壓電傳感器，潛力巨大

壓電使顯示器能夠提供高質(zhì)量的音頻和觸摸反饋。

當(dāng)今的移動(dòng)設(shè)備揚(yáng)聲器和觸覺(jué)發(fā)生器存在幾個(gè)問(wèn)題。

第一個(gè)是組件本身。智能手機(jī)中的揚(yáng)聲器以及觸摸虛擬按鈕時(shí)提供手指反饋的系統(tǒng)可能相對(duì)較小，但它們?nèi)匀蛔銐虼?，足以限制我們的移?dòng)設(shè)備的厚度。這些小部件也很脆弱，如果您的手機(jī)掉落過(guò)，您可能會(huì)了解到這一點(diǎn)。它們需要在外殼上有開(kāi)口，以允許水分或碎片進(jìn)入。

然后我們感知它們發(fā)出的聲音的方式就存在問(wèn)題。揚(yáng)聲器通常位于我們?cè)O(shè)備的側(cè)面或背面。聲音應(yīng)該來(lái)自我們眼睛在屏幕上看到的圖像，但我們的耳朵知道它來(lái)自其他地方。這種感知上的不和諧限制了我們沉浸在體驗(yàn)中的能力。

如果我們能夠使用顯示面板本身作為聲音和觸覺(jué)反饋的來(lái)源，我們就可以立即解決所有這些問(wèn)題?，F(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的技術(shù)是一種薄壓電換能器。到今年年底，它將進(jìn)入手機(jī)、筆記本電腦和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。

傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的工作原理是讓電流流過(guò)線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)，移動(dòng)附著在揚(yáng)聲器錐體上的磁鐵，進(jìn)而置換空氣以產(chǎn)生聲波。揚(yáng)聲器的尺寸不能小于線圈和錐體尺寸所允許的尺寸，線圈和錐體必須足夠?qū)捄烷L(zhǎng)，以排出合理的空氣量。其機(jī)械耐用性受到其小型移動(dòng)部件的組裝精度的限制。

手機(jī)中的觸覺(jué)發(fā)生器通常是線性諧振執(zhí)行器，其電氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)類似于揚(yáng)聲器，但經(jīng)過(guò)優(yōu)化可在固體中產(chǎn)生低頻振動(dòng)，而不是在空氣中產(chǎn)生聲波。

用壓電傳感器取代傳統(tǒng)揚(yáng)聲器將使設(shè)備變得更薄

事實(shí)證明，聲音和觸覺(jué)生成都可以從移動(dòng)設(shè)備的顯示屏中產(chǎn)生。顯示屏是一個(gè)均勻、平坦、半柔性的表面——如果你用指甲敲擊它，你可以聽(tīng)到它的振動(dòng)。將平坦的半柔性表面轉(zhuǎn)變?yōu)閾P(yáng)聲器的技術(shù)可以追溯到高保真早期。

在 20 世紀(jì) 50 年代，您可以只購(gòu)買(mǎi)揚(yáng)聲器中將電力轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的部分——線圈和活塞——并將活塞固定在墻壁或柜子的面板上。然后，墻壁或面板會(huì)像揚(yáng)聲器錐體一樣振動(dòng)，產(chǎn)生我們感知為聲音的氣壓波。這個(gè)想法仍然很新穎，主要是因?yàn)樗且粋€(gè)自己動(dòng)手的項(xiàng)目，結(jié)果不可預(yù)測(cè)。事實(shí)證明，找到合適的表面、將驅(qū)動(dòng)器安裝在正確的位置并正確供電，就像制作一把真正好的小提琴一樣簡(jiǎn)單。

最近，一些平板電視開(kāi)發(fā)商利用類似的原理將大尺寸電視的屏幕變成了揚(yáng)聲器。他們使用強(qiáng)大的傳感器以音頻頻率振動(dòng)整個(gè)顯示面板。這帶來(lái)了好處：薄顯示屏，沒(méi)有揚(yáng)聲器。根據(jù)評(píng)論家的說(shuō)法，中頻和高頻的保真度很高（如果您想要低頻，則需要一個(gè)輔助低音炮）。聲音似乎確實(shí)來(lái)自屏幕上的圖像。但這些系統(tǒng)價(jià)格昂貴，并且需要消耗大量功率的高壓放大器，因此它們需要縮小尺寸才能裝入移動(dòng)設(shè)備。

