CN103777803B - 一种单电极触摸传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种单电极触摸传感器及其制备方法。本发明利用触摸动作施加者和触摸层材料具有不同的摩擦电性质而构建出单电极、自驱动型触摸传感器。当触摸动作施加者在触摸层上进行接触‑分离或滑动等动作时，会触发触摸传感器的电信号产生机制，并自动对外输出电信号，从而使触摸动作被记录并被反馈，实现传感器的功能。本发明的单电极触摸传感器可以对触摸动作进行实时记录，具有成本低、自驱动和结构简单等特点，在智能电子设备和人机互动界面中有非常广泛的应用前景。

Description

一种单电极触摸传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种触摸传感器及其制备方法，特别涉及一种单电极触摸传感器及其制备方法。

背景技术

现有的摩擦电发电机的工作原理是基于两种不同的摩擦电材料的相互接触和分离，但是，所有已经报道的摩擦发电机都是基于导电金属沉积在摩擦电薄膜材料表面，从而实现对外输出电能。这将导致器件制作成本的增加。同时，我们很难在一些摩擦材料上制作电极，比如皮肤、空气，这些限制极大的妨碍了这种摩擦电发电机的发展。

触摸传感器是通过把触摸器件的信号转化成与之成线性或者任意函数关系的电阻或者电压输出，从而实现对触摸的探测。它在机器人、人机界面和安全系统领域有着广泛的应用前景。现有的触摸传感器主要是基于压电阻和电容变化的工作原理，外部供电对于这些传感器的正常工作是必不可少的。由于依赖外部能源供电的触摸传感器很难在未来的能源危机中得到广泛地应用，发展一种自驱动的触摸传感器是从根本上解决这些器件长期而稳定工作的关键。利用摩擦电发电机来制作触摸传感器不但可以对触摸进行实时记录和监控，同时也可以对外输出电源，对其他器件进行供电。

发明内容

为了克服上述现有追踪系统的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种自驱动的触摸传感器。为了达到上述目的，本发明提供一种单电极触摸传感器，包括：触摸层、一端与等电位源电连接的感测电极层和信号监测元件，其中，所述感测电极层贴合于所述触摸层的下表面，所述感测电极层与所述信号监测元件电连接；

优选地，所述触摸层为单层的薄层或薄膜，厚度为100nm-1mm；

优选地，所述厚度为500nm-800μm；

优选地，所述触摸层选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯；

优选地，所述触摸层的上表面全部或部分设置微纳结构；

优选地，所述微纳结构选自纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花，以及由上述结构组成的阵列；

优选地，所述微纳结构为线状、立方体或四棱锥单元组成的阵列，每个单元的尺寸为10nm-50μm；

优选地，所述感测电极层选自金属、合金、导电氧化物和有机物导体；

优选地，所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金为选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的两种或多种所形成的合金，所述导电氧化物为氧化铟锡ITO；所述有机物导体为自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩；

