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(jīng)印刻在我們生活的方方面面，尤其是在消費類電子設(shè)備，譬如手表、手機和電腦上，對于觸覺反饋的追求向著多樣化、更高清、精細體驗的方向上進行發(fā)展。而在即將到來的元宇宙時代，除了AR和VR的技術(shù)發(fā)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(shù)升級之一。

為了實現(xiàn)更為高清的觸控體驗，LRA在某些方面逐漸出現(xiàn)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(guān)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(qū)動，對于驅(qū)動器的輸入精度，整體功耗控制等，有著不小的設(shè)計挑戰(zhàn)，而Boréas最新的壓電驅(qū)動技術(shù)，則可以解決這一難題。這一壓電驅(qū)動技術(shù)被稱為CapDrive，將高清觸控、可編程、低功耗和小體積等多種優(yōu)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(shè)備的觸覺反饋應(yīng)用中。

高清觸覺反饋：“LRA” 持續(xù)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(jié)合的觸覺反饋機制，模擬人的真實觸覺體驗。隨著技術(shù)發(fā)展，觸覺反饋也一直在不斷升級。

典型的觸覺反饋系統(tǒng)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(yīng)器、驅(qū)動器、致動器三類元器件組成。致動器是產(chǎn)生振動反饋的關(guān)鍵器件，不同的振動方式的產(chǎn)，在觸覺反饋的強度、波形、響應(yīng)時間、系統(tǒng)功耗、噪聲等方面有著不小的差異。從最初的ERM到LRA，再到現(xiàn)在的壓電致動器（Piezo），整個觸覺反饋系統(tǒng)也在向著小型化、高清反饋的方向發(fā)展。

最初的觸覺技術(shù)主要依賴于ERM和LRA，僅僅通過簡單的震動來給用戶進行提醒；后來觸覺技術(shù)想和可編程的方向發(fā)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(fā)展到現(xiàn)在，高清觸覺技術(shù)成為了主要趨勢，可以通過LRA和壓電致動器來實現(xiàn)零延遲的動態(tài)效果、提供接近復(fù)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(zhuǎn)換的路線有所不同，因此功耗表現(xiàn)上也有非常大的差距，在振動表現(xiàn)的調(diào)節(jié)上也有所不同。ERM是將電能轉(zhuǎn)換成電磁力，電磁力產(chǎn)能的馬達動能，驅(qū)動內(nèi)部的偏心金屬塊轉(zhuǎn)動產(chǎn)生離心力，最終產(chǎn)生馬達振動。而LRA是直接將電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)部懸浮磁塊的機械能，進而產(chǎn)生振動效果。

ERM起振和停止的時間都比較長，響應(yīng)慢；反之LRA則更快，最終體驗上體現(xiàn)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(xù)點擊時候就會產(chǎn)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(nèi)部的LRA的反饋已經(jīng)可以達到10ms，因此在用戶的連續(xù)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的振動強度隨著頻率具有偏移特性，因此可以通過波頻+振幅來調(diào)節(jié)，而ERM是兩者耦合之后的產(chǎn)生的振動效果，只能通過耦合輸入控制電壓來調(diào)節(jié)。

LRA的發(fā)展經(jīng)歷了一系列的變化：為了產(chǎn)生更為豐富的高清觸覺反饋，LRA從固頻向著寬頻的方向發(fā)展，傳統(tǒng)固頻LRA需要在很窄的范圍內(nèi)做觸覺輸出，但更多的人體觸感其實是落在更低的頻段內(nèi)。為了提高振動量，還需要在偏頻處產(chǎn)生更高的激勵，從而為游戲等體驗提供更豐富的反饋內(nèi)容。為了提高觸覺反饋的手感飽和度，F(xiàn)0也在向著更低的方向發(fā)展，從2014年的235Hz到現(xiàn)在iphne13上的130Hz左右。包括整個LRA的外型和內(nèi)部的懸浮結(jié)構(gòu)，也都經(jīng)歷了一系列的變化，從彈片到彈簧，從幣形轉(zhuǎn)子馬達，到Z軸線型馬達，到橫向的線性馬達，到現(xiàn)在更為精巧的物理結(jié)構(gòu)；在單純追求力感的強弱的方向上，轉(zhuǎn)為追求更舒適和貼近人體真實觸感的振感設(shè)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(yīng)。給致動器施加電壓，致動器產(chǎn)生形變；不同波形的電壓信號就會產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)觸覺反饋。但同時因為其外型小巧，質(zhì)量不大，所以制動力也相比LRA和ERM這種自帶質(zhì)量塊的致動器產(chǎn)生的力小一些，所以在手機等設(shè)備中還沒有作為主要振動反饋的致動器，實現(xiàn)大范圍替代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(chǎn)品外型內(nèi)可以直接替代LRA產(chǎn)生更好的觸覺反饋效果。