進(jìn)入壓電領(lǐng)域

要在較小的設(shè)備中完成這項(xiàng)工作，您需要壓電傳感器。它們由微小的單晶體（例如石英或某些陶瓷）組成，并附有兩個(gè)電極。當(dāng)您在電極上施加電壓時(shí)，材料會(huì)發(fā)生物理彎曲。

這種彎曲稱為逆壓電效應(yīng)。1880年，物理學(xué)家皮埃爾·居里和雅克·居里觀察到，當(dāng)某些晶體受到機(jī)械力時(shí)，晶體的兩面之間會(huì)出現(xiàn)電壓；他們稱之為壓電效應(yīng)（piezo在希臘語(yǔ)中是“按壓”的意思）。這種效應(yīng)是由于晶體中的自然電偶極子與晶體分子中的機(jī)械應(yīng)力之間的相互作用造成的。粗略地說(shuō)，彎曲晶體會(huì)導(dǎo)致偶極子對(duì)齊，從而產(chǎn)生體電場(chǎng)。

一年后，居里夫婦證明了相反的情況是正確的：如果在這些晶體的表面之間施加電壓，偶極子在試圖與場(chǎng)對(duì)齊時(shí)會(huì)使晶體彎曲。壓電材料的研究隨后擴(kuò)展到包括陶瓷。

當(dāng)壓電傳感器振動(dòng)顯示器本身以產(chǎn)生聲波時(shí)，聲音似乎直接來(lái)自屏幕上的圖像，這是一種更加真實(shí)的效果

因此，通過(guò)施加交流電壓，可以使傳感器以相當(dāng)大的力振動(dòng)。這些振動(dòng)可以很慢（觸覺(jué)反饋所需的振動(dòng)），也可以非?？?，達(dá)到最高音頻頻率或更高。雖然用陶瓷材料產(chǎn)生這種效果需要相對(duì)較高的電壓（40 伏或更高），但它需要的電流非常少，因此功率也很小，遠(yuǎn)低于當(dāng)今移動(dòng)設(shè)備揚(yáng)聲器所使用的功率。

使用壓電換能器來(lái)產(chǎn)生聲音并不是一個(gè)新想法。事實(shí)上，幾十年來(lái)，它們一直被用來(lái)產(chǎn)生令人難以忍受的煙霧警報(bào)器的尖叫聲。

當(dāng)然，使用壓電元件產(chǎn)生全方位的高質(zhì)量音頻距離發(fā)出煙霧警報(bào)器的尖叫聲還有很長(zhǎng)的路要走。使其在手持設(shè)備中工作存在許多挑戰(zhàn)。需要一種放大器能夠提高電池提供的電壓，以高效率節(jié)省能源，并以最小的噪音保持音頻質(zhì)量。并且音頻信號(hào)在發(fā)送到換能器之前需要進(jìn)行一些預(yù)處理，以校正換能器的特性以及換能器將振動(dòng)的顯示面板。

驅(qū)動(dòng)傳感器

但Synaptics認(rèn)為我們已經(jīng)應(yīng)對(duì)了這些挑戰(zhàn)。我們開(kāi)發(fā)了一種芯片，它集成了低噪聲、高壓升壓放大器和數(shù)字信號(hào)處理器，該處理器位于設(shè)備主板上并驅(qū)動(dòng)連接到顯示器背面的陶瓷壓電傳感器。這確實(shí)占用了空間，但話又說(shuō)回來(lái)，它消除了動(dòng)圈揚(yáng)聲器。這些放大器-換能器組的確切位置和數(shù)量取決于設(shè)備的機(jī)械設(shè)計(jì)和所需的音頻模式——一組足以取代智能手機(jī)中的手持接收器功能，但還需要第二組來(lái)取代智能手機(jī)中的手持接收器功能。揚(yáng)聲器功能。該配置將是更典型的配置。