优选地，所述感测电极层为平板、薄片或薄膜，所述薄膜的厚度为10nm-5mm；

优选地，所述感测电极层由若干贴合在所述触摸层下表面的分立的电极单元构成，每个所述电极单元均与所述信号监测元件形成电连接；

优选地，每个所述电极单元为规则或不规则图形，并且各所述电极单元的尺寸和形状相同或不同；

优选地，所述信号监测元件包含若干个信号监测单元，各所述信号监测单元相同或不同；

优选地，所述触摸层由若干触摸单元构成，所述分立的电极单元贴合在所述触摸单元的下表面；

优选地，各所述触摸单元为分立的或部分连接形成图形排列，每个所述触摸单元相同或不同；

优选地，所述触摸单元与所述电极单元的形状和尺寸基本一致，并且每个触摸单元的下表面对应贴合一个所述电极单元；

优选地，还包括隔离层，用于填充相邻的所述电极单元和相邻的所述触摸单元之间的空隙；

优选地，所述隔离层为摩擦电中性的物质；

优选地，所述触摸层和感测电极层为硬质材料或柔性材料；

优选地，所述等电位源通过接地或由外部补偿电路提供；

优选地，所述与等电位源的电连接通过所述信号监测元件或加载电阻实现；

优选地，所述加载电阻的阻值为1MΩ-200MΩ；

优选地，包含2个以上所述加载电阻，并且每个加载电阻相同或不同。

本发明还提供一种与前述触摸传感器配合使用的触摸笔，其特征在于所述触摸笔包括与所述触摸层相接触的触点，并且触点材料与所述触摸层材料的摩擦电特性不同；

优选所述触点材料为绝缘体、半导体或导体；

优选地，所述绝缘体为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯和聚异丁烯；

优选地，所述触点与所述触摸层相接触的表面尺寸大于或基本等于所述感测电极层中电极单元的与所述触摸层贴合部分的尺寸。

本发明还提供一种前述触摸传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)准备触摸层；

(2)准备所需的感测电极层，将其与信号监测元件的一个输入端电连接；

(3)将信号监测单元的另一个输入端与等电位源电连接；

(4)将触摸层贴合在感测电极层的上表面，使二者紧密接触；

优选地，所述步骤(2)为将多个电极单元进行图形化排列，并将每个所述电极单元均与所述信号监测单元进行电连接；

优选地，所述感测电极层为金属材料，并且步骤(2)为在触摸层的下表面通过沉积、磁控溅射、蒸镀或印刷打印技术制备所述感测电极层，并将其与信号监测元件的一个输入端电连接，同时步骤(4)省略；

优选地，步骤(3)之后还包括步骤(3-1)，在所述感测电极层和等电位源之间连接加载电阻，使其与所述信号监测元件并联或串联。

与现有技术相比，本发明的单电极触摸传感器具有下列优点：

1、首次制作了基于单电极摩擦电发电机的自驱动触摸传感器。该传感器不需要外部的供电单元，主要依靠手指或触控笔与触摸层材料的接触、分离和滑动来触发摩擦电发电机发出信号，从而实现对触摸动作的实时记录和监控。

2、该触摸传感器具有结构简单、易于制作的优点，能够方便的应用于手机、平板电脑等智能电子设备和人机交互界面中。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明触摸传感器的一种典型结构示意图；

图2为本发明触摸传感器对接触-分离动作的传感工作原理图；

图3为本发明触摸传感器的另一种典型结构示意图；

图4为本发明触摸传感器对滑动动作的传感工作原理图；

图5为本发明触摸传感器的另一种典型结构示意图；

图6为本发明触摸传感器的另一种典型结构示意图；

图7为本发明触摸传感器的另一种典型结构示意图；

图8为图7所示结构对滑动动作的传感工作原理图；

图9为本发明触摸传感器的另一种典型结构示意图；

图10为本发明触摸传感器响应信号随施加压力变化的示意图；

图11为本发明实施例2所制备的触摸传感器的实物照片；

图12为本发明实施例2所制备的触摸传感器对手指接触和离开的响应信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

图1所示的是本发明触摸传感器的一种典型结构：依次包括触摸层10、一端与等电位源40电连接的感测电极层20和信号监测元件30，其中感测电极层20贴合于触摸层10的下表面，感测电极层20与信号监测元件30电连接。为了方便说明，以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。

本发明的发电机工作原理参见图2进行说明，由于工作原理仅与触摸动作的施加者和触摸层之间相互接触的部分有关，因此图2中仅对二者实际发生接触的部分表面进行描述。当触摸动作的施加者100，例如手指接触触摸层10时，由于皮肤与触摸层10的摩擦电性质不同，二者之间存在得电子能力的差异，以皮肤失电子能力较强为例，二者接触后接触表面的微结构之间会产生微小的切向滑动，从而形成摩擦产生表面电荷，其中皮肤表面带有正电荷，而触摸层10的表面则带负电荷(参见图2-a)。当手指100离开后，破坏了在皮肤和触摸层10表面电荷的平衡，电子会从感测电极层20向等电位源40流动，信号监测元件30可以监测到相应的电信号输出(参见图2-b)。当手指100与触摸层10完全分离后，电荷达到平衡没有电子流动(参见图2-c)。当手指100再次向触摸层10表面靠近时，将导致电子从等电位源40向感测电极层20流动，向信号监测元件30输出相反方向的电流(参见图2-d)。当手指100与触摸层10再次完全接触后，由于表面电荷呈平衡状态，并没有电子在外电路中流动，观察不到电流输出(参见图2-a)。

