，MAX11835 对于手持设备是极具吸引力的解决方案。

图 7 展示了单芯片高压触觉反馈驱动控制器的框图：图 7. 使用压电驱动器的触觉反馈方案框图。

MAX11835 单芯片优化方案具有以下功能：支持单层和多层压电驱动器用户可定义的片上波形存储功能(通过串口)片上波形发生器内嵌 DC-DC 升压控制器工作电压范围可满足典型的手机电池需求小封装尺寸低功耗电源管理的重要性压电体相对于直流马达驱动器来说功耗极低，尽管如此，仍有一些其它功耗因素需要考虑：每次触碰从主电源消耗的功率每次触碰的波形类型每秒触碰次数高压升压电路消耗的功率MAX11835 触觉驱动控制器对各种压电驱动器和高压电容的功耗进行了测量。

MAX11835 可以回放 boost 转换器反馈环路中软件控制的存储波形，测试波形包括 100Hz 正弦波和 20Hz 斜坡。

图 8、9A 和 9B 显示了 MAX11835 驱动 175V 100Hz 正弦波时的输出，同时也画出了变压器主线圈电流。

图 8. 输出电压波形和 MAX11835 boost 电源的电流波形图 9A. 100Hz 连续正弦波下，功耗随负载的变化曲线图 9B. 峰值 boost 电源电流随负载变化的曲线图，测试条件：频率 = 100Hz 的正弦波；boost 电源电压 = 4.2V；boost 电源去耦电容 = 10µF；使用 6:1 变压器。

按下按键是最普通的操作，图 10 所示波形需要 40ms 充电，10ms 放电。

缓慢充电在触碰屏幕的过程中不容易被察觉，而快速放电的感觉则如同释放一个机械按键。

图 10. 按压按键的模拟波形图 11. 功耗与压电电压曲线图，用单层和多层压电体模拟按键的按压。

当电压超过 180V，MAX11835 的原边钳位开启，功耗会急剧上升。

图 11 所示波形连续工作。

功耗随着占空比的降低而线性下降。

在机械负载(半阻塞作用力)和空载压电驱动器的压电体数据间没有显著的区别。

图 12 显示了 MAX11835 升压过程的效率，用负载消耗能量除以升压电源消耗能量(VBST)进行测量。

图 12. 能量转换效率：负载消耗能量与 VBST 消耗能量。

电压超过 180V 时，MAX11835 的原边钳位开启，效率快速上升。

图 12 中，效率随着负载电容的增大而上升，因为只有 boost 电路消耗静态功率。

MAX11835 功耗与马达驱动器功耗对比MAX11835 的功耗相对于马达驱动器来说非常低，马达驱动器包括偏振旋转(ERM)型、线性振荡驱动器(LRA)型和音圈型。

基于马达的驱动器通常需要低电压(1.8V 至 3V)，电流却相当大。

此外，马达的通、断特性，尤其是 ERM 型，不具备理想的模拟触感所需的反馈信号。

表 2 和图 13 给出了驱动器的大量测量结果，测试了两种工作模式，连续工作和脉冲工作。

实际情况通常不是连续工作方式，因为很多触碰操作非常短暂，即使仿真纹理表面的仿真。

表 2. 马达驱动器的功耗图 13. 表 2 对比的驱动器，相关数据如表 2 所示图 14 显示了连续工作的功耗。

图中压电体由幅度为 180V、频率为 100Hz 的连续正弦波驱动。

其它驱动器由 3VDC 或 2VRMS (LRA 和音圈)驱动。

图 14. 各种驱动器的连续工作下的功耗图 15 显示了脉冲工作方式下的功耗，图中驱动器由 50ms 脉冲驱动，以此仿真按键按压操作。

压电驱动器驱动幅度为 180V，其它驱动器驱动电压为 3VDC 或 2VRMS (LRA 和音圈)。

图 15. 各种驱动器在脉冲工作方式下的功耗结论从以上讨论中可以得出很多结论。

显然，基于多种考量，单层(非多层)压电驱动器是当前更具吸引力的设计方案：成本最低供货渠道众多大规模量产提供定制设计可安装在 LCD 背面或侧面数据显示，应该对触觉反馈电路消耗电源功率进行详细计算，波形幅度、类型和持续时间都会影响功耗的大小和触觉响应。

每秒钟触碰的次数也会影响功耗，需要考虑滚动或滑动操作，还是轻按或缓慢键入等，这些因素都会影响功耗。

最后，把测量结果归一化为每秒钟进行的一次触碰操作，以便比较。