CN103440076B - 基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，包括：电容触摸屏体、设置在电容触摸屏体背面的若干个薄膜压力传感器、电容触摸屏控制芯片、压力传感器接口电路、主控芯片；所述电容触摸屏体连接电容触摸屏控制芯片，所述薄膜压力传感器连接压力传感器接口电路；电容触摸屏控制芯片和压力传感器接口电路分别与主控芯片连接；所述主控芯片连接一三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器用于获取垂直于电容触摸屏体表面的加速度值并传输给主控芯片；本发明能够实现设备处于不同倾斜姿态和运动状态下时对垂直于触摸屏表面的触控压力的准确感知，从而准确获得多个触摸点对应的实际触控压力。

Description

基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏

技术领域

本发明涉及一种触摸屏，尤其是一种基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏。

背景技术

触摸屏因具有易操作性、直观性和灵活性等优点，已成为个人移动通信设备和综合信息终端如平板电脑和智能手机、超级笔记本电脑的主要人机交互手段。触摸屏根据不同的触控原理可分为电阻触摸屏、电容触摸屏、红外触摸屏和表面声波（SAW）触摸屏等四种主要类型。其中电容触摸屏具有多点触控的功能，用户使用体验优越，价格日益降低，已成为中小尺寸信息终端触控交互采用的主要技术。

但是，目前电容触摸屏仅感知屏体所在平面（X，Y轴二维空间）的触摸位置，难以支持垂直于屏体平面（Z轴）的触摸参数感知，无法有效支持三维人机界面的操作和交互。此外，电容触摸屏存在由于灵敏度较高导致手指悬空在触摸屏上方时引起触摸误操作的问题。

发明人针对新型三维显示技术即将在个人移动通信设备和综合信息终端应用普及的发展趋势，前期申请了通过压力传感器与多点式电容触摸屏有机结合实现对三维多点触控行为的有效识别的发明专利（申请号：201210566107.3），消除了触摸误操作现象。但该发明专利申请更适用于个人移动通信设备和综合信息终端处于水平或垂直放置等特定倾斜角度的情况，而实际应用中这些手持设备在使用时处于不同的倾斜姿态和运动状态，由于触摸屏体本身具有一定的质量，导致存在触控压力感知不够准确的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，能够实现设备处于不同倾斜姿态和运动状态下时对垂直于触摸屏表面的触控压力的准确感知，并可以基于校正后压力测量值滤除由于电容触摸屏过于灵敏导致的手指悬空误操作。本发明采用的技术方案是：

一种基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，包括：电容触摸屏体、设置在电容触摸屏体背面的若干个薄膜压力传感器、电容触摸屏控制芯片、压力传感器接口电路、主控芯片；所述电容触摸屏体连接电容触摸屏控制芯片，所述薄膜压力传感器连接压力传感器接口电路；电容触摸屏控制芯片和压力传感器接口电路分别与主控芯片连接；

所述薄膜压力传感器用于检测作用于电容触摸屏体的触控压力，压力传感器接口电路将每个薄膜压力传感器检测的压力测量值传输给主控芯片；

所述电容触摸屏控制芯片将检测出的对电容触摸屏体触摸的触摸点数和各触摸点位置传输给主控芯片；

所述主控芯片连接一三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器用于获取垂直于电容触摸屏体表面的加速度值并传输给主控芯片；

主控芯片依据各薄膜压力传感器的压力测量值和垂直于电容触摸屏体表面的加速度值计算获得各薄膜压力传感器的校正后压力测量值，并结合对电容触摸屏体触摸的触摸点数和各触摸点位置计算获得各触摸点的触控压力。

进一步地，所述薄膜压力传感器为四个，布设在电容触摸屏体的四个角上。

进一步地，在电容触摸屏控制芯片检测到触控行为之前，主控芯片使得压力传感器接口电路处于休眠状态；当电容触摸屏控制芯片检测到触控行为后，则主控芯片使得压力传感器接口电路进入工作状态。

更进一步地，当压力传感器接口电路进入工作状态后，主控芯片判断当前的薄膜压力传感器的校正后压力测量值是否小于检测门限，若是，则将压力传感器接口电路设为休眠状态，若否，则进行后续的各触摸点的触控压力的计算。

