CN103197821A

CN103197821A - 可感知触控力度和精准定位的电容-压电复合式触摸屏

Info

Publication number: CN103197821A
Application number: CN201310116488XA
Authority: CN
Inventors: 褚祥诚; 刘佳燚; 袁世明
Original assignee: KING TONE INNOVATION; Tsinghua University
Current assignee: KING TONE INNOVATION; Tsinghua University
Priority date: 2013-04-03
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: CN103197821B

Abstract

本发明公开了属于触摸屏技术领域的一种可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏。是由电容式触摸屏表面保护层、压电力传感器、夹层玻璃依次叠加组成；压电力传感器由压电陶瓷片或膜两面涂覆金属电极及柔性黏结胶膜构成；压电力传感器两面分别通过柔性黏结胶膜与电容式触摸屏表面保护层、夹层玻璃粘合在一起，构成电容-压电复合式触摸屏。压电陶瓷力传感器的分布对称于触摸屏的面内几何中心，呈现规则排列；作用于触摸屏上的力使压电陶瓷片或膜产生电压，压电陶瓷片或膜作为传感器放置于触摸屏的下方，在保证原有电容触控功能以及触摸精度的同时，增加了对触控力度以及力的加速度等信息的测量功能，本发明制备工艺简单，耗电低。

Description

可感知触控力度和精准定位的电容-压电复合式触摸屏

技术领域

本发明属于触摸屏技术领域，特别涉及一种可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏。

背景技术

触摸屏技术是继键盘、鼠标技术后，新发展出的一种人机交互式在线输入技术，近几年已广泛地应用于日常生活中，比如手机、笔记本电脑、MP4及各类自动服务终端机。相对于传统的输入方式，触摸屏技术拥有设备更为轻便和便携、输入方式更加人性化等诸多优点。现在使用较为广泛的触摸屏按工作原理主要可以分为四种：电阻式、电容式、红外线式和表面声波式，其中电阻式与电容式的触摸屏应用最为广泛。

电阻式触摸屏的工作原理为：一种多层的复合薄膜，由一层玻璃作为基层，表面涂有一层ITO透明导电层，上面盖有一层光滑防刮的塑料层，作为保护层，在保护层的内表面涂有一层导电层。在两层导电层之间有许多细小的透明隔离点绝缘，并在两层ITO工作面的边线上各涂有一条银胶，一端加电压，另一端接地，从而在工作面的一个方向上形成均匀连续的平行电压分布。当手指触摸屏幕时，压力使两层导电层在接触点位置就有了一个接触，控制器侦测到这个接通，立刻A/D转换测量接触点的模拟量电压值，根据它和施加电压的比例公式就能计算出触摸点的X、Y轴的位置。

电容式触摸屏由一个模拟感应器和一个双向智能控制器组成。模拟感应器是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO导电涂层，最外层是矽土玻璃，形成坚实耐用的保护层。夹层ITO涂层作为工作面，四个角上各引出一个电极，内层ITO作为屏蔽层用以保证良好的工作环境。触摸屏工作时，感应器边缘的电极产生分布的电压场,由于人体电场的存在,触摸屏幕时,手指和触摸屏的工作面之间就会形成一个耦合电容,因为工作面上接有高频信号，于是手指吸走一个很小的电流，分别从触摸屏四个角上的电极中流出。从理论上讲，流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器通过对这四个电流比例的精密计算，从而可以得出触摸点的位置。最后，控制器将数字化的触摸位置数据传送给主机，以实现人机交互。

与传统的电容、电阻式触摸屏相比，本实施专利的电容-压电复合式触摸屏有着如下几方面显著优势：

1.实现三维触控，提供更丰富的触控特征和信息：电容-压电复合式触摸屏可以类似现有电容触摸屏，非常精确地感知触点的位置，同时，因为电容屏边框处压电陶瓷材料的存在，还可以对上述触摸位置处具体的作用力大小、作用力变化特征等信息做出及时响应，极大地丰富了人机交互的信息量，这也为触摸屏及其相关产品更丰富的功能开发提供了技术可能。

