上海艾為電子-壓感觸控板火熱背後原因

傳統的觸控板多採用機械按鍵,該設計類似體育項目里跳水中的“跳板”原理——因為靠近鍵盤的上半部分通常被固定著無法按動,只有下半部分可以實現點按操作,且機械按鍵不易清潔、長時間使用還容易出現左右兩側鍵程不一致等弊端。

壓感按鍵融合了物理按鍵和觸控按鍵交互的優勢,既能保證設備外觀的一體化,不用開孔、開縫,還能防水、防塵。最重要的是,它能夠實現靈敏且精準的識別操控和交互體驗。

除此之外,通過對壓力分級,還可實現不同級別下不同的觸覺反饋,結合手指軌跡,可以實現快速截屏、錄屏、調節視頻快進、後退等功能。

艾為Trackpad整體框圖

壓力感應的實現原理

“壓力感應+觸覺反饋”的觸控板一體化方案中關鍵的技術之一就是壓力感應技術,此技術被廣泛應用在筆記本電腦、智能穿戴、車載、智能家居等領域。

1. 壓力傳感器檢測原理

壓力傳感器有很多種,應用比較廣泛的應屬壓阻式壓力傳感器,此傳感器由高靈敏度壓阻式柔性材料製作,當其受力的作用產生拉伸或者壓縮時,其電阻值會發生顯著變化,配合惠斯通橋式檢測電路,可引起檢測電路的差分電壓發生變化,基本原理如下圖所示:


定義Vd為V+與V-之間的電壓差,Vs為外部激勵電壓,R2和R4為阻值固定的電阻,R1和R3為壓力傳感器的等效電阻,它的阻值會隨傳感器所受壓力的變化而變化。根據電路基礎知識可知,V+點的電壓為:


V-點的電壓為:


Vd為兩者相減。當壓力傳感器受力時,R1和R3發生變化,假設壓力越大電阻越小,則壓力越大,V+越大,V-越小,電壓差Vd越大。

如下圖所示,為艾為壓感觸控方案中AW8680X系列晶片配合多顆壓力傳感器的工作原理。

當用戶在觸控面板表面施加一個力時,位於觸控板PCB層下方的多顆壓力傳感器會產生對力的分擔,壓力使得傳感器產生輕微的形變,進而改變其電阻,導致傳感器周圍的檢測電路的電壓發生變化,AW8680X的AFE模擬前端中的高精度ADC會對壓力傳感器周圍的電壓差進行採樣,量化為數字量,處理軟體和壓力算法再將這些原始數據進行處理,計算出每一路傳感器所受到的壓力,再推導出最終的合力。

計算出壓力後,可以對壓力進行分級,壓力處於不同級別時,控制馬達以不同的方式振動,以實現不同的觸覺反饋,如下圖所示:


2. 觸點檢測原理
在艾為壓感觸控解決方案中,使用互容式電容觸控技術來確認手指接觸面板的位置,支持5指同時檢測。

先以實現單按鍵功能的電容傳感器為例,介紹互容式電容觸控的工作原理。下圖給出了按鍵互容式傳感器的布局,左側為俯視圖,右側為側視圖。在互容測量系統中,TX電極被施加一個數字電壓,傳感器測量RX電極所接收到的電荷量,此電荷量與兩個極板間的互電容CM強相關。

當手指靠近TX和RX極板時,互電容會減小至C1M,如下圖所示,由於互電容減小,RX極板接收到的電荷量也會隨之減少,傳感器通過檢測RX極板接收的電荷量來判斷觸摸/非觸摸。

將單個互容式測量系統順序排放成條狀,就形成了線性滑塊,當手指觸碰滑塊中的某一個傳感器時,不僅會直接改變此傳感器的互容值,還會對其周圍的傳感器產生影響,控制系統SoC會根據每一個傳感器互容值的變化量,通過插值的質心算法確認手指觸碰的位置。再將線性滑塊在X軸和Y軸兩個方向排列,就形成了觸控板,如下圖所示,手指在觸摸板任意位置的觸摸,都會引起某一個區域內的傳感器互容值發生變化,通過掃描X軸方向和Y軸方向的線性滑塊,即可確認手指的位置坐標(X,Y)。

在艾為壓感觸控解決方案中,AW8680X晶片會作為主控,外接觸控檢測晶片,當有手指接觸時,觸控檢測晶片會確認手指接觸的位置並將坐標傳輸給AW8680X,如下圖所示:


觸覺反饋實現原理
觸覺是人體發展最早、最基本的感覺,也是人體分布最廣、最複雜的感覺系統,是一切神經通路的基礎。這主要與它遍布身體的各個部位,從發展之初就與神經系統是一體的有很大關係,觸覺的敏銳度會影響大腦辨識能力、身體的靈活及情緒的好壞。

觸覺技術被用於創造觸覺效果,即在消費電子設備上的手勢或觸覺反饋。藉助觸覺技術,消費電子設備製造商可以在其設備上為特定的互動體驗創造與眾不同的個性化觸覺反饋,從而為消費者提供更具價值且更加逼真的獨特體驗。

為了通過觸覺體驗來建立物理隱喻,我們可以利用強度、銳度和粒度的相互作用向用戶傳達信息。

強度(Intensity):感受到的刺激的力度或大小。刺激越強烈,觸感體驗就越強烈;

振動時長 :振動的時間長短,振動的時間越長,刺激感知越持久;

銳度:刺激的柔性與剛性,銳度越高,刺激感知越清晰。

一個成熟的Haptic系統由三部分組成:

高性能的Haptic Driver IC
實現獨立振動的振動器(如LRA)
實現自定義功能的Haptic接口

LRA(Linear Resonant Actuator,線性馬達)觸覺振動器主要是一個由彈簧,質量塊和線圈組成的彈簧系統。彈簧將線圈懸浮在線性馬達內部,當線圈中有電流流過時,線圈會產生磁場。線圈和帶有磁性的質量塊相連,當流過線圈的電流改變時,磁場的方向和強弱也會改變,質量塊就會在變化的磁場中上下移動。這種運動被人們感知就會產生觸覺效果。

Haptic技術中另一個重要組成部分就是線性馬達驅動晶片。

以艾為專為實現觸覺反饋技術設計的馬達驅動晶片AW86927為例,在艾為的壓感觸控板方案中,Haptic的工作原理如下圖所示:

AW8680X計算出面板所受的力後,會根據壓力值的對應等級發送振動波形給AW86927馬達驅動晶片,驅動晶片控制線性馬達產生振動,對用戶形成觸覺反饋。

近些年,蘋果、微軟、聯想、惠普、阿里雲(戳此回顧:阿里雲無影筆記本奪得“機皇”稱號!Trackpad採用艾為方案)等大廠紛紛採用壓感觸控板,且將該方案作為筆記本電腦的賣點之一。由此可見,“一體式全域壓感觸控板”替代傳統的“跳板式”觸控板是筆記本發展的重要方之一。艾為也將繼續完善壓感觸控板解決方案,實現更細膩、豐富的交互體驗。

艾為壓感觸控板解決方案特色
☆壓感
·50-500g
·1-3級可調
☆3D觸感特色
·觸覺反饋(波形可調)
·全域按壓
☆報點率:150Hz
☆HID PTP
☆低噪聲
☆低功耗
☆在/離線固件更新
☆支持調試接口
☆方便定製化
·支持6感應器
·支持各級觸控
·防誤觸

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