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。

以下聚合物材料均可用于本发明的触摸层10中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当触摸层10的材料与触摸动作的施加者之间得电子能力相差越大时，摩擦电发电机输出的电信号越强，所以，当触摸动作的施加者材料可以确定的情况下，可以根据上面列出的顺序选择合适的聚合物材料作为触摸层10，以获得最佳的电信号输出性能。

为了提高摩擦电发电机的输出性能，优选在触摸层10的上表面，即没有设置感测电极层20的表面，全部或部分设置微纳结构，以增加触摸层10和触摸动作施加者100的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度，该微纳结构优选为纳米线、微米线、纳米颗粒、纳米棒、微米棒、纳米管、微米管、纳米花，以及由这些结构组成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。该阵列可以是通过光刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个微纳结构单元的尺寸在纳米到微米量级，优选为10nm-50μm，更优选为50nm-10μm，更优选为100nm-5μm，具体微微纳结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。

触摸层10一般为单层的薄层或薄膜，厚度在100nm-1mm之间，优选500nm-800μm，更优选10μm-500μm。可以使用市售的薄膜，也可以通过旋涂等方法制备。

触摸动作施加者一般为手或触摸笔，其中手指的皮肤在干燥时可能呈绝缘状态，在潮湿的条件下可能为导体。但是，无论在任何状态下，与非皮肤的触摸层10材料相比，其摩擦电特性都会具有较大差异，因此由其施加的触摸动作都会产生明显的信号输出。如果使用触摸笔，则需要注意触摸笔与触摸层相接触的触点材料应与触摸层10的材料不同，最好二者的摩擦电特性有较大区别，以便使传感器更为灵敏。但是并不限定触摸笔的触点材料必须为导体、半导体或绝缘体，因为在这几类材料中均存在与摩擦层10材料的摩擦电特性差别较大的材料，而且还要根据摩擦层10材料的改变来做调整。例如，触摸层10为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，触摸笔的触点材料可以为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯和聚异丁烯等。在本发明已经给出了摩擦层10与触摸笔触点材料之间的作用原理以及选材原则的基础上，本领域的技术人员很容易通过简单的实验来具体确定二者的材料种类。因此，对触摸动作施加者触点材料的选择都属于本发明的保护范围。

感测电极层20由导电材料构成，所述的导电材料可选自金属、铟锡氧化物、有机物导体或掺杂的半导体，感测电极层20可以为平板、薄片或薄膜，其中薄膜厚度的可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，优选为100nm-500μm。本领域常用的材料为：金属，包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；由选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的两种或多种所形成的合金；导电氧化物，例如氧化铟锡ITO；有机物导体一般为导电高分子，包括自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和/或聚噻吩。感测电极层20可通过直接贴合或沉积等常规方式贴合在触摸层10的下表面，以形成紧密接触。

本发明并不限定触摸层10和感测电极层20必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度对触摸动作的感知和电信号的输出效果并没有明显影响。如需摩擦面维持平面，还可以通过其他部件的支撑来实现。因此，本领域的技术人员可以根据实际情况来选择触摸层10和感测电极层20的材料硬度。

感测电极层20与等电位源40形成电连接是本发明传感器正常工作的关键，该等电位源可以通过接地提供，也可以由外部的补偿电路来提供。本发明中所称的“接地”是指连接到能提供或接受大量电荷的物体上，其中的“地”是指任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质，例如舰船、运载工具或电子设备的金属外壳等。所述的电连接既可以直接通过信号监测元件30实现，也可以通过连接加载电阻来实现(参见图3-b，标记为701、702、……和705的即为加载电阻)，即感测电极层20通过该加载电阻与等电位源40实现电连接，需要供电或进行信号监测的信号监测元件30通过与该加载电阻并联或串联来监测电信号。加载电阻和信号监测元件30的电阻值对输出电压的影响较大，如果电阻值较大，则分配在负载和信号监测元件30上的电压就增大。一般选择其电阻值为1MΩ-200MΩ，优选10MΩ-100MΩ。

图3-a所示的是本发明触摸传感器的另一种典型结构，包括：触摸层10、一端与等电位源40电连接的感测电极层20和信号监测元件30，所述感测电极层20由若干贴合在触摸层10下表面的分立的电极单元201构成，每个电极单元201均与信号监测元件30形成电连接。该传感器各部件的选择原则均与图1所述的方式相同，此处不再赘述。

