21ic電子網 - 壓電觸覺反饋的崛起：沉浸式觸覺體驗的組成和補充－鑽石舞台

Jun 17 Fri 2022 15:30
21ic電子網 - 壓電觸覺反饋的崛起：沉浸式觸覺體驗的組成和補充

觸覺反饋已經印刻在我們生活的方方面面，尤其是在消費類電子設備，譬如手錶、手機和電腦上，對於觸覺反饋的追求向着多樣化、更高清、精細體驗的方向上進行發展。而在即將到來的元宇宙時代，除了AR和VR的技術發展外，迫近真實體感的觸覺反饋也是營造沉浸體驗的重要技術升級之一。

為了實現更為高清的觸控體驗，LRA在某些方面逐漸出現瓶頸，而壓電致動器則可以彌補這些不足，作為營造觸覺反饋的關鍵補充、或是直接替代LRA作為主振動反饋器存在。壓電致動器需要通過高壓驅動，對於驅動器的輸入精度，整體功耗控制等，有着不小的設計挑戰，而Boréas最新的壓電驅動技術，則可以解決這一難題。這一壓電驅動技術被稱為CapDrive，將高清觸控、可編程、低功耗和小體積等多種優勢帶入到壓電反饋方案中，從而將壓電致動真正帶入到消費電子設備的觸覺反饋應用中。

高清觸覺反饋：「LRA」持續演進，「壓電致動器」嶄露頭角

所謂觸覺反饋是指通過軟硬件結合的觸覺反饋機制，模擬人的真實觸覺體驗。隨着技術發展，觸覺反饋也一直在不斷升級。

典型的觸覺反饋系統如下圖所示，其中決定觸覺反饋效果的核心部分主要可以由感應器、驅動器、致動器三類元器件組成。致動器是產生振動反饋的關鍵器件，不同的振動方式的產，在觸覺反饋的強度、波形、響應時間、系統功耗、噪聲等方面有着不小的差異。從最初的ERM到LRA，再到現在的壓電致動器（Piezo），整個觸覺反饋系統也在向着小型化、高清反饋的方向發展。

最初的觸覺技術主要依賴於ERM和LRA，僅僅通過簡單的震動來給用戶進行提醒；後來觸覺技術想和可編程的方向發展，通過更先進的硬件和第三方SDK和效果庫，ERM和LRA可以提供更多不同效果，譬如在滑動、滾動時提供反饋；發展到現在，高清觸覺技術成為了主要趨勢，可以通過LRA和壓電致動器來實現零延遲的動態效果、提供接近複雜真實觸覺的反饋體驗。

ERM和LRA都可以看作是一種馬達，但其能量轉換的路線有所不同，因此功耗表現上也有非常大的差距，在振動表現的調節上也有所不同。ERM是將電能轉換成電磁力，電磁力產能的馬達動能，驅動內部的偏心金屬塊轉動產生離心力，最終產生馬達振動。而LRA是直接將電能轉換成內部懸浮磁塊的機械能，進而產生振動效果。

ERM起振和停止的時間都比較長，響應慢；反之LRA則更快，最終體驗上體現出來的就是反饋更」清脆「。

ERM的一次反饋時間需要100～200ms，在用戶連續點擊時候就會產生延遲感，因此無法提供更豐富的振動反饋層次，而蘋果手機內部的LRA的反饋已經可以達到10ms，因此在用戶的連續點擊反饋上，可以提供零延時的反饋體驗。

從振動效果上看，因為LRA的振動強度隨着頻率具有偏移特性，因此可以通過波頻+振幅來調節，而ERM是兩者耦合之後的產生的振動效果，只能通過耦合輸入控制電壓來調節。

LRA的發展經歷了一系列的變化：為了產生更為豐富的高清觸覺反饋，LRA從固頻向着寬頻的方向發展，傳統固頻LRA需要在很窄的範圍內做觸覺輸出，但更多的人體觸感其實是落在更低的頻段內。為了提高振動量，還需要在偏頻處產生更高的激勵，從而為遊戲等體驗提供更豐富的反饋內容。為了提高觸覺反饋的手感飽和度，F0也在向着更低的方向發展，從2014年的235Hz到現在iphne13上的130Hz左右。包括整個LRA的外型和內部的懸浮結構，也都經歷了一系列的變化，從彈片到彈簧，從幣形轉子馬達，到Z軸線型馬達，到橫向的線性馬達，到現在更為精巧的物理結構；在單純追求力感的強弱的方向上，轉為追求更舒適和貼近人體真實觸感的振感設計。

而壓電致動器的工作原理則與振動電機不同，是利用了逆壓電效應。給致動器施加電壓，致動器產生形變；不同波形的電壓信號就會產生一系列的振動反饋，工作原理上更接近音頻信號放大器。

