對更高效人機界面 (HMI) 和更高感知能力的需求，正在推動觸感器件在工業(yè) 4.0 應用、汽車、醫(yī)療和現(xiàn)場急救系統(tǒng)、物聯(lián)網 (IoT) 設備、可穿戴設備及其他消費電子設備中的采用。例如，觸感器件可以在基于 VR（虛擬現(xiàn)實）或 AR（增強現(xiàn)實）的醫(yī)療培訓和患者康復系統(tǒng)中提供反饋，或者在方向盤上提供增強的警報，告知司機潛在的不安全狀況。觸感器件還與其他 HMI 技術（如聲音）結合使用，以提供更具沉浸式效果和更真實的感官界面。

設計人員在使用觸感器件時會面臨一些挑戰(zhàn)，包括：選擇正確的觸感技術（偏心旋轉質量 (ERM) 或線性諧振致動器 (LRA)），正確地將其集成到系統(tǒng)中以達到所需的反饋水平，驅動觸感器件，以及了解如何測試觸感器件的振動、噪聲性能和可靠性。

本文首先簡要回顧觸感反饋可以為幾種應用場景帶來的好處，然后介紹觸感技術選項以及來自 PUI Audio 的真實觸感器件示例。文中討論了如何將觸感器件集成到系統(tǒng)中，包括一個觸感驅動器 IC 的示例，最后詳細介紹了振動和噪聲性能的測試方法。

多感官界面

觸感器件正在越來越多地與視覺和聽覺反饋結合使用，以創(chuàng)建多感官環(huán)境和增強的人機交互效果。觸感界面可能包括衣服、手套、觸摸屏和其他物體，如移動設備和電腦鼠標。

多感官交互尤其適合利用非視覺 HMI 元素（如觸感或聲音）讓用戶保持對手頭任務的關注，例如遠程控制機器、手術工具或駕駛汽車。將觸感器件集成到 HMI 還能支持與虛擬環(huán)境或遠程操控的遠程系統(tǒng)實現(xiàn)增強的手動交互。為了獲得將觸感器件集成到 HMI 的最大好處，設計人員需要了解觸感技術的性能權衡。

觸感器件技術

最常見的觸感技術包括 ERM 和 LRA。ERM 使用電機軸上的偏心質量來制造失衡并產生振動。ERM 器件使用相對簡單的直流 (DC) 電壓驅動。ERM 使用直流電，結合相對簡單的機械設計，具有若干權衡：

優(yōu)勢：

· 驅動簡單
· 成本低
· 外形尺寸靈活
· 對某些設計而言，系統(tǒng)集成更簡單

劣勢：

· 能耗高
· 反應速度慢
· 解決方案的尺寸較大

相反，LRA 器件沒有使用偏心質量產生多軸振動，而是利用音圈、圓形磁鐵和彈簧，以直線運動的方式產生振動。LRA 器件采用交流電 (AC) 驅動器為音圈供電。交流電在音圈中形成可變磁場，致使磁鐵上下移動。彈簧將磁鐵與器件外殼相連，將振動能量傳遞到系統(tǒng)。由于 LRA 器件以音圈為基礎，不依賴 ERM 中使用的電刷，因而在給定的振動強度下功耗較少。以 180° 相移驅動 LRA 器件可以實現(xiàn)制動，從而加快響應速度。

LRA 器件在相對較窄的諧振頻段（通常為 ±2 至 ±5 Hz）內高效運行。由于制造公差、元器件老化、環(huán)境條件和安裝考量等諸多因素，LRA 器件的確切共振頻率可能各有不同，導致驅動電路的設計異常復雜。與 ERM 器件相比，LRA 觸感器件給設計人員帶來了一系列優(yōu)勢和劣勢：

優(yōu)勢：

· 響應速度更快
· 效率更高
· 加速度更快
· 可以制動
· 尺寸可能更小

劣勢：

· 共振頻率可能變化
· 驅動難度大
· 成本更高

除了操作上的差異外，ERM 和 LRA 器件還提供了多種封裝樣式。ERM 器件可采用硬幣或條形封裝，LRA 則采用硬幣、棱形（矩形）或桶形封裝（圖 1）。硬幣式 ERM 和 LRA 器件通常直徑約 8 mm，厚度約 3 mm。條形 ERM 觸感器件的尺寸較大，長約 12 mm，寬約 4 mm。


圖 1：ERM 提供條形或硬幣封裝，LRA 則提供硬幣、桶形或棱形格式。（圖片來源：PUI Audio）

硬幣式 ERM 器件

對可穿戴設備這類可以從硬幣式 ERM 器件獲益的應用而言，設計人員可以使用來自 PUI Audio 的直徑 8 mm、厚度 3 mm 的 HD-EM0803-LW20-R。HD-EM0803-LW20-R 的規(guī)格包括：

· 額定轉速每分鐘 12,000 (±3,000) 轉 (rpm)
· 端子電阻 38 Ω (±50%)
· 輸入電壓 3 V 直流
· 額定電流消耗 80 mA
· 工作溫度范圍 -20 至 +60 °C

對于需要在更具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中工作的器件，設計人員可以改用 HD-EM1003-LW15-R，其額定工作溫度為 -30°C 至 +70°C。它與 HD-EM0803-LW20-R 具有相同的額定轉速和尺寸，其端子電阻為 46 Ω (±50%)，額定電流消耗為 85 mA。這兩種硬幣式 ERM 器件都可以使用正、負直流電驅動，以實現(xiàn)順時針或逆時針轉動。它們包括 20 mm 的導線，可實現(xiàn)靈活的電氣連接，并產生最大 50 dBA 的聲學噪聲。