Merevolusi Umpan Balik Haptik: Keuntungan Transduser Piezoelectric

Banyak layar sentuh dan perangkat genggam hanya menawarkan umpan balik haptik dasar atau bahkan tidak ada sama sekali. Untuk memenuhi harapan pengguna yang semakin tinggi, para insinyur beralih ke transduser piezoelectric, yang memberikan kinerja fisik dan listrik yang unggul dibandingkan motor getaran konvensional.

Artikel ini meninjau prinsip, teori, dan pemodelan transduser piezo, serta membahas rangkaian elektronik yang dirancang khusus untuk mengaktifkan karakteristik unik transduser ini. Artikel juga mengeksplorasi aplikasi haptik dengan teknologi piezo dan memeriksa bagaimana daya input amplifikator terkait dengan berbagai konfigurasi beban piezo.

Perhatikan bahwa getaran haptik dari aktuator piezo bergantung pada efek piezo terbalik—mengubah rangsangan listrik menjadi gerakan mekanis. Setiap referensi ke efek piezo dalam konteks ini merujuk pada transfer energi listrik-ke-mekanis ini.

Pengenalan Haptik Piezoelectric

Dalam sebagian besar elektronik portabel, umpan balik haptik dihasilkan oleh transduser elektromekanis (EM), seperti motor massa eksentrik berputar (ERM) dan aktuator resonansi linier (LRA). Perangkat ini murah, mudah digunakan, dan dapat beroperasi dengan tegangan baterai.

Namun, transduser EM memiliki beberapa kekurangan:

• Merezonansi pada frekuensi tetap, dan unit LRA harus dikalibrasi ke frekuensi resonansi yang ditentukan pabrik.
• Perangkat EM relatif besar (3–5 mm tinggi), yang membatasi integrasi dalam pelapis tipis.
• Mereka menghasilkan getaran titik-sumber, sehingga sulit membuat pola frekuensi yang bervariasi di seluruh permukaan.
• Inefisien energi, mengonsumsi daya signifikan per peristiwa haptik.
• Motor LRA dapat rapuh dan rentan terhadap kelebihan beban fisik atau listrik.

Di sisi lain, transduser piezo menghasilkan getaran mekanis melalui efek piezo terbalik dengan menerapkan tegangan AC pada bahan kristal. Keuntungan utamanya meliputi:

• Sangat tipis (<1 mm) dan fleksibel, memungkinkan pemasangan dalam konfigurasi yang beragam.
• Pembangkit getaran seluruh permukaan, memungkinkan sensitivitas lokasi sentuhan.
• Efisiensi tinggi, terutama saat dikemudi dengan rangkaian yang tepat.
• Rentang frekuensi luas dan kontrol yang presisi atas pola getaran.
• Respons cepat karena inersia yang kecil.
• Emisi nol EMI.

Karena aktuator piezo membutuhkan tegangan daya yang relatif tinggi—biasanya 60 V hingga 200 V puncak-ke-puncak—dan menyajikan beban kapasitif, mereka mendapat manfaat dari rangkaian pengemudi khusus.

Aktuator piezo tersedia dalam berbagai konfigurasi. Bentuk yang paling umum untuk haptik dan audio adalah bender bimorph, yang ditempelkan pada permukaan internal—seperti casing perangkat atau layar sentuh—menggunakan perekat. Ilustrasi berikut menunjukkan aktuator piezo permukaan-tunggal yang dipasang pada permukaan.

Gambar 1: Konstruksi aktuator piezo bimorph

Aktuator bimorph biasanya terdiri dari satu atau lebih lapisan keramik policristal yang disetapkan pada lapisan mekanis konduktif (misalnya, kuningan atau tembaga). Setelah pembuatan, tegangan polarisasi DC besar menyelaraskan domain kristal, meningkatkan efek piezo terbalik dan menentukan arah gaya yang dihasilkan. Penerapan tegangan dalam arah yang sama atau berlawanan terhadap medan polarisasi menghasilkan respons mekanis yang berbeda.

Ilustrasi dalam Gambar 1 menunjukkan aktuator piezo yang dipasang secara ortogonal terhadap tegangan polarisasi. Dalam orientasi ini, medan listrik yang diterapkan menghasilkan gaya yang diarahkan ke dasar pemasangan, resulting in defleksi minimal. Sebaliknya, jika dasar dipasang secara vertikal dan ujung bebas tidak dibatasi, aktuator mengalami defleksi yang lebih besar.

Memasang piezo pada panel layar, misalnya, dapat mentransmisikan gaya ke permukaan, menciptakan sensasi haptik bagi jari pengguna. Bahan yang ditempatkan antara piezo dan permukaan pemasangan dapat menyerap energi dan meredam getaran, terutama jika bahan tersebut lunak atau lentur.

Transduser piezo juga memungkinkan umpan balik haptik yang lokasi. Dengan menyusun beberapa elemen piezo di bawah layar sentuh atau keyboard, setiap elemen dapat diaktifkan secara selektif saat sentuhan terdeteksi. Ini dapat dicapai dengan multiplexer tegangan tinggi atau pemisah terpisah untuk setiap piezo.

Setiap lapisan keramik menghasilkan gaya yang proporsional dengan tegangan yang diterapkan; demikianlah, aktuator n-lapisan menghasilkan gaya n kali dari satu lapisan.

>> Lanjutkan membaca artikel lengkap yang asli diterbitkan di situs kawan kami, Electronic Products.