本发明的优点：通过集成多个低功耗薄膜压力传感器与传统多点式电容触摸屏，结合三轴加速度计测量垂直于触摸屏表面的加速度值，能够实现设备处于不同倾斜姿态和运动状态下压力传感器测量值的校正，并可以基于校正后压力测量值滤除由于电容触摸屏过于灵敏导致的手指悬空误操作，获得多个触摸点对应的实际触控压力，实现基于压力的三维界面控制和人机交互。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图。

图2为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：一种基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，包括：电容触摸屏体1、设置在电容触摸屏体1背面的若干个薄膜压力传感器2、电容触摸屏控制芯片4、压力传感器接口电路6、主控芯片5；所述电容触摸屏体1连接电容触摸屏控制芯片4，所述薄膜压力传感器2连接压力传感器接口电路6；电容触摸屏控制芯片4和压力传感器接口电路6分别与主控芯片5连接；所述薄膜压力传感器2用于检测作用于电容触摸屏体1的触控压力，压力传感器接口电路6将每个薄膜压力传感器2检测的压力测量值传输给主控芯片5；所述电容触摸屏控制芯片4将检测出的对电容触摸屏体1触摸的触摸点数和各触摸点位置传输给主控芯片5。

本发明引入了一与主控芯片5连接的三轴加速度传感器7，其获取垂直于电容触摸屏体1表面的加速度值并传输给主控芯片5；主控芯片5依据各薄膜压力传感器2的压力测量值和垂直于电容触摸屏体1表面的加速度值计算获得各薄膜压力传感器2的校正后压力测量值，并结合对电容触摸屏体1触摸的触摸点数和各触摸点位置计算获得各触摸点的触控压力。

所述电容触摸屏体1是与用户直接交互的实体，采用传统多点式电容触摸屏体，其外表面通常为抗刮擦玻璃，通过在屏体平面的X轴和Y轴分别设置由透明导电材料制成的多条信号驱动线和信号检测线，形成交互电容矩阵，实现对人体触摸引起的电容变化进行检测。

所述电容触摸屏控制芯片4与电容触摸屏体1内X、Y轴的多条信号驱动线和信号检测线相连，根据发生电容变化的信号驱动线和信号感应线对应的编号，实现多个触控点的检测和定位，得到触摸点数和触摸点位置信息，传送给主控芯片5。

所述薄膜压力传感器2布设在电容触摸屏体1的下表面和设备主机之间，即在电容触摸屏体1背面，其具有较高的压力探测精度和较低的功耗，用于感知用户触摸电容触摸屏体1产生的触控压力。薄膜压力传感器2多采用面积很小（半径2-3mm的圆形）的压阻式柔性力敏材料，厚度一般在0.1mm左右，布设在电容触摸屏体1的四角（位于触摸屏可视显示区域3外），不会显著增加触摸屏的总体厚度和边缘宽度。

所述压力传感器接口电路6通过导线与多个压阻式薄膜压力传感器2相连，完成多个薄膜压力传感器2的电阻值测量，并根据压敏材料的阻值和压力映射曲线，得到每个薄膜压力传感器2的压力值，并通过数字接口将多个薄膜压力传感器2的压力测量值传送给主控芯片5。

所述三轴加速度计7是个人移动通信设备和综合信息终端等设备（如智能手机）中的内置运动传感器，用于测量垂直于电容触摸屏体1表面的加速度，并通过数字接口与主控芯片5相连。该三轴加速度传感器7的z轴设置成垂直于电容触摸屏体1表面的方向。当然如果需要，也可以单独设置一个三轴加速度计。

由于触摸屏本身具有一定的质量，特别是随着触摸屏与显示屏的一体化集成技术日益成熟，电容触摸屏体1质量进一步增加。压力传感器布设在电容触摸屏体1下方，用于感知垂直于电容触摸屏体1表面的压力，即使没有按压动作，压力传感器的测量值也可能大于0。当设备倾斜角度不同或者处于加速运动时，屏体自身质量所产生的压力有所不同。根据垂直于电容触摸屏体1表面的加速度值以及电容触摸屏体1质量，可以计算出没有按压动作时压力传感器的初始测量值，并用之于压力传感器压力测量值的校正。

