CN105653097A - 一种压力感应屏及其压力探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力感应屏及其压力探测方法,通过将压力感应板设置为包括触控感应板、感应电阻和温度延缓层,其中触控感应板用于探测触碰动作,而温度延缓层用于延缓温度传递到感应电阻的导热时间,使得力传传递时间和热传递时间存在差别,由于通过温度延缓层延长了温度传递到感应电阻的导热时间,导热时间较大,因此,只要在导热时间内探测感应电阻的电阻值变化,就能够避免温度对探测结果的影响,从而使压力探测更加准确;而且不需要采用电桥方式进行驱动,仅仅增设了温度延缓层,而温度延缓层也可以由触控感应板的板体形成,因此,这种压力感应屏的结构也相当简单。
Description
技术领域
本发明涉及压力探测领域,尤其涉及一种压力感应屏及其压力探测方法。
背景技术
根据压力感应板内部应力变化,计算出感应电阻的电阻值变化,从而计算出压力感应板受到的压力,这是现有较为成熟的压力探测技术,例如,公开号为CN104880266A、CN104866134A等的专利申请都是基于这种技术。然而,由于手指的按压将人体温度传递到压力感应板内部,对感应电阻的电阻值变化产生较大影响,为了克服温度变化的影响,目前的压力感应板都需要采用相互重叠、至少两层的感应电阻结构,而且这些感应电阻需要采用电桥等电路进行驱动,其导致结构以及电路设计非常复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压力感应屏及其压力探测方法,这种压力感应屏不仅结构简单,而且能够克服温度对压力探测结果的影响,压力探测更加准确。采用的技术方案如下:
一种压力感应屏,包括压力感应板和探测电路,其特征是:所述压力感应板包括能够探测触碰动作的触控感应板、至少一个电阻值能够根据压力感应板内部应力变化而变化的感应电阻、温度延缓层;感应电阻设置在触控感应板的内侧,温度延缓层设置在感应电阻与触控感应板表面之间。
上述温度延缓层一般采用厚度为0.15~1.0mm的玻璃、石英、塑料或蓝宝石材料。
通过将压力感应板设置为包括触控感应板、感应电阻和温度延缓层,其中触控感应板用于探测触碰动作,而温度延缓层用于延缓温度传递到感应电阻的导热时间,使得力传传递时间和热传递时间存在差别,由于通过温度延缓层延长了温度传递到感应电阻的导热时间,导热时间较大,因此,只要在导热时间内探测感应电阻的电阻值变化,就能够避免温度对探测结果的影响,从而使压力探测更加准确;而且不需要采用电桥方式进行驱动,仅仅增设了温度延缓层,而温度延缓层也可以由触控感应板的板体形成,因此,这种压力感应屏的结构也相当简单。
作为本发明的优选方案,还包括温度传感器,温度传感器设置在所述压力感应板的内侧面。通过设置温度传感器,可根据温度传感器所感应的温度及人体的标准体温确定导热时间,进一步根据环境温度,动态地对导热时间进行设定,使压力探测结果更加准确。
作为本发明的优选方案,还包括缓存模块,缓存模块与所述探测电路电连接。缓存模块缓存有本次按压之前的感应电阻的电阻值,通过利用触控感应板提供的触碰信息,而本次按压之间的感应电阻处一般呈现为不受手指影响的自然降温(或恒温)过程,其具有较简单的温度变化规律,容易将这种规律推导至本次按压中,以扣除本次按压由于先前温度变化引起的动态电阻值变化量,由此,可进一步提高系统的动态分析能力,防止非手指引起的温度变化导致的影响,例如,可以防止手指撤掉按压之后,出现回温的动态变化对压力测量结果造成的影响。
一种压力探测方法,其特征在于包含如下步骤:
(1)设置一压力感应屏,压力感应屏包括压力感应板和探测电路,其中,压力感应板包括能够探测触碰动作的触控感应板、至少一个电阻值能够根据压力感应板内部应力变化而变化的感应电阻、温度延缓层;感应电阻设置在触控感应板的内侧,温度延缓层设置在感应电阻与触控感应板表面之间;
(2)设置温度延缓层的导热时间t;
(3)探测电路探测手指在触控感应板上的触碰动作,并定义手指在触控感应板上的触碰时间点为第一时间点;
(4)设置第一时间窗口,第一时间窗口以第一时间点为起点,第一时间窗口的长度小于导热时间t;
(5)记录下感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量;
(6)分析感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量,得到手指在压力感应板之上的压力值。
当手指按压在压力感应板之上时,由于温度延缓层的存在,使得力传传递时间和热传递时间存在差别,在第一时间窗口之内,手指的温度几乎没有传递到感应电阻上,影响感应电阻的电阻值变化的主要因素是手指的按压力,而不是手指的温度。因此,在充分利用触控感应板提供的手指触碰信息的基础上,通过在第一时间窗口对感应电阻的电阻值变化量进行分析,将手指温度的影响排除在外,能够更准确地得出手指按压力的大小,克服了温度对压力探测结果的影响,不需要构建由多层电极以及多个电阻的电桥结构,大大地降低了压力感应板结构以及相应探测电路的复杂性。