2.对接触物体的材质及形状没有特殊要求：由于压电力传感器是基于压电陶瓷的压电效应，无论用任何材质或任何形状的物体对屏幕进行作用，屏幕都可以做出及时响应，而并不像传统电容或电阻屏那样，要求触摸物体必须是非绝缘体（导电体）或尖硬物体。该技术提供了极为丰富的操控便利性，即使经过防水密封处理的触摸屏也可以在水下等特殊环境中触控操作和使用，使用者也可以带着手套完成触摸屏的操控。

3.良好的稳定性：由于压电性能不局限于与作用源的近距离接触，故可将压电材料贴附于屏幕之下，可以极大减少压电屏与外界的接触，增加其稳定性。

4.更低的成本：压电力传感器制造工艺简单，制造成本非常低廉。在已有电容屏的基础上，额外增加极低的成本，就可以实现更广泛和有趣的多种附加操作功能和新的触控体验。

发明内容

本发明的目的是提供一种可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述电容-压电复合式触摸屏是在电容式触摸屏表面保护层、压电力传感器、夹层玻璃及电极依次叠加组成；所述压电力传感器由压电陶瓷片或膜两面涂覆金属电极及柔性黏结胶膜构成；压电力传感器两面分别通过柔性黏结胶膜与电容式触摸屏表面保护层、夹层玻璃粘合在一起，构成电容-压电复合式触摸屏；其中压电力传感器位于电容式触摸屏表面保护层下方的边角或者边沿处，保留原电容触摸屏的结构而不在触摸屏中部添加额外的传感器；压电力传感器对称分布于电容式触摸屏表面保护层的面内几何中心，呈现规则排列；压电力传感器所形成的位置传感区与触摸屏的工作区分离、不重合，压电力传感器的存在不影响触摸屏工作区的各项工作性能。

所述柔性黏结胶膜为环氧胶、环氧树脂胶、导电胶、应变胶、密封胶、光学胶、耐腐蚀胶、结构胶、非结构胶或者商用黏结薄膜中一种。

所述夹层玻璃有两层，上层夹层玻璃布置于压电陶瓷片或膜和上层ITO导电层之间，下层夹层玻璃位于上下两层ITO导电层之间，起到分隔绝缘的作用。

所述ITO导电层位于两层夹层玻璃之间的一层用于电容感知；位于下层夹层玻璃下表面的ITO导电层，起屏蔽电磁干扰的作用。

所述压电力传感器的主体结构由压电陶瓷片或膜构成，压电力传感器上下表面焊接电极及导电引线或电子线路同外围电路相连接。

所述压电力传感器的上下表面形状为长条形、正方形、圆形、椭圆形或多边形，其中，长方条表面电极具有电极多分区的结构特征。

所述压电力传感器为单层、双层或由多层压电陶瓷片或膜复合而成。

所述压电陶瓷片或膜放置在触摸屏的下方作为触摸屏的支撑点和传感点，在外力触及触摸屏时，作用于电容式触摸屏表面保护层上的接触点产生作用力，各种触摸力会导致压电陶瓷片或膜表面产生电压或者电荷信号，通过测量所有位置上的压电力传感器上的电压幅值或电荷量，通过算法可以获知触摸的精确位置和力度信息，通过对压电力传感器上电压波形上升沿和下降沿的精确测量，同时可以获知触点力的变化速度或称为力的加速度信息。陶瓷片表面电荷或电压产生的原理是基于压电陶瓷材料所具有的压电效应决定的，测量所有压电陶瓷陶瓷片产生的电压或电荷，即得知该作用力的大小，通过陶瓷上所形成电压波形的上升沿和下降沿的变化，可以获得作用力变化的速度或者力的加速度。通过电容触屏与压电力传感器的综合作用，确定接触点的位置及触摸力度，最终达到触控的目的；因此这种新型触摸屏技术不同于传统的触控技术，不仅能精确感知触点位置，也可以感知力的大小和加速度，触控维度增加；

触摸力度和加速度等信息由压电陶瓷片或膜表面电极所形成的电压大小确定。对于边角多点分布的压电式触摸屏，压电陶瓷片或膜所受合力的大小即为触摸力度的大小，而压电陶瓷片或膜电压总和又与所受合力呈线性关系，可得出触摸力度同压电电压总和呈线性关系。因此触摸力度可由多点分布的压电陶瓷片或膜产生的电压总和判定，而触摸加速度可由多点分布的压电陶瓷片或膜产生的电压总和的上升/下降沿的变化斜率判定。

