压电传感器，潜力巨大

压电使显示器能够提供高质量的音频和触摸反馈。

当今的移动设备扬声器和触觉发生器存在几个问题。

第一个是组件本身。智能手机中的扬声器以及触摸虚拟按钮时提供手指反馈的系统可能相对较小，但它们仍然足够大，足以限制我们的移动设备的厚度。这些小部件也很脆弱，如果您的手机掉落过，您可能会了解到这一点。它们需要在外壳上有开口，以允许水分或碎片进入。

然后我们感知它们发出的声音的方式就存在问题。扬声器通常位于我们设备的侧面或背面。声音应该来自我们眼睛在屏幕上看到的图像，但我们的耳朵知道它来自其他地方。这种感知上的不和谐限制了我们沉浸在体验中的能力。

如果我们能够使用显示面板本身作为声音和触觉反馈的来源，我们就可以立即解决所有这些问题。现在可以实现这一点的技术是一种薄压电换能器。到今年年底，它将进入手机、笔记本电脑和可穿戴设备领域。

传统扬声器的工作原理是让电流流过线圈，产生磁场，移动附着在扬声器锥体上的磁铁，进而置换空气以产生声波。扬声器的尺寸不能小于线圈和锥体尺寸所允许的尺寸，线圈和锥体必须足够宽和长，以排出合理的空气量。其机械耐用性受到其小型移动部件的组装精度的限制。

手机中的触觉发生器通常是线性谐振执行器，其电气和机械结构类似于扬声器，但经过优化可在固体中产生低频振动，而不是在空气中产生声波。

用压电传感器取代传统扬声器将使设备变得更薄

事实证明，声音和触觉生成都可以从移动设备的显示屏中产生。显示屏是一个均匀、平坦、半柔性的表面——如果你用指甲敲击它，你可以听到它的振动。将平坦的半柔性表面转变为扬声器的技术可以追溯到高保真早期。

在 20 世纪 50 年代，您可以只购买扬声器中将电力转化为运动的部分——线圈和活塞——并将活塞固定在墙壁或柜子的面板上。然后，墙壁或面板会像扬声器锥体一样振动，产生我们感知为声音的气压波。这个想法仍然很新颖，主要是因为它是一个自己动手的项目，结果不可预测。事实证明，找到合适的表面、将驱动器安装在正确的位置并正确供电，就像制作一把真正好的小提琴一样简单。

最近，一些平板电视开发商利用类似的原理将大尺寸电视的屏幕变成了扬声器。他们使用强大的传感器以音频频率振动整个显示面板。这带来了好处：薄显示屏，没有扬声器。根据评论家的说法，中频和高频的保真度很高（如果您想要低频，则需要一个辅助低音炮）。声音似乎确实来自屏幕上的图像。但这些系统价格昂贵，并且需要消耗大量功率的高压放大器，因此它们需要缩小尺寸才能装入移动设备。

进入压电领域

要在较小的设备中完成这项工作，您需要压电传感器。它们由微小的单晶体（例如石英或某些陶瓷）组成，并附有两个电极。当您在电极上施加电压时，材料会发生物理弯曲。

这种弯曲称为逆压电效应。1880年，物理学家皮埃尔·居里和雅克·居里观察到，当某些晶体受到机械力时，晶体的两面之间会出现电压；他们称之为压电效应（piezo在希腊语中是“按压”的意思）。这种效应是由于晶体中的自然电偶极子与晶体分子中的机械应力之间的相互作用造成的。粗略地说，弯曲晶体会导致偶极子对齐，从而产生体电场。

一年后，居里夫妇证明了相反的情况是正确的：如果在这些晶体的表面之间施加电压，偶极子在试图与场对齐时会使晶体弯曲。压电材料的研究随后扩展到包括陶瓷。

当压电传感器振动显示器本身以产生声波时，声音似乎直接来自屏幕上的图像，这是一种更加真实的效果

因此，通过施加交流电压，可以使传感器以相当大的力振动。这些振动可以很慢（触觉反馈所需的振动），也可以非常快，达到最高音频频率或更高。虽然用陶瓷材料产生这种效果需要相对较高的电压（40 伏或更高），但它需要的电流非常少，因此功率也很小，远低于当今移动设备扬声器所使用的功率。