所述主控芯片5是个人移动通信设备和综合信息终端等设备的CPU，根据电容触摸屏1的触控行为识别结果(包括触摸点数和各触摸点位置信息等)，启动压力传感器接口电路6，得到多个薄膜压力传感器2的压力值测量数据，基于垂直于电容触摸屏体1表面的加速度值以及电容触摸屏体1质量，对压力传感器测量值进行校正，根据校正后的各个压力传感器测量值、触摸点数、各触摸点位置，计算出各触摸点位置对应的触控压力。

图2给出了本发明具体实施例的工作流程图，具体实现步骤如下：

1）.设备启动

设备启动后，电容触摸屏体1、电容触摸屏控制芯片4还有三轴加速度传感器7处于工作状态。为了降低系统总体功耗，在电容触摸屏控制芯片4检测到触控行为之前，主控芯片5使得压力传感器接口电路6处于休眠状态。

2）.电容触摸屏值守

由于电容触摸屏体1在设备一启动便处于工作状态，因此设备一启动，电容触摸屏控制芯片4就可以检测对电容触摸屏体1的触控行为。电容触摸屏控制芯片4对触摸点数和触摸点位置进行检测，如果出现触控行为，则主控芯片5启动压力传感器接口电路6，使其进入工作状态。如果没有触控行为，则压力传感器接口电路6仍处于休眠状态。

3）.压力传感器的压力测量值校正

启动压力传感器接口电路6后，主控芯片5就可以获得每个薄膜压力传感器2的压力测量值。

设备内置三轴加速度计7的x,y,z轴是以设备为基准的相对坐标系，设电容触摸屏体1的质量为M，垂直于电容触摸屏体1表面（也是设备表面）的z轴加速度为Z_a，则由于电容触摸屏体1自身质量所产生的垂直于屏体的压力为M*Z_a。当采用如图1所示的压力传感器部署方式时，每个压力传感器的偏差为0.25*M*Z_a。主控芯片5计算获得校正后的压力测量值，即为薄膜压力传感器2的压力测量值减去偏差值。

4）.触摸误操作滤除

由于人体产生触摸反馈感觉的力度一般在15-20克力，可以基于校正后的压力测量值滤除电容触摸屏灵敏度较高导致的误操作：主控芯片5判断当前的薄膜压力传感器2的校正后压力测量值是否小于检测门限，当校正后的压力测量值小于检测门限时（检测门限可以设为触摸反馈力的1/2，即10克力），则认为没有发生真实的触控行为，判断为电容屏检测到的误操作，主控芯片5将压力传感器接口电路6设为休眠状态；当校正后的压力测量值达到或超过检测门限时，则进行后续的各触摸点的触控压力的计算。

5）.各触摸点的触控压力的计算

主控芯片5根据各个薄膜压力传感器2的校正后压力测量值、电容触摸屏控制芯片4获得的触摸点数和各触摸点位置，进行各个触摸点的触控压力的计算。具体计算方式如下：

以电容触摸屏体1的背面设置四个薄膜压力传感器2为例，来说明本发明实施例的具体计算过程。设四个薄膜压力传感器2的布设位置分别为（0,0）、（L,0）、（0,B）、（L,B），对应的校正后的压力测量值分别为P1、P2、P3、P4；其中，以四个薄膜压力传感器2中的一个定位基点，参数L表示相邻两个薄膜压力传感器2的长度，参数B表示相邻两个薄膜压力传感器2的高度。触摸点数为三个，对应触摸点位置分别为（x1,y1）、（x2,y2）、（x3,y3），所述参数坐标为以电容触摸屏体1的X轴、Y轴的坐标系得到的坐标值。待计算的对应触摸点压力分别为p1、p2、p3。根据压力触控技术中的压力与位置关系可得到如下等式：

$p1\×\frac{\sqrt{{x1}^2+{y1}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{x2}^2+{y2}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{x3}^2+{x3}^2}}{T3}=P1$

$p1\×\frac{\sqrt{{(L-x1)}^2+{y1}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{(L-x2)}^2+{y2}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{(L-x3)}^3+{y3}^2}}{T3}=P2---\left(1\right)$

$p1\×\frac{\sqrt{{x1}^2+{(B-y1)}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{x2}^2+{(B-y2)}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{x3}^2+{(B-y3)}^2}}{T3}=P3$