相对于传统结构的触摸屏，本发明新型电容-压电复合式触摸屏的优势在于：

1、在原有电容式触屏上附加的结构简单，对原有电容式触摸屏的工作区域无任何影响，在保证原有的触控精度的同时，增加了触控力度以及力度加速度等信息的测量功能，实现了多维触控。

2、可以完成待机唤醒功能，当触控压力达到某一阈值后自动开启触摸屏工作，无需另设一个单独的开关控制触屏开关机或者工作与否。

3、压电力传感器采集的是电压或电荷的信号，具有控制器设计简单、适合低耗操作等特点。

4、同电容式触摸屏类似，在接触触摸屏后产生测量电压，不需一直保持电压梯度，因此整体耗电量较小。

5、同传统触屏技术最大的不同，除了保留精确位置判断的功能之外，增加了对所施加触摸力的大小感知能力和对力变化速度，即力加速度的感知能力，这对游戏更高水平功能的开发大有益处。

6、不怕刮擦，抗干扰能力较强，任何材质的物体触控均可测量出触控力度。

附图说明

图1为压电-电容式复合式触摸屏中压电陶瓷片或膜上电压与时间的关系曲线。

图2为压电力传感器结构示意图。

图3为图2侧面示意图。

图4为采用条形压电力传感器的压电-电容式复合式触摸屏的结构示意图。

图5为采用圆形压电力传感器的压电-电容式复合式触摸屏的结构示意图。

图中标号：

1-夹层玻璃；2-压电陶瓷片或膜；3-ITO导电膜；4-柔性黏结胶膜；

5-电容式触摸屏表面保护层；6-金属电极。

具体实施方式

本发明提供了一种可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，下面结合附图和具体实施方式对本专利做进一步的说明。

在图4所示为采用条形压电力传感器的压电-电容式复合式触摸屏的结构示意图。所述电容-压电复合式触摸屏是由电容式触摸屏表面矽土玻璃保护层5、压电力传感器及夹层玻璃1依次叠加组成；所述压电力传感器由压电陶瓷片或膜2两面涂覆金属电极6及柔性黏结胶膜4构成（如图2、3所示），压电力传感器为单层、双层或由多层压电陶瓷片或膜复合而成，压电力传感器上下表面焊接电极，通过引线将正电极和负电极引至外接电路或电子线路同外围电路相连接。压电力传感器两面分别通过柔性黏结胶膜4与电容式触摸屏表面保护层5、夹层玻璃1粘合在一起，构成电容-压电复合式触摸屏（如图4、5所示）；其中柔性黏结胶膜4为通用的（无特殊商用品牌要求）环氧胶、环氧树脂胶、导电胶、应变胶、密封胶、光学胶、耐腐蚀胶、结构胶、非结构胶或者商用黏结薄膜中一种。压电力传感器位于电容式触摸屏表面保护层5下方的边角或者边沿处，保留原电容触摸屏的结构而不在触摸屏中部添加额外的传感器；压电力传感器对称分布于电容式触摸屏表面保护层5的面内几何中心，呈现规则排列；压电力传感器所形成的位置传感区与触摸屏的工作区分离、不重合，压电力传感器的存在不影响触摸屏工作区的各项工作性能。

在图4、图5中，夹层玻璃有两层，上层夹层玻璃布置于压电陶瓷片或膜2和上层ITO导电层之间，下层夹层玻璃位于上下两层ITO导电层之间，起到分隔绝缘的作用。位于两层夹层玻璃之间的一层ITO导电层用于电容感知；位于下层夹层玻璃下表面的ITO导电层，起屏蔽电磁干扰的作用。

所述压电力传感器的上下表面形状为长条形、正方形、圆形、椭圆形或多边形，其中，长方条表面具有电极多分区的结构特征。

压电触摸屏是通过测量压电陶瓷片或膜在垂直于触摸屏方向的应变所产生电压来计算触摸点位置的。压电陶瓷片或膜的电极位于压电陶瓷片或膜的上下表面，极化方向垂直于压电陶瓷片或膜的上下表面，即陶瓷的极化方向沿着陶瓷的厚度方向。

