大多数触摸屏面板的触觉反馈类型有限或根本没有。对于手表，触摸板，键盘，鼠标等许多类型的手持式或可穿戴设备而言，也是如此。对改善触觉反馈的渴望正促使一些人仔细研究压电换能器以产生触觉信号，从而提供许多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。它讨论了专门设计用于驱动压电换能器独特特性的电子电路，并分享了使用压电换能器的触觉应用示例。放大器输入功率与压电负载配置之间的关系。

请注意，来自压电执行器的触觉振动会使用逆压电效应（即，来自电刺激的振动）。压电效应的任何提及均指这种电到机械的能量转移。

压电触觉介绍

如今，在大多数手持式或嵌入式设备中，触觉振动是由将电子信号转换为机械振动的机电（EM）换能器产生的。这些包括偏心旋转质量（ERM）致动器和线性共振致动器（LRA）。这些类型的EM传感器价格低廉，易于使用，并且可以由电池级电压供电。

但是，EM换能器有许多缺点：

它们是产生特定振动频率的谐振设备，对于LRA，必须将其校准为出厂时随机的谐振频率。

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

它们会产生点源振动，并且无法在表面上创建各种频率模式​​。

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，压电换能器并非基于EM能量转换，而是出色的触觉振动发生器。它们通过反压电效应通过通常由交流电压源通过施加的电动势（即EMF）产生晶体振动来产生机械振动。

压电换能器由于以下几个重要特性而具有优势：

它们很薄（<1毫米），很灵活，可以多种选择安装，并且可以做成几乎任何所需的形状。

它们会在表面区域产生振动，并且可能对触摸位置敏感。

它们的驱动效率很高，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。

它们不产生EMI辐射。

请注意，压电执行器需要较高的电压驱动信号才能产生明显的机械振动，通常峰峰值为60 V至200V。而且，压电致动器主要是驱动电路的电容性负载，因此受益于专门的电子驱动电路。关于这个问题的更多内容将在后面讨论。

压电执行器的构造和物理原理的详细讨论超出了本文的范围。但是，下面进行简要描述。压电换能器根据应用以各种不同的物理配置制造。最通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，该双压电晶片弯曲器将被安装（即，胶合）到例如作为手持式或可穿戴壳体或触摸屏的一部分的内表面上。图1中示出了表面安装的单层压电致动器的示例。

图1：双压电晶片压电致动器的结构

如图1所示通常，双压电晶片弯曲机通常由一层或多层屏蔽在导电机械层（例如黄铜或铜）上的多晶陶瓷材料组成。在形成层之后，在压电结构上施加较大的DC极化电压，以对齐晶畴边界，以增强将要产生的反压电效应力（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。在极化电压方向上增加施加的电压会增加机械力或弯曲位移。压电层的极化可沿相同方向或相反方向施加。每种方法都有其优点，可根据需要用于创建压电效果。

图1中的插图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，使用所施加的EMF）会在安装基座中产生力，因此，压电的偏转很小。如果将基座垂直安装到压电执行器上（以虚线显示），并且执行器的另一端不受约束，则会导致压电式挠度变大。

图1所示的安装示例是在显示屏上产生力，该力被传导至表面。这样可以产生最大的导电力和最小的挠度。例如，该方法可用于在触摸激活的显示屏上为手指产生触觉振动。应该注意的是，存在于压电体和安装表面之间的任何材料都会吸收机械能并趋于减弱传导的振动，特别是如果该材料是柔软的或易弯曲的。

压电换能器也可以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布置多个压电元件来实现，以便每个压电元件都提供局部于其位置的触觉。当感测到触摸时，显示器不仅会产生触摸的XY位置，还会启用压电驱动器，该压电驱动器为该特定压电执行器供电。这可以通过使用高压MUX或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比例，n层产生的力是所产生力的n倍。