对于电极单元201，其材料的选择和厚度与前述的感测电极20相同，优选为薄膜，最好通过沉积的方式在触摸层10的下表面制备。每个电极单元201可以是规则图形，也可以是不规则图形，具体可根据需要进行选择。优选规则图形，特别是中心对称图形，以利于整体布图设计，例如三角形、正方形、菱形、正六边形、正八边形等规则多边形，也可以是圆形。图5和图6分别是电极单元201为正方形和正六边形时的布局设计。这两种布局都是将触摸层10的下表面铺满电极单元201，目的是对整个触摸层10进行触摸感测，为此需要在边角处补充其他形状的电极单元，例如梯形的电极单元202和三角形的电极单元203。还可以采取在触摸层10的部分下表面设置电极单元201，以实现仅对需要监测位置的触摸传感。所有电极单元的尺寸和形状可以相同，也可以不同，根据布局需要能够进行各种调整。

电极单元201与触摸层10贴合部分的尺寸和相邻电极单元201之间的间距均与触摸传感器的精度相关。在相同面积的触摸层10下，排布的电极单元201越多，对于接触位置的定位越精确；另一方面，电极单元201的尺寸越大，电信号的输出越强；同时，电极单元201的尺寸还应与触摸动作施加者，例如手指或触摸笔，在施加触摸动作时与触摸层10接触的表面尺寸匹配，优选二者的尺寸可比，更优选二者接近或触摸动作施加者在施加触摸动作时与触摸层10接触的表面尺寸大于或基本等于电极单元201与触摸层10贴合部分的尺寸。

本实施方式除了与图1所示的方式类似，能够对接触-分离式的触摸动作产生传感信号之外，还能够监测滑动式的触摸动作。其原理如图4所示：当触摸动作的施加者100与触摸层10接触后，由于接触摩擦效应，触摸动作施加者100的下表面产生正电荷，而触摸层10与之相应的部分产生等量的负电荷(参见图4-a)；当触摸动作施加者100在触摸层10的上表面沿箭头方向滑动时，由于二者接触面的变化而导致表面电荷发生失配，为了平衡由此产生的电势差，负电荷由电极单元201流向等电位源40，从而在信号监测元件30上有电信号输出，该信号监测元件30通过定位功能即可显示出在该位置有触摸活动(参见图4-b)；触摸动作施加者100继续沿箭头方向滑动并完全与左侧第一个电极单元201分离后，该电极单元201上感应出等量的正电荷，以平衡所对应的触摸层10上留下的表面电荷，而触摸动作施加者100与触摸层10之间则又重复之前步骤a的动作，即在二者的接触表面通过滑动摩擦形成等量的表面电荷(参见图4-c)。对于左侧第一个电极单元201及其所对应的触摸层10上的表面电荷、以及没有电极单元201对应的触摸层10上的表面电荷，在环境条件下均会慢慢消失，最终恢复到没有摩擦的初始状态，该恢复过程产生的微弱电流可以作为噪音予以屏蔽，对传感器的正常工作不会造成任何影响。

图3-b是在触摸传感器中连接加载电阻的典型结构，其主要结构均与图3-a相同，区别仅在于每个电极单元201均通过一个加载电阻与等电位源40实现电连接，而多个信号监测单元(附图标记为301、302、303、304和305)分别与加载电阻并联。这种方式可以通过调整加载电阻的阻值，来方便的控制输出信号的强弱。当含有2个以上加载电阻时，这些加载电阻可以相同也可以不同，加载电阻的阻值增加会使输出电压增加，使用者可以根据实际的需要来调整与不同位置的电极单元201相连的加载电阻，以使输出信号满足需要。

图5所示的是本发明触摸传感器的另一种典型结构，包括：触摸层10、一端与等电位源40电连接的感测电极层20和信号监测元件30，所述感测电极层20由若干贴合在触摸层10下表面的分立的电极单元201构成，每个电极单元201均与信号监测元件30形成电连接，所述信号监测元件30包含若干个信号监测单元，在图中分别以第一信号监测单元301、第二信号监测单元302和第三信号监测单元303表示。这些信号监测单元的类型可以相同，只是分别连接不同的电极单元201，这种方案适用于一个信号监测单元的监测通道数目不足的情况。当信号监测单元的监测通道数目足够时，每个信号监测单元都可以与所有电极单元201相连，但是这些信号监测单元的类型是不同的，例如第一信号监测单元301用于监测电流，第二信号监测单元302用于监测电压，第三信号监测单元303用于监测电流密度等等。这种方案能够同时获得多种信号，从而对触摸动作实现多维度的分析，使传感器的信号更为精准。至于信号检测单元的选择则是本领域的常规手段，本发明的要点不在于此，因此不再赘述。