由理论推导可知，应该将压电陶瓷片或膜的上下表面积尽量做小，以增大所受应力，同时应使压电陶瓷片或膜的介电常数尽可能大。对于这种结构的压电式触摸屏，可以列出力学平衡方程：

F=ΣF_i

其中，F_i是长条形压电陶瓷片或膜各个电极分区所受的压力。

因为压电陶瓷片或膜上形成的电压与应力成比例关系，可以推知：

F=ΣU_i/d₃₃C_i

其中，U_i分别是长条形压电陶瓷片或膜各个电极分区所产生的压电电压。

考虑力学参量（应力T，应变S）和电学参量（电场E，电位移D）复合作用时，压电材料的压电方程可表示如下：

S(t)=s^ET(t)+d^tE(t)

D(t)=dT(t)+ε^TE(t)

以矩形条状的压电陶瓷片或膜为例，其长度为L，宽度为B，厚度为h，介电常数为ε。压电陶瓷片或膜选用片状结构（其上下表面可为圆形、矩形、梯形等），上下表面的面积为A，厚度为l，介电常数为ε。

压电陶瓷片或膜工作于电学开路、机械夹持的情况下，即

S＝0，C；T≠0，C；

D＝0，C；E≠0，C；

应选用第四类压电方程。

T=c^DS-h^tD

E=-hS+β^SD

其中c为开路刚度常数，h为压电刚度常数，E为产生电场，T为应力。无外加电场存在，故电位移D=0。上述压电方程可以简化为：

T=c^DS

E=-hS

可得E=-hT/cD。进一步简化上面的公式，得：

T=F/A

其中A为压电陶瓷片或膜上下表面的面积。由平板电容器的计算公式可得：C=εS/l，又有U=El，可得：

U=-hFl/Ac^D

所以，压电陶瓷片或膜应厚度较大，面积较小，可以产生较大的压电电压。

在触摸屏工作时，可以测量得到位于触摸屏下方的所有压电陶瓷片或膜产生的电压，将这些电压在数值上相加，即可得到表征触摸力度的数据，其大小与触摸力度成线性关系。

考察在触摸时某一压电陶瓷片或膜的电压曲线（如图1所示）。可以看出，三次触摸时施加的力大小不同，使得压电电压的增长速度不一。可以看出，触摸1压电电压增长速度最缓，而触摸3压电电压增长速度最快，由此可知触摸1加速度最小，触摸3加速度最大。在实际应用时，可通过实时数据的测量，计算出压电电压对于时间的导数，由此可以得到有关触摸力的变化速率或者加速度的信息。

图5所示为采用圆形压电力传感器的压电-电容式复合式触摸屏的结构示意图。圆形压电陶瓷片或膜2上下表面有正电极和负电极，粘贴于电容式触摸屏表面保护层5与夹层玻璃1之间，分布于电容式触摸屏表面保护层5下表面的边角处。压电力传感器上下表面焊接电极，通过引线将正电极和负电极引至外接电路。由理论推导可知，应该将压电陶瓷片或膜的上下表面积尽量做小，以增大所受应力，同时应使压电陶瓷片或膜的介电常数尽可能大。对于这种结构的压电式触摸屏，可以列出力学平衡方程：

(F_A+F_C)×X=(F_B+F_D)×(L_X-X)

(F_C+F_D)×Y=(F_A+F_B)×(L_Y-Y)

其中X、Y为触点位置；F_A、F_B、F_C和F_D分别为四个角上圆形压电力传感器所受到的压力，可以由产生的压电电压通过比例关系换算获知；F为作用于触摸屏上的总的触控力度；L_X为触摸屏长度，L_Y为触摸屏宽度。

触摸力的坐标既可由电容屏感知，亦可由圆形压电力传感器输出电压测得。因为压电陶瓷片或膜所产生的电压与应力成比例关系，可以推知：

X = \frac{U_{B} + U_{D}}{U_{A} + U_{B} + U_{C} + U_{D}} \cdot L_{X}, Y = \frac{U_{A} + U_{E}}{U_{A} + U_{B} + U_{C} + U_{D}} \cdot L_{Y}

