Meningkatkan umpan balik haptic dengan transduser piezoelektrik

Sebagian besar panel layar sentuh memiliki jenis umpan balik haptic yang terbatas atau tidak sama sekali. Hal ini juga berlaku untuk banyak jenis perangkat genggam atau perangkat wearable seperti jam tangan, touchpad, keyboard, mouse, dll. Keinginan untuk meningkatkan umpan balik haptic membuat beberapa orang melihat lebih dekat pada transduser piezo untuk menghasilkan sinyal haptic, yang memberikan angka peningkatan fisik dan listrik dibandingkan generator getaran tradisional.

Artikel ini mengulas prinsip, teori, dan pemodelan piezo transduser. Ini mencakup diskusi tentang sirkuit elektronik yang dirancang khusus untuk menggerakkan karakteristik unik transduser piezo dan berbagi contoh aplikasi haptic menggunakan transduser piezoelektrik. Artikel ini juga membahas hubungan daya input amplifier sehubungan dengan konfigurasi beban piezo.

Perhatikan bahwa getaran haptic dari aktuator piezo menggunakan efek piezo terbalik (yaitu, getaran dari stimulus listrik). Penyebutan efek piezo mengacu pada transfer energi listrik-ke-mekanik ini.

Pengantar haptik piezoelektrik

Saat ini, di sebagian besar perangkat elektronik genggam atau portabel, getaran haptic dibuat oleh transduser elektromekanis (EM) yang mengubah sinyal listrik menjadi getaran mekanis. Ini termasuk aktuator massa berputar eksentrik (ERM) dan aktuator resonansi linier (LRA). Jenis transduser EM ini berbiaya rendah, cukup mudah digunakan, dan dapat diberi daya dari tegangan setingkat baterai.

Namun demikian, ada sejumlah kelemahan transduser EM:

• Mereka adalah perangkat beresonansi yang menciptakan frekuensi getaran tertentu dan, dalam kasus LRA, perangkat tersebut harus dikalibrasi ke frekuensi resonansi yang stokastik dari pabrik.
• Perangkat EM secara fisik besar dan tinggi (tinggi 3 hingga 5 mm), mengurangi kemampuan untuk memasangnya ke dalam penutup yang tipis.
• Mereka menghasilkan getaran sumber titik dan tidak dapat membuat berbagai pola frekuensi ke permukaan.
• Mereka tidak efisien, membutuhkan energi yang signifikan per peristiwa haptic.
• Perangkat LRA agak rapuh dan dapat dihancurkan oleh tekanan fisik atau listrik yang berlebihan (mis. jatuh).

Sebagai perbandingan, transduser piezo tidak didasarkan pada konversi energi EM dan unggul sebagai generator getaran haptic. Mereka menghasilkan getaran mekanis melalui efek piezo terbalik dengan menciptakan getaran kristal dari gaya gerak listrik yang diterapkan (yaitu, EMF), biasanya dari sumber tegangan AC.

Transduser piezo dapat bermanfaat karena beberapa sifat penting:

• Tipis (<1 mm), fleksibel, dan dapat dipasang dalam berbagai opsi dan dibentuk ke hampir semua pola yang diinginkan.
• Mereka menghasilkan getaran di atas area permukaan dan sensitif terhadap lokasi sentuhan.
• Mereka sangat efisien, tergantung pada metode yang digunakan untuk menggerakkan piezo.
• Mereka dapat mereproduksi frekuensi getaran apa pun pada rentang frekuensi yang luas.
• Mereka dapat menghasilkan pola sinyal haptik yang dapat dimodulasi amplitudo atau frekuensi.
• Mereka memiliki inersia yang sangat kecil dan, oleh karena itu, memiliki waktu respons yang sangat cepat.
• Mereka tidak menghasilkan emisi EMI.

Perhatikan bahwa aktuator piezo memerlukan sinyal penggerak tegangan yang relatif tinggi untuk menciptakan getaran mekanis yang signifikan, biasanya 60 V hingga 200 V puncak ke puncak. Juga, aktuator piezo terutama merupakan beban kapasitif ke sirkuit penggerak dan, oleh karena itu, mendapat manfaat dari sirkuit penggerak elektronik khusus. Lebih lanjut tentang hal ini akan dibahas nanti.