图7所示的是本发明触摸传感器的另一种典型结构，包括：触摸层10、一端与等电位源40电连接的感测电极层20和信号监测元件30，所述触摸层10由若干触摸单元101构成，所述感测电极层20由若干贴合在触摸单元101下表面的分立的电极单元201构成，每个电极单元201均与信号监测元件30形成电连接。

其中，触摸单元101可以是分立的，也可以是部分连接形成一定图形排列的。同时，每个触摸单元可以相同也可以不同，例如对于一些敏感度要求较高的部位，可以采用表面具有微纳结构的材料，或者摩擦电特性与触摸动作施加者差别较大的材料；对于定位精度要求高的部位可以用小尺寸的触摸单元提高布局密度。在这些调整原则的指导下，本领域的技术人员可以根据实际情况对触摸单元101进行材料、尺寸和形状的组合，以达到合适的布局。

图7所示的电极单元201与触摸单元101的形状和尺寸基本一致，并且每个触摸单元101下表面对应贴合一个电极单元201，这只是一种具体的实施方式，实际在应用过程中并没有这种限制。电极单元201在每个触摸单元101的下表面既可以设置1个，也可以设置多个；其形状既可以和触摸单元101类似，也可以完全不同。

位于感测电极层20下表面的支撑元件50既可以是传感器本身的一部分，也可以由传感器的安装环境提供，因此并不必须属于传感器的组成部分。制作支撑元件50的材料最好是绝缘的，可以是硬质的也可以是柔性的，只要具备一定的机械强度，能够对触摸单元101和电极单元201进行支撑即可。

这种结构触摸传感器的工作原理如图8所示：当触摸动作的施加者100与触摸单元101接触后，由于接触摩擦效应，触摸动作施加者100的下表面产生正电荷，而触摸单元101的上表面则产生等量的负电荷(参见图8-a)；当触摸动作施加者100沿箭头方向滑动时，由于摩擦面积的变化而导致触摸单元101的表面电荷发生失配，为了平衡由此产生的电势差，负电荷由电极单元201流向等电位源40，从而在信号监测元件30上有电信号输出，该信号监测元件30通过定位功能即可显示出在第一个触摸单元101的位置有触摸活动(参见图8-b)；触摸动作施加者100继续沿箭头方向滑动并与左侧第一个触摸单元101完全分离后，与之相应的电极单元201上感应出等量的正电荷，以平衡触摸单元101上留下的表面电荷，而触摸动作施加者100与第二个触摸单元101之间则通过滑动摩擦又逐渐使第二个触摸单元101的上表面带上部分负电荷，(参见图8-c)；当触摸动作施加者100与第二个触摸单元101完全接触后，在第二个触摸单元101的上表面形成的表面电荷达到最多(参见图8-d)，当触摸动作施加者100继续沿箭头方向滑动时，则相当于重复步骤a-d的动作。

图9所示的实施方式与图7所示的类似，区别仅在于在相邻的电极单元201之间和相邻的触摸单元101之间的空隙处都填充了隔离层60。该隔离层60的作用是使触摸平面保持平整，同时增加其机械强度和寿命。最好选择摩擦电特性呈中性的材料制备，例如木板和有机玻璃。

本发明的触摸传感器不仅能够对触摸动作进行感知、定位，而且还能够感测触摸时施加的压力。以触摸层10为聚二甲基硅氧烷、感测电极层20为氧化铟锡ITO薄膜、按照图3所示方式组装形成的4×4传感器为例，研究了输出电信号对触摸压力的响应，结果如图10所示。其中，图10-a为本触摸传感器在工作时的实物照片。可以看出，按压不同电极单元201所对应的触摸层10部分，在信号检测元件30上会显示在相应位置有电信号输出，并且随着按压力度的增加，输出电压也逐渐增大(参见图10-b至图10-e，信号颜色越深，代表输出电信号越强，对应于按压力度的增加)。将该传感器固定在一个塑料圆筒上后(参见图10-f)，其传感特性依然没有发生变化，用手指在传感器的不同位置上施加不同的压力时，输出信号仍然有明显的差别(参见图10-g)。