使用压电换能器来产生声音并不是一个新想法。事实上，几十年来，它们一直被用来产生令人难以忍受的烟雾警报器的尖叫声。

当然，使用压电元件产生全方位的高质量音频距离发出烟雾警报器的尖叫声还有很长的路要走。使其在手持设备中工作存在许多挑战。需要一种放大器能够提高电池提供的电压，以高效率节省能源，并以最小的噪音保持音频质量。并且音频信号在发送到换能器之前需要进行一些预处理，以校正换能器的特性以及换能器将振动的显示面板。

驱动传感器

但Synaptics认为我们已经应对了这些挑战。我们开发了一种芯片，它集成了低噪声、高压升压放大器和数字信号处理器，该处理器位于设备主板上并驱动连接到显示器背面的陶瓷压电传感器。这确实占用了空间，但话又说回来，它消除了动圈扬声器。这些放大器-换能器组的确切位置和数量取决于设备的机械设计和所需的音频模式——一组足以取代智能手机中的手持接收器功能，但还需要第二组来取代智能手机中的手持接收器功能。扬声器功能。该配置将是更典型的配置。

我们预计到 2024 年底我们的芯片将应用于智能手机、可穿戴设备和笔记本电脑。

传统的扬声器模块位于计算机或移动设备的其他组件中，占用了宝贵的空间。相反，当薄压电传感器振动显示器以产生声波和触觉效果时，该空间就被释放用于其他用途

放弃传统磁线圈扬声器的直接好处有很多。压电换能器材料仅需要一毫米的外壳厚度，而动态扬声器或线性谐振执行器需要几毫米的外壳厚度，从而使新一代更薄的手持设备成为可能。然而，这种换能器可以产生最好的微型动态扬声器的音质和响度。它们由包括TDK在内的几家公司制造；其他尚未公开宣布。

由于传感器粘合在外壳内的显示面板上，因此不需要任何可能让湿气或污垢进入内部的开口。

最重要的是，传感器从显示器前面产生声波。这意味着声音是针对用户的，而不是远离用户或偏向侧面。正如大屏幕电视中发声显示器的成功所证明的那样，这实际上确实提供了更加身临其境的体验。当你看到霸王龙仰起头咆哮时，你的大脑会将声音的来源定位在野兽的图像上，而不是侧面的某个地方。

当今的许多手持设备确实试图通过所谓的心理声学处理来纠正这个问题，使用一种算法来改变来自扬声器的声波的幅度和相位，模仿你的耳朵作为声音所做的一些非常复杂的事情波从不同方向进入它们。这些算法的成功取决于周围环境，额外的处理器周期会消耗设备电池的大量能量。让声音在显示器上物理产生是一个简单得多的解决方案。

至于触觉反馈，使用相同的产生声音的压电传感器来产生触觉反馈，无需单独的驱动器电子设备和电机来摇动显示器。

双向效应

另外，请记住压电效应是双向的。因此，当您触摸显示面板时，传统的触摸传感器不仅可以确定您触摸的位置，而且压电传感器还可以判断您按压的力度。这为交互式用户界面和沉浸式触摸屏游戏开辟了一个全新的反馈领域。

它还提出了一个有趣的可能性，坦率地说，尚未得到彻底探索。当触摸或什至相当大的环境噪音弯曲显示面板时，它也会弯曲传感器，从而产生电压。可以收集该电信号来为设备的电池充电，提供一定程度的能量收集，从而可以延长充电之间的时间。

因此，如果您的下一部手机更薄、电池寿命更长、声音更身临其境，那么压电技术可以从您的设备中消除传统扬声器和基于电机的触觉发生器，并将声音移至其所属的位置。

审核编辑 黄宇