Diskusi rinci tentang konstruksi dan fisika aktuator piezo berada di luar cakupan makalah ini; Namun, deskripsi singkat berikut. Transduser piezo diproduksi dalam berbagai konfigurasi fisik yang berbeda, tergantung pada aplikasinya. Aktuator piezo yang paling umum digunakan untuk reproduksi haptic dan audio berbentuk penyok bimorph yang akan dipasang (yaitu, direkatkan) ke permukaan internal yang merupakan bagian dari wadah genggam atau perangkat yang dapat dikenakan atau layar sentuh, misalnya. Contoh aktuator piezo satu lapis yang dipasang di permukaan ditunjukkan pada Gbr. 1 .

Gambar 1:Konstruksi aktuator piezo bimorph

Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 1 , penyok bimorph umumnya terdiri dari satu atau lebih lapisan bahan keramik polikristalin yang disaring ke lapisan mekanis konduktif (misalnya, kuningan atau tembaga). Setelah lapisan dibuat, tegangan polarisasi DC besar diterapkan di seluruh struktur piezo untuk menyelaraskan batas domain kristal guna memperkuat gaya efek piezo terbalik yang akan dihasilkan (yaitu, meningkatkan gaya yang dihasilkan per EMF tegangan). Tegangan polarisasi kemudian menentukan arah gaya mekanik yang dihasilkan dengan tegangan yang diberikan. Meningkatkan tegangan yang diterapkan ke arah tegangan polarisasi meningkatkan gaya mekanik atau perpindahan lentur. Polarisasi ke lapisan piezo dapat diterapkan dalam arah yang sama atau berlawanan arah. Masing-masing metode memiliki kelebihan dan dapat digunakan untuk membuat efek piezo sesuai keinginan.

Ilustrasi dalam Gbr. 1 menunjukkan aktuator piezo dipasang ke permukaan yang ortogonal dengan tegangan polarisasi. Konfigurasi ini (dengan EMF yang diterapkan seperti yang ditunjukkan) menghasilkan gaya ke dasar pemasangan, dan akibatnya, ada sedikit defleksi pada piezo. Jika alas dipasang secara vertikal ke aktuator piezo (ditunjukkan dalam garis putus-putus) dan ujung aktuator yang berlawanan tidak dibatasi, ini akan menyebabkan defleksi piezo yang lebih besar.

Contoh pemasangan ditunjukkan pada Gbr. 1 akan ke layar tampilan menghasilkan gaya yang dilakukan ke permukaan. Ini menciptakan gaya konduktif maksimum dan defleksi minimum. Metode ini dapat digunakan, misalnya, dalam menghasilkan getaran haptic ke jari pada layar tampilan yang diaktifkan dengan sentuhan. Perlu dicatat bahwa setiap bahan yang ada di antara piezo dan permukaan pemasangan menyerap energi mekanik dan cenderung melemahkan getaran yang dihantarkan, terutama jika bahannya lunak atau lentur.

Transduser piezo juga dapat digunakan untuk memberikan umpan balik haptic lokal. Hal ini dapat dicapai dengan mengatur sejumlah elemen piezo di bawah layar sentuh atau keyboard, misalnya, sehingga setiap elemen piezo memberikan nuansa haptic yang terlokalisasi pada penempatannya. Saat sentuhan dirasakan, layar tidak hanya menghasilkan lokasi sentuhan X-Y, tetapi driver piezo diaktifkan yang memberi energi pada aktuator piezo tertentu. Ini dapat dicapai dengan menggunakan MUX tegangan tinggi atau dari amplifier piezo terpisah.

Setiap lapisan keramik polikristalin menghasilkan gaya yang sebanding dengan tegangan yang diberikan, dan lapisan-n menghasilkan n kali gaya yang dihasilkan.

>> Lanjutkan membaca artikel lengkap aslinya dipublikasikan di situs saudara kami, Produk Elektronik.