采用如下方法制备本发明的触摸传感器：

(1)准备触摸层10；

(2)准备所需的感测电极层20，将其与信号监测元件30的一个输入端电连接；

(3)将信号监测单元30的另一个输入端与等电位源40电连接；

(4)将触摸层10贴合在感测电极层20的上表面，使二者紧密接触。

当手指等触摸动作施加者接触触摸层10的时候，由于皮肤和触摸层10材料摩擦电特性的不同，将导致传感器对外输出信号，通过信号监测元件30对这些信号进行实时采集，通过分析这些信号，我们可以知道触摸动作发生的位置。

如果感测电极20由多个电极单元201构成，步骤(2)则需要先将多个电极单元201按照所需图形排列，并将每个电极单元201均与信号监测单元30进行电连接，然后再进行步骤(3)。

如果信号监测元件30的电阻较小，则步骤(3)之后还包括步骤(3-1)，在所述感测电极层和等电位源之间连接加载电阻，使其与所述信号监测元件并联。

对于感测电极层20为金属材料的触摸传感器，优选步骤(2)为在触摸层10的下表面通过沉积、磁控溅射、蒸镀或印刷打印技术的方法制备感测电极层20，并将其与信号监测元件30的一个输入端电连接，同时步骤(4)省略。

实施例1：单感测电极触摸传感器的制备

切割一个长10cm×宽10cm×厚25μm的Al箔作为电极层，在电极层的上面通过旋涂的方法制作一层聚合物(PDMS)作为一种摩擦电材料。用铜导线连接Al箔，并和一个电阻相连接，电阻的另外一端接地。铜线也和一个电压表相连接，当用手触摸聚合物层PDMS时候，电压表有相应的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。当手和聚合物层PDMS分离的时候，有相反的电信号可以被观察到。

实施例2：多电极单元触摸传感器的制备

利用激光切割一个长10cm×宽10cm×厚1.59mm的有机玻璃作为器件的支撑元件。利用磁控溅射的方法，在支撑元件上制作16个长1cm×宽1cm透明的电极单元(ITO)阵列，从而形成感测电极层。用16根铜导线分别将16个电极单元与16个电阻连接，每个电阻的另外一端接地。同时，每个电阻均与一个电压测试装置并联。在感测电极层的上面制作一层聚合物材料聚二甲基硅氧烷PDMS，使其完全盖住整个电极阵列。当用手指接触电极单元上面的聚合物材料表面时，由于皮肤和聚合物层摩擦性质的不同，并可以对外输出电信号。通过对这些信号的采集，并可以实现对触摸的位置和压力进行探测。该系统直接利用摩擦发电机作为触发的传感器，不需要外部供电，可以有效的节约能源，并能长期稳定的工作。图11为本实施例的实物照片，图12为手指接触和离开时触摸传感器输出的电压信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (31)

1.一种单电极触摸传感器，其特征在于包括：

触摸层、一端与等电位源电连接的感测电极层和信号监测元件，

其中，所述感测电极层贴合于所述触摸层的下表面，

所述感测电极层与所述信号监测元件电连接；

触摸动作的施加者与所述触摸层的摩擦电性质不同，接触所述触摸层时，二者之间存在得电子能力的差异，二者接触后形成摩擦产生表面电荷，一个表面带有正电荷，另一个表面则带等量负电荷；当触摸动作的施加者离开所述触摸层或者在所述触摸层上滑动，由于二者接触面的变化而导致表面电荷发生失配，为了平衡由此产生的电势差，电子在所述感测电极层和所述等电位源之间流动，所述信号监测元件监测到相应的电信号。

2.如权利要求1所述的触摸传感器，其特征在于所述触摸层为单层的薄层或薄膜，厚度为100nm-1mm。

3.如权利要求2所述的触摸传感器，其特征在于所述厚度为500nm-800μm。

4.如权利要求1所述的触摸传感器，其特征在于所述触摸层选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷和聚四氟乙烯。

5.如权利要求1所述的触摸传感器，其特征在于所述触摸层的上表面全部或部分设置微纳结构。

6.如权利要求5所述的触摸传感器，其特征在于所述微纳结构选自纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花，以及由上述结构组成的阵列。