我們預(yù)計(jì)到 2024 年底我們的芯片將應(yīng)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備和筆記本電腦。

傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器模塊位于計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備的其他組件中，占用了寶貴的空間。相反，當(dāng)薄壓電傳感器振動(dòng)顯示器以產(chǎn)生聲波和觸覺(jué)效果時(shí)，該空間就被釋放用于其他用途

放棄傳統(tǒng)磁線圈揚(yáng)聲器的直接好處有很多。壓電換能器材料僅需要一毫米的外殼厚度，而動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器或線性諧振執(zhí)行器需要幾毫米的外殼厚度，從而使新一代更薄的手持設(shè)備成為可能。然而，這種換能器可以產(chǎn)生最好的微型動(dòng)態(tài)揚(yáng)聲器的音質(zhì)和響度。它們由包括TDK在內(nèi)的幾家公司制造；其他尚未公開(kāi)宣布。

由于傳感器粘合在外殼內(nèi)的顯示面板上，因此不需要任何可能讓濕氣或污垢進(jìn)入內(nèi)部的開(kāi)口。

最重要的是，傳感器從顯示器前面產(chǎn)生聲波。這意味著聲音是針對(duì)用戶的，而不是遠(yuǎn)離用戶或偏向側(cè)面。正如大屏幕電視中發(fā)聲顯示器的成功所證明的那樣，這實(shí)際上確實(shí)提供了更加身臨其境的體驗(yàn)。當(dāng)你看到霸王龍仰起頭咆哮時(shí)，你的大腦會(huì)將聲音的來(lái)源定位在野獸的圖像上，而不是側(cè)面的某個(gè)地方。

當(dāng)今的許多手持設(shè)備確實(shí)試圖通過(guò)所謂的心理聲學(xué)處理來(lái)糾正這個(gè)問(wèn)題，使用一種算法來(lái)改變來(lái)自揚(yáng)聲器的聲波的幅度和相位，模仿你的耳朵作為聲音所做的一些非常復(fù)雜的事情波從不同方向進(jìn)入它們。這些算法的成功取決于周圍環(huán)境，額外的處理器周期會(huì)消耗設(shè)備電池的大量能量。讓聲音在顯示器上物理產(chǎn)生是一個(gè)簡(jiǎn)單得多的解決方案。

至于觸覺(jué)反饋，使用相同的產(chǎn)生聲音的壓電傳感器來(lái)產(chǎn)生觸覺(jué)反饋，無(wú)需單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備和電機(jī)來(lái)?yè)u動(dòng)顯示器。

雙向效應(yīng)

另外，請(qǐng)記住壓電效應(yīng)是雙向的。因此，當(dāng)您觸摸顯示面板時(shí)，傳統(tǒng)的觸摸傳感器不僅可以確定您觸摸的位置，而且壓電傳感器還可以判斷您按壓的力度。這為交互式用戶界面和沉浸式觸摸屏游戲開(kāi)辟了一個(gè)全新的反饋領(lǐng)域。

它還提出了一個(gè)有趣的可能性，坦率地說(shuō)，尚未得到徹底探索。當(dāng)觸摸或什至相當(dāng)大的環(huán)境噪音彎曲顯示面板時(shí)，它也會(huì)彎曲傳感器，從而產(chǎn)生電壓。可以收集該電信號(hào)來(lái)為設(shè)備的電池充電，提供一定程度的能量收集，從而可以延長(zhǎng)充電之間的時(shí)間。

因此，如果您的下一部手機(jī)更薄、電池壽命更長(zhǎng)、聲音更身臨其境，那么壓電技術(shù)可以從您的設(shè)備中消除傳統(tǒng)揚(yáng)聲器和基于電機(jī)的觸覺(jué)發(fā)生器，并將聲音移至其所屬的位置。

審核編輯 黃宇