業(yè)界非?？春脡弘娪|覺技術(shù)市場的發(fā)展前景。研究機構(gòu)SAR Insight指出，預(yù)計到2025年該市場價值將會超過10億美元。Boréas Technologies業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Sean Shen表示，“壓電觸覺技術(shù)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(shù)將會推動新穎的觸覺應(yīng)用，例如手機中的局部觸覺或汽車內(nèi)飾中的顯示觸覺裝置，從而開創(chuàng)自己的市場?！?

傳統(tǒng)的壓電觸覺反饋方案的功耗和尺寸并不理想，但現(xiàn)在基于TDK的壓電致動器技術(shù)和Boréas致動器驅(qū)動技術(shù)解決方案，正在掃除采用先進的壓電觸覺技術(shù)的障礙，助力行業(yè)快速邁進新一代用戶界面設(shè)計。在專利CapDrive架構(gòu)支持下，Boréas的壓電驅(qū)動器相比競爭產(chǎn)品節(jié)省了多達10倍的功率，最新方案中內(nèi)置力感應(yīng)功能，啟動時間小于300 μs，而且是業(yè)內(nèi)最小的壓電驅(qū)動方案。

例如在游戲手機中，通過集成的壓電觸覺反饋功能，玩家可以通過輸?設(shè)備?部感覺到賽?游戲中的陡峭傾斜賽道，就像駕?者在現(xiàn)實賽?中體驗到拉??樣。據(jù)Sean介紹，“我們的技術(shù)可以與智能手機LRA協(xié)同工作，從而創(chuàng)造身臨其境的豐富游戲體驗，正如人們在索尼PS5游戲手柄上所獲得的體驗。Boréas產(chǎn)品通過力感應(yīng)和局部觸覺功能來取代智能手機上的自適應(yīng)扳機鍵。由于我們的技術(shù)獨立于智能手機 LRA，從而可將游戲中的振動處理工作交予LRA，并且在智能手機肩部按鈕上創(chuàng)建嶄新的局部觸覺體驗。”

Boreas Technologies業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)Sean Shen

更“完美”的壓電觸覺反饋方案

關(guān)于壓電致動器的應(yīng)用面非常廣，而僅僅在觸覺反饋的致動器這一領(lǐng)域，提供單純的分立元件的產(chǎn)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(tǒng)方案并不簡單，這與壓電致動器的工作原理也有著密不可分的關(guān)系。

壓電致動器需要的驅(qū)動電壓遠遠高于ERM和LRA，所以要求驅(qū)動器有足夠的驅(qū)動能力。為了獲得清晰的觸控反饋，需要壓電驅(qū)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。對于電池供電設(shè)備而言，待機功耗也是非常關(guān)鍵的設(shè)計考量因素，因此整個觸覺反饋系統(tǒng)的待機功耗也要足夠低。此外，系統(tǒng)方案如果有豐富的波形參考庫，那么也將大大加速開發(fā)者的開發(fā)時間。

目前市面上已經(jīng)有了不少的壓電致動器廠商，提供了相應(yīng)的壓電致動解決方案，例如Dialog、TI等等。如下圖所示，Boréas的CapDrive平臺的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(yōu)勢；Boréas的方案內(nèi)部集成了壓力傳感，而其近日最新推出的BOS0614更是實現(xiàn)了單芯片4通道的設(shè)計，僅需一顆BOS0614就可以驅(qū)動4顆壓電致動器，從而讓整個系統(tǒng)設(shè)計精簡度更高，BOM Cost和PCB占用面積更小。

Sean表示，“Boréas驅(qū)動器從一開始就設(shè)計用于驅(qū)動電容性負載，例如壓電致動器。這些致動器產(chǎn)品本身具有很高的效率，幾乎可以將所有的能量轉(zhuǎn)化為運動。然而，它們需要高壓（~50-100V）驅(qū)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(gòu)是在考慮這些限制因素的情況下而開發(fā)的。與傳統(tǒng)放大器相比，CapDrive架構(gòu)通常能夠?qū)⒐慕档痛蠹s十倍，并將驅(qū)動器占板面積減少大約四倍。”