壓電致動器的快速啟動時間可以做到更短，較高的帶寬也可以支持更豐富的觸覺效果。非常纖細的外型可以實現更靈活的安置方式，例如可以直接安裝在手機邊框上作為虛擬的按鍵反饋，或者在觸控筆中實現觸覺反饋。但同時因為其外型小巧，質量不大，所以制動力也相比LRA和ERM這種自帶質量塊的致動器產生的力小一些，所以在手機等設備中還沒有作為主要振動反饋的致動器，實現大範圍替代LRA，但在手機上作為按鍵的專門觸覺反饋的致動器是效果非常好的；像觸控筆這樣的非常緊湊的產品外型內可以直接替代LRA產生更好的觸覺反饋效果。

業界非常看好壓電觸覺技術市場的發展前景。研究機構SAR Insight指出，預計到2025年該市場價值將會超過10億美元。Boréas Technologies業務發展總監Sean Shen表示，「壓電觸覺技術將會在PC觸控板和觸覺觸控筆中取代線性馬達。而且，我們認為壓電觸覺技術將會推動新穎的觸覺應用，例如手機中的局部觸覺或汽車內飾中的顯示觸覺裝置，從而開創自己的市場。」

傳統的壓電觸覺反饋方案的功耗和尺寸並不理想，但現在基於TDK的壓電致動器技術和Boréas致動器驅動技術解決方案，正在掃除採用先進的壓電觸覺技術的障礙，助力行業快速邁進新一代用戶界面設計。在專利CapDrive架構支持下，Boréas的壓電驅動器相比競爭產品節省了多達10倍的功率，最新方案中內置力感應功能，啟動時間小於300 µs，而且是業內最小的壓電驅動方案。

例如在遊戲手機中，通過集成的壓電觸覺反饋功能，玩家可以通過輸⼊設備⼿部感覺到賽⻋遊戲中的陡峭傾斜賽道，就像駕⻋者在現實賽⻋中體驗到拉⼒⼀樣。據Sean介紹，「我們的技術可以與智能手機LRA協同工作，從而創造身臨其境的豐富遊戲體驗，正如人們在索尼PS5遊戲手柄上所獲得的體驗。Boréas產品通過力感應和局部觸覺功能來取代智能手機上的自適應扳機鍵。由於我們的技術獨立於智能手機LRA，從而可將遊戲中的振動處理工作交予LRA，並且在智能手機肩部按鈕上創建嶄新的局部觸覺體驗。」

圖：Boreas Technologies業務發展總監Sean Shen

更「完美」的壓電觸覺反饋方案

關於壓電致動器的應用面非常廣，而僅僅在觸覺反饋的致動器這一領域，提供單純的分立元件的產品選擇也非常多。從單純的分立元件從零開始搭建觸覺反饋的系統方案並不簡單，這與壓電致動器的工作原理也有着密不可分的關係。

壓電致動器需要的驅動電壓遠遠高於ERM和LRA，所以要求驅動器有足夠的驅動能力。為了獲得清晰的觸控反饋，需要壓電驅動器提供更為高分辨率的輸出，有足夠的控制精度，同時減少不必要的噪聲，為用戶提供更為細膩的觸覺反饋。對於電池供電設備而言，待機功耗也是非常關鍵的設計考量因素，因此整個觸覺反饋系統的待機功耗也要足夠低。此外，系統方案如果有豐富的波形參考庫，那麼也將大大加速開發者的開發時間。

目前市面上已經有了不少的壓電致動器廠商，提供了相應的壓電致動解決方案，例如Dialog、TI等等。如下圖所示，Boréas的CapDrive平台的BOS1901壓電解決方案相比競爭對手在功耗、啟動時間和體積方面具備優勢；Boréas的方案內部集成了壓力傳感，而其近日最新推出的BOS0614更是實現了單芯片4通道的設計，僅需一顆BOS0614就可以驅動4顆壓電致動器，從而讓整個系統設計精簡度更高，BOM Cost和PCB占用面積更小。

Sean表示，「Boréas驅動器從一開始就設計用於驅動電容性負載，例如壓電致動器。這些致動器產品本身具有很高的效率，幾乎可以將所有的能量轉化為運動。然而，它們需要高壓（~50-100V）驅動才能移動，而手機是由標稱電壓為3.6V的電池供電。我們的架構是在考慮這些限制因素的情況下而開發的。與傳統放大器相比，CapDrive架構通常能夠將功耗降低大約十倍，並將驅動器占板面積減少大約四倍。」

Boréas技術是完整的傳感和觸覺解決方案，傳感器檢測到需要觸覺效果的事件時，能夠在用戶手指處生成局部觸覺，而無需訪問主觸覺電機。在同時存在多個觸覺源的情況下實現身臨其境的用戶體驗，從這個角度而言，可以說是對於手機LRA一種釋放。Boréas技術使用同一個壓電致動器來感測和創建觸覺反饋，所有的信號都在芯片內部進行處理，因此在用戶輸入和觸覺反饋之間幾乎沒有延遲（小於1 ms）。通過結合局部觸覺，Boréas技術操作起來就像機械按鈕。用戶不會感覺到整部手機在振動，而只有手指下方的位置在振動，就像一個機械按鈕。「演示時，我們經常需要切斷演示裝置的電源，以證明這不是機械按鈕！」Sean分享到。