$p1\×\frac{\sqrt{{(L-x1)}^2+{(B-y1)}^2}}{T1}+p2\×\frac{\sqrt{{(L-x2)}^2+{(B-y2)}^2}}{T2}+p3\×\frac{\sqrt{{(L-x3)}^2+{(B-y3)}^2}}{T3}=P4$

式中T1、T2、T3为已知量，分别为：

$T1=\sqrt{{x1}^2+{y1}^2}+\sqrt{{(L-x1)}^2+{y1}^2}+\sqrt{{x1}^2+{(B-y1)}^2}+\sqrt{{(L-x1)}^2+{(B-y1)}^2}$

$T2=\sqrt{{x2}^2+{y2}^2}+\sqrt{{(L-x2)}^2+{y2}^2}+\sqrt{{x2}^2+{(B-y2)}^2}+\sqrt{{(L-x2)}^2+{(B-y2)}^2}---\left(2\right)$

$T3=\sqrt{{x3}^2+{y3}^2}+\sqrt{{(L-x3)}^2+{y3}^2}+\sqrt{{x3}^2+{(B-y3)}^2}+\sqrt{{(L-x3)}^2+{(B-y3)}^2}$

由式（1）通过最小二次方差矩阵求逆的方法，对于四个薄膜压力传感器2可以得到任何小于等于4个触摸点的触控压力值。

主控芯片5根据各个触摸点的位置和压力信息执行对应的操作，实现了对三维界面的三维控制和交互。

主控芯片5完成当前时刻的触摸点数、触控点位置和触控压力检测后，根据电容触摸屏控制芯片4对触控行为的探测结果执行相应的处理流程：若用户触控行为已结束，则将压力传感器及其接口电路转换为休眠状态；若用户触控行为仍在持续，则继续进行各触控点压力计算。

Claims (4)

1.一种基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，包括：电容触摸屏体(1)、设置在电容触摸屏体(1)背面的若干个薄膜压力传感器(2)、电容触摸屏控制芯片(4)、压力传感器接口电路(6)、主控芯片(5)；所述电容触摸屏体(1)连接电容触摸屏控制芯片(4)，所述薄膜压力传感器(2)连接压力传感器接口电路(6)；电容触摸屏控制芯片(4)和压力传感器接口电路(6)分别与主控芯片(5)连接；

所述薄膜压力传感器(2)用于检测作用于电容触摸屏体(1)的触控压力，压力传感器接口电路(6)将每个薄膜压力传感器(2)检测的压力测量值传输给主控芯片(5)；

所述电容触摸屏控制芯片(4)将检测出的对电容触摸屏体(1)触摸的触摸点数和各触摸点位置传输给主控芯片(5)；

其特征在于：

所述主控芯片(5)连接一三轴加速度传感器(7)，所述三轴加速度传感器(7)用于获取垂直于电容触摸屏体(1)表面的加速度值并传输给主控芯片(5)；

主控芯片(5)依据各薄膜压力传感器(2)的压力测量值和垂直于电容触摸屏体(1)表面的加速度值计算获得各薄膜压力传感器(2)的校正后压力测量值，并结合对电容触摸屏体(1)触摸的触摸点数和各触摸点位置计算获得各触摸点的触控压力；

上述计算中，触摸点数小于等于薄膜压力传感器个数。

2.如权利要求1所述的基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，其特征在于：所述薄膜压力传感器(2)为四个，布设在电容触摸屏体(1)的四个角上。

3.如权利要求1所述的基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，其特征在于：

在电容触摸屏控制芯片(4)检测到触控行为之前，主控芯片(5)使得压力传感器接口电路(6)处于休眠状态；当电容触摸屏控制芯片(4)检测到触控行为后，则主控芯片(5)使得压力传感器接口电路(6)进入工作状态。

4.如权利要求3所述的基于薄膜压力传感器与三轴加速度计的三维多点式触摸屏，其特征在于：

当压力传感器接口电路(6)进入工作状态后，主控芯片(5)判断当前的薄膜压力传感器(2)的校正后压力测量值是否小于检测门限，若是，则将压力传感器接口电路(6)设为休眠状态，若否，则进行后续的各触摸点的触控压力的计算。