其中，U_A、U_B、U_C和U_D分别为四个角上圆形压电力传感器所产生的压电电压的大小。

以上只是本发明的几个较优的实施例，本领域技术人员可在权利要求规定的范围内做出任意修改。

Claims

1.一种可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述电容-压电复合式触摸屏是在电容式触摸屏表面保护层、压电力传感器、夹层玻璃及电极依次叠加组成；所述压电力传感器由压电陶瓷片或膜两面涂覆金属电极及柔性黏结胶膜构成；压电力传感器两面分别通过柔性黏结胶膜与电容式触摸屏表面保护层、夹层玻璃粘合在一起，构成电容-压电复合式触摸屏；其中压电力传感器位于电容式触摸屏表面保护层下方的边角或者边沿处，保留原电容触摸屏的结构而不在触摸屏中部添加额外的传感器；压电力传感器对称分布于电容式触摸屏表面保护层面内的几何中心，呈现规则排列；压电力传感器所形成的位置传感区与触摸屏的工作区分离、不重合，压电力传感器的存在不影响触摸屏工作区的各项工作性能。

2.根据权利要求1所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述柔性黏结胶膜为环氧胶、环氧树脂胶、导电胶、应变胶、密封胶、光学胶、耐腐蚀胶、结构胶、非结构胶或者商用黏结薄膜中一种。

3.根据权利要求1所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述夹层玻璃有两层，上层夹层玻璃布置于压电陶瓷片或膜和上层ITO导电层之间，下层夹层玻璃位于上下两层ITO导电层之间，起到分隔绝缘的作用。

4.根据权利要求1或3所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述ITO导电层位于两层夹层玻璃之间的一层用于电容感知；位于下层夹层玻璃下表面的ITO导电层，起屏蔽电磁干扰的作用。

5.根据权利要求1所述可感知触控力度变化和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述压电力传感器的主体结构由压电陶瓷片或膜构成，压电力传感器上下表面焊接电极，通过引线将正电极和负电极引至外接电路或电子线路同外围电路相连接。

6.根据权利要求1所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述压电力传感器的上下表面形状为长条形、圆形、椭圆形或正多边形，其中，长方条表面具有电极多分区的结构特征。

7.根据权利要求1所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述压电力传感器由单层、双层或多层压电陶瓷片或膜复合而成。

8.根据权利要求1所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于：所述压电陶瓷片或膜放置在触摸屏的下方作为触摸屏的支撑点和传感点，在外力触及触摸屏时，作用于电容式触摸屏表面保护层上的接触点产生作用力，各种触摸力会导致压电陶瓷片或膜表面产生电压或者电荷信号，通过测量所有位置上的压电力传感器上的电压幅值或电荷量，通过算法可以获知触摸的精确位置和力度信息，通过对压电力传感器上电压波形上升沿和下降沿的精确测量，同时可以获知触点力的变化速度或称为力的加速度信息。陶瓷片表面电荷或电压产生的原理是基于压电陶瓷材料所具有的压电效应决定的，测量所有压电陶瓷陶瓷片产生的电压或电荷，即得知该作用力的大小，通过陶瓷上所形成电压波形的上升沿和下降沿的变化，可以获得作用力变化的速度或者力的加速度。通过电容触屏与压电力传感器的综合作用，确定接触点的位置及触摸力度，最终达到触控的目的；因此这种新型触摸屏技术不同于传统的触控技术，不仅能精确感知触点位置，也可以感知力的大小和加速度，触控维度增加。

9.根据权利要求8所述可感知触控力度和精确定位的电容-压电复合式触摸屏，其特征在于，触摸力度和加速度信息由压电陶瓷片或膜表面所形成的电压大小确定；对于边角多点分布的压电式触摸屏，压电陶瓷片或膜所受合力的大小即为触摸力度的大小，而压电陶瓷片或膜电压总和又与所受合力呈线性关系，得出触摸力度同压电电压总和呈线性关系；因此触摸力度由多点分布的压电陶瓷片或膜产生的电压总和判定，而触摸加速度由多点分布的压电陶瓷片或膜产生的电压总和的上升/下降沿的变化斜率判定。