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感測器/MEMS  

基於壓電驅動的觸覺反饋解決方案

上網時間: 2011年11月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:壓電馬達  觸覺反饋  觸控螢幕  電容器  壓電器 

作者:Tim Blankenship

Maxim Integrated Inc.

隨著觸控螢幕逐漸取代可攜式手持消費電子設備上的機械按鍵,缺少觸覺反饋功能造成用戶對於設備即時回應的需求。用戶已經習慣了輕按機械式按鍵即啟動功能的反饋,以確定成功地實現輸入,如圖1鍵盤所示。最近這種缺乏較佳觸覺反饋的設計,帶動了電子觸覺反饋系統的需求。


使用壓電驅動實現即時觸覺反饋的較有效方法,已經在少數消費性設備中應用多年了。基於壓電式觸覺反饋具有很多優點,包括快速響應、超薄外觀、低功耗以及大量可用的壓電材料和組裝技術。

壓電特性和比較

壓電材料有各種不同的形狀、尺寸、厚度、電壓範圍、作用力和額定電容,可以加工成特定形狀,以滿足特殊應用及封裝的需求,並可以提供單層和多層結構。多種壓電器均可實現較強的觸覺響應以及更本地化的觸覺反饋。

可作業於諧振點及其附近的壓電驅動器應用包括:

* 振動刺激和消除

* 微型泵

* 微型鑿刻系統

* 超音波鑽孔/焊接/鑿刻/解剖/計量

可作業於諧振點之下的應用包括:

* 觸覺反饋

* 影像穩定

* 自動對焦系統

* 光纖校準

* 結構變形

* 磨損補償

基本壓電工作原理

低於諧振頻率時,壓電器可被塑造為一款簡單的電容器。根據壓電器的配置及其外在形狀不同,當直流電壓加在壓電器兩端時,將會產生不同的形變(圖2)。


圖2. 簡化的壓電器模型。(簡化的模型)

庫侖定律(Coulomb’s law)顯示Q=CV,但在壓電器中,電容(C)並非常數,這是因為電容器電極間的間距會隨著電壓不同而變化。

當電壓加在壓電器兩端時,由於電極間距產生變化,導致電容隨之改變。壓電器的位移量與電場強度成正比,而電場強度是電極電壓和電極間距的函數。在壓電器上施加的電壓與壓電驅動器產生的作用力也成正比。

在大多數壓電驅動器行動範圍內,壓電電容器的電荷與位移量保持正比關係。除了等效電容器電極之間極小量的漏電流以外,就算電極與電壓來源之間中斷,仍能夠保持均衡的位移量。


圖3. 位移量和作用力與外加電壓關係圖。(位移量、電壓、)(位移量、電荷)(作用力、電壓)

作用力與施加於壓電器的電壓成正比(圖3)。作用力(相對於時間)是影響觸覺反饋的主要因素,它決定了用戶的感覺,使用多層壓電器可以改進位移量。

當對壓電器施加電壓時,由於電極間距離產生變化(圖3A),電容值也會隨之改變。壓電器位移與電場強度成正比,而電場強度是電極電壓和電極間距離的函數。施加電壓和壓電驅動器產生的作用力維持一定的正比關係(圖3C)。


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