Boréas技術(shù)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(xiàn)身臨其境的用戶體驗，從這個角度而言，可以說是對于手機LRA一種釋放。Boréas技術(shù)使用同一個壓電致動器來感測和創(chuàng)建觸覺反饋，所有的信號都在芯片內(nèi)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（小于1 ms）。通過結(jié)合局部觸覺，Boréas技術(shù)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?！把菔緯r，我們經(jīng)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(gòu)還具有能量回收的設(shè)計，支持零功耗感應(yīng)（ZPS）特性，可讓IC處于睡眠模式，并僅在檢測到用戶輸入時自動喚醒。這一特性非常適合于應(yīng)用在電池驅(qū)動設(shè)備的開關(guān)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(yīng)用

在消費類電子設(shè)備和可穿戴電子設(shè)備上，壓電觸覺反饋將會迎來更多應(yīng)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(yīng)用，包括在一些譬如VR、AR全新設(shè)備上實現(xiàn)搭載；而在汽車觸控、PC觸控板上，也有著確定的的應(yīng)用前景。

據(jù)Sean分享，PC領(lǐng)域有望率先采用Boréas的觸覺反饋技術(shù)，一些客戶計劃在2022年推出產(chǎn)品；移動設(shè)備則排在第二位，一些客戶將于2023年推出相應(yīng)的產(chǎn)品。首個采用這項技術(shù)的市場將會是游戲手機市場，手機游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(xiàn)和增強游戲沉浸感的游戲手機，努力滿足客戶的需求?！皞鹘y(tǒng) OEM廠商”（那些產(chǎn)品線中尚無游戲手機的廠商）將會采用Boréas技術(shù)，以滿足客戶對更好游戲手機的需求。旗艦安卓手機和游戲手機的規(guī)格并無重大區(qū)別。我們的技術(shù)能夠改善旗艦手機設(shè)備的游戲體驗，而廠商無需建立游戲手機的專用品牌。”

針對手機應(yīng)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(fā)平臺，允許安卓智能手機設(shè)計人員將智能手機的邊緣變成交互式觸摸區(qū)。NexusTouch具備動態(tài)虛擬按鈕映射功能，使制造商能夠利用特定區(qū)域來定義系統(tǒng)功能和觸覺效果來取代傳統(tǒng)機械式電源和音量按鈕。相比競爭技術(shù)，NexusTouch的獨特之處在于實現(xiàn)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(fā)效果來代替高檔游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(xiàn)精準的游戲操作。

針對PC的應(yīng)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(xiàn)觸摸表面的觸覺反饋。正如其智能手機技術(shù)，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(tǒng)的ERM和LRA的方案，該方案的外型更為輕薄，適用于當前輕薄的筆記本設(shè)計。此外，這是一個可以經(jīng)濟高效地擴展用于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(yè)筆記本電腦中的 160 x 100 mm尺寸觸控面積用例，不僅可以應(yīng)用于旗艦設(shè)備，也可以集成在更低產(chǎn)品定位的大多數(shù)筆記本電腦中。

針對可穿戴設(shè)備應(yīng)用，Boréas推出了Piezo Haptic Engine，致動器利用可穿戴設(shè)備內(nèi)部的組件來產(chǎn)生觸覺反饋。由于在可穿戴設(shè)備中，元器件在整個設(shè)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(chǎn)生更為強勁的反饋。

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

總結(jié)

壓電致動器在局部觸覺反饋應(yīng)用中，有著不可替代的技術(shù)優(yōu)勢；在觸控筆、智能手表中，又憑借著小體積、低功耗和高振動量的優(yōu)勢有著非常強勢的應(yīng)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(xiàn)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(tài)的智能設(shè)備中，壓電觸覺反饋方案也有著非常多的創(chuàng)新應(yīng)用機會。Boréas通過專利CapDrive技術(shù)，讓壓電觸覺反饋系統(tǒng)實現(xiàn)了比LRA方案更優(yōu)異的功耗、響應(yīng)、體積和系統(tǒng)成本優(yōu)勢，讓壓電致動器在觸覺反饋應(yīng)用中的真正落地成為可能。