另外值得一提的是，Boréas的架構還具有能量回收的設計，支持零功耗感應（ZPS）特性，可讓IC處於睡眠模式，並僅在檢測到用戶輸入時自動喚醒。這一特性非常適合於應用在電池驅動設備的開關機按鍵上，例如在手機電池電量過低而無法啟動的情況下，用戶按壓電源按鈕仍可以獲得觸覺反饋，就像按下和釋放真實的按鍵一般無疑。

壓電觸覺反饋迎來全面市場應用

在消費類電子設備和可穿戴電子設備上，壓電觸覺反饋將會迎來更多應用機會；除此外Boréas的壓電觸覺反饋方案也可以推動一些新穎的觸覺應用，包括在一些譬如VR、AR全新設備上實現搭載；而在汽車觸控、PC觸控板上，也有着確定的的應用前景。

據Sean分享，PC領域有望率先採用Boréas的觸覺反饋技術，一些客戶計劃在2022年推出產品；移動設備則排在第二位，一些客戶將於2023年推出相應的產品。首個採用這項技術的市場將會是遊戲手機市場，手機遊戲是電子競技市場中增長最快速的部分，OEM廠商將提供可改善用戶表現和增強遊戲沉浸感的遊戲手機，努力滿足客戶的需求。「傳統OEM廠商」（那些產品線中尚無遊戲手機的廠商）將會採用Boréas技術，以滿足客戶對更好遊戲手機的需求。旗艦安卓手機和遊戲手機的規格並無重大區別。我們的技術能夠改善旗艦手機設備的遊戲體驗，而廠商無需建立遊戲手機的專用品牌。」

針對手機應用，Boréas提供的有NexusTouch手機邊緣觸覺反饋、肩部按鍵（gaming piezo shoulder buttons）和顯示屏壓電觸覺三種解決方案。NexusTouch是一款集成式開發平台，允許安卓智能手機設計人員將智能手機的邊緣變成交互式觸摸區。NexusTouch具備動態虛擬按鈕映射功能，使製造商能夠利用特定區域來定義系統功能和觸覺效果來取代傳統機械式電源和音量按鈕。相比競爭技術，NexusTouch的獨特之處在於實現手勢檢測的同時滿足了「可定位觸覺效果」。此外，用戶可以用自定義的觸發效果來代替高檔遊戲手機上的機械按鍵。瞬時定位（split-second positioning）功能和快速的用戶輸入捕捉及反饋，為用戶實現精準的遊戲操作。

針對PC的應用，Boréas提供的有壓電觸控板（GlideSense）、微型鼠標（Piezo Mice）及壓電手寫筆（Piezo-Stylus）的方案。GlideSense是通過觸控板下方使用薄型壓電振動片來實現觸摸表面的觸覺反饋。正如其智能手機技術，觸控板解決方案也是使用同一個壓電片作為觸覺致動器和力傳感器。相比傳統的ERM和LRA的方案，該方案的外型更為輕薄，適用於當前輕薄的筆記本設計。此外，這是一個可以經濟高效地擴展用於不同觸控板尺寸的解決方案，可以滿足OEM廠商任何可能的尺寸需求，涵蓋從輕量級超極本中的110 x 60 mm直到大型專業筆記本電腦中的160 x 100 mm尺寸觸控面積用例，不僅可以應用於旗艦設備，也可以集成在更低產品定位的大多數筆記本電腦中。

針對可穿戴設備應用，Boréas推出了Piezo Haptic Engine，致動器利用可穿戴設備內部的組件來產生觸覺反饋。由於在可穿戴設備中，元器件在整個設備重量占比較高，因此利用壓電致動的方案相比類似大小的ERM或LRA方案，反而可以產生更為強勁的反饋。

此外在汽車應用方面，Boréas也正在與TDK合作針對汽車市場推廣壓電觸覺產品及其120V PowerHap致動器。

總結

壓電致動器在局部觸覺反饋應用中，有着不可替代的技術優勢；在觸控筆、智能手錶中，又憑藉着小體積、低功耗和高振動量的優勢有着非常強勢的應用前景。在手機中作為主要觸覺反饋引擎替換LRA目前來看尚不現實，但作為邊緣觸控反饋提供了屏幕之外的人機交互界面，豐富了手機觸控體驗。面向即將到來的元宇宙，在新形態的智能設備中，壓電觸覺反饋方案也有着非常多的創新應用機會。Boréas通過專利CapDrive技術，讓壓電觸覺反饋系統實現了比LRA方案更優異的功耗、響應、體積和系統成本優勢，讓壓電致動器在觸覺反饋應用中的真正落地成為可能。

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