7.如权利要求5所述的触摸传感器，其特征在于所述微纳结构为线状、立方体或四棱锥单元组成的阵列，每个单元的尺寸为10nm-50μm。

8.如权利要求1所述的触摸传感器，其特征在于所述感测电极层选自金属、合金、导电氧化物和有机物导体。

9.如权利要求8所述的触摸传感器，其特征在于所述金属为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒；所述合金为选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬和硒中的两种或多种所形成的合金，所述导电氧化物为氧化铟锡ITO；所述有机物导体为自聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺或聚噻吩。

10.如权利要求8所述的触摸传感器，其特征在于所述感测电极层为平板、薄片或薄膜，所述薄膜的厚度为10nm-5mm。

11.如权利要求1-10任一项所述的触摸传感器，其特征在于所述感测电极层由若干贴合在所述触摸层下表面的分立的电极单元构成，每个所述电极单元均与所述信号监测元件形成电连接。

12.如权利要求11所述的触摸传感器，其特征在于每个所述电极单元为规则或不规则图形，并且各所述电极单元的尺寸和形状相同或不同。

13.如权利要求11所述的触摸传感器，其特征在于所述信号监测元件包含若干个信号监测单元，各所述信号监测单元相同或不同。

14.如权利要求11所述的触摸传感器，其特征在于所述触摸层由若干触摸单元构成，所述分立的电极单元贴合在所述触摸单元的下表面。

15.如权利要求14所述的触摸传感器，其特征在于各所述触摸单元为分立的或部分连接形成图形排列，每个所述触摸单元相同或不同。

16.如权利要求14所述的触摸传感器，其特征在于所述触摸单元与所述电极单元的形状和尺寸基本一致，并且每个触摸单元的下表面对应贴合一个所述电极单元。

17.如权利要求14所述的触摸传感器，其特征在于还包括隔离层，用于填充相邻的所述电极单元和相邻的所述触摸单元之间的空隙。

18.如权利要求17所述的触摸传感器，其特征在于所述隔离层为摩擦电中性的物质。

19.如权利要求1-10任一项所述的触摸传感器，其特征在于所述触摸层和感测电极层为硬质材料或柔性材料。

20.如权利要求1-10任一项所述的触摸传感器，其特征在于所述等电位源通过接地或由外部补偿电路提供。

21.如权利要求1-10任一项所述的触摸传感器，其特征在于所述与等电位源的电连接通过所述信号监测元件或加载电阻实现。

22.如权利要求21所述的触摸传感器，其特征在于所述加载电阻的阻值为1MΩ-200MΩ。

23.如权利要求21所述的触摸传感器，其特征在于包含2个以上所述加载电阻，并且每个加载电阻相同或不同。

24.一种与权利要求1-23任一项所述的触摸传感器配合使用的触摸笔，其特征在于所述触摸笔包括与所述触摸层相接触的触点，并且触点材料与所述触摸层材料的摩擦电特性不同。

25.如权利要求24所述的触摸笔，其特征在于所述触点材料为绝缘体、半导体或导体。

26.如权利要求25所述的触摸笔，其特征在于所述绝缘体为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯或聚异丁烯。

27.如权利要求24-26任一项所述的触摸笔，其特征在于所述触点与所述触摸层相接触的表面尺寸大于或基本等于所述感测电极层中电极单元与所述触摸层贴合部分的尺寸。

28.一种制备方法，用于制备权利要求1-23任一项所述的触摸传感器，其特征在于包括如下步骤：

(1)准备触摸层；

(2)准备所需的感测电极层，将其与信号监测元件的一个输入端电连接；

(3)将信号监测单元的另一个输入端与等电位源电连接；

(4)将触摸层贴合在感测电极层的上表面，使二者紧密接触。

29.如权利要求28所述的制备方法，其特征在于步骤(2)为将多个电极单元进行图形化排列，并将每个所述电极单元均与所述信号监测单元进行电连接。

30.如权利要求28或29所述的制备方法，其特征在于所述感测电极层为金属材料，并且步骤(2)为在触摸层的下表面通过沉积、磁控溅射、蒸镀或印刷打印技术制备所述感测电极层，并将其与信号监测元件的一个输入端电连接，同时步骤(4)省略。

31.如权利要求28或29所述的制备方法，其特征在于步骤(3)之后还包括步骤(3-1)，在所述感测电极层和等电位源之间连接加载电阻，使其与所述信号监测元件并联或串联。