作为本发明的优选方案,所述导热时间t设置为:自手指触碰在所述感应电阻正上方,感应电阻的温度变化量增加到手指与压力感应板之间温度差的3%~7%所需的时间。手指触碰在感应电阻正上方是手指表面与压力感应板的接触面积大于0.5cm2。将感应电阻的温度变化量增加到手指与压力感应板之间温度差的3%~7%所需的时间设置为导热时间t,保证在第一时间窗口之内,由手指温度(即是人体体温)所导致的感应电阻的温度变化量不超过手指与压力感应板之间温度差的3%~7%,使得由于温度导致的电阻漂移效应对压力探测结果的影响非常小。
作为本发明的优选方案,所述压力感应屏还包括温度传感器,温度传感器设置在所述压力感应板的内侧面;所述导热时间t设置为温度传感器探测到温度Tt与手指温度Tb的差(Tt-Tb)的绝对值的函数。通过增设温度传感器,能够进一步根据环境温度,动态地对导热时间进行设定,导热时间t设置为温度传感器探测到温度Tt与手指温度Tb的差(Tt-Tb)的绝对值的函数,例如,,其中,手指的温度Tb(采用人体的标准体温)可以设定为36.5摄氏度,k为根据温度延缓层的质材而设定的一因数,具体来说,k可按照表进行取值:
温度延缓层 | k (秒*摄氏度) |
0.55mm玻璃 | 3~7 |
0.2mm玻璃 | 1~5 |
0.4mm 石英 | 0.5~32 --> |
0.3mm PMMA(有机玻璃) | 5~9 |
0.4mm 蓝宝石 | 2~6 |
作为本发明的优选方案,在所述步骤(6)中,分析感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量的最大值,并将其换算为手指在压力感应板上的压力值。一般来说,电阻值变化量的最大变化都可以反映出手指在压力感应板上的压力值,采用这种取最大值的方法,不仅准确,而且简单、效率高。
作为本发明的优选方案,所述压力感应屏还包括缓存模块,缓存模块与所述探测电路电连接,缓存模块至少缓存有本次按压之前的第二时间窗口所对应的感应电阻的电阻值,并且当探测电路探测到手指在压力感应板表面具有触碰动作时,在所述步骤(3)~(6)中,进一步根据缓存模块所缓存的电阻值,反推出第一时间窗口中非触碰动作产生的电阻值变化量,并在步骤(6)中,扣除由非触碰动作产生的电阻值变化量,以得到由触碰生产的电阻值变化量。通过利用触控感应板提供的触碰信息,进一步定义了第二时间窗口,在第二时间窗口中,感应电阻处一般呈现为不受手指影响的自然降温(或恒温)过程,其具有较简单的温度变化规律,容易将这种规律推导至第一时间窗口之内,以扣除第一时间窗口之内由于温度变化引起的动态电阻值变化量,由此,可进一步提高系统的动态分析能力,防止非手指引起的温度变化导致的影响,例如,可以防止手指撤掉按压之后,出现回温的动态变化对压力测量结果造成的影响。
作为本发明进一步的优选方案,采用拟合函数对所述第二时间窗口中的感应电阻的电阻值变化量进行降温时间拟合,将拟合函数应用于所述第一时间窗口中,并且在所述步骤(6)中,以测量感应电阻的电阻值转化函数减去拟合函数的值,得到由手指按压导致的响应函数,并分析响应函数,以得到手指在力学感应板表面的按压力。
作为本发明更进一步的优选方案,所述拟合函数为以时间为变量的指数函数,其中,k和t0的值通过拟合得到。将拟合函数设置为以时间为变量的指数函数,指数函数一般更加符合感应电阻的降温规律,因此能够进行更加准确的拟合。
作为本发明的优选方案,所述触控感应板的探测次数大于或等于每秒20次。具体来说,可以采用探测刷新率超过20Hz的触控感应板及其驱动电路的设计,由此,探测时间与实际时间的差别不超过0.05s,以保证上述时间窗口位置的准确。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
通过增设温度延缓层,在充分利用触控感应板提供的手指触碰信息的基础上,通过在第一时间窗口对感应电阻的电阻值变化量进行分析,将手指温度的影响排除在外,能够更准确地得出手指按压力的大小,克服了温度对压力探测结果的影响,不需要构件由多层电极以及多个电阻的电桥结构,大大地降低了压力感应板结构以及相应探测电路的复杂性。
附图说明
图1是本发明压力感应屏的结构示意图;
图2是感应电阻的具体结构示意图;
图3是按压时感应电阻的电阻值变化示意图;
图4是通过电阻值转化函数,将电阻值变化量的最大值换算为压力值的示意图;
图5是通过第二时间窗口,反推出第一时间窗口中非触碰动作产生的电阻变化的示意图;
图6是通过响应函数表示按压时感应电阻的电阻值变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和本发明的优选实施方式做进一步的说明。
实施例一
如图1所示,这种压力感应屏,包括压力感应板1、探测电路(图1中未画出)和温度传感器(图1中未画出),温度传感器设置在压力感应板1的内侧面,其中,压力感应板1包括能够探测触碰动作的触控感应板101、多个电阻值能够根据压力感应板1内部应力变化而变化的感应电阻102、温度延缓层103,触控感应板101的探测次数大于每秒20次;感应电阻102设置在触控感应板101的内侧,温度延缓层103设置在感应电阻102与触控感应板101表面之间。
具体来说,如图1所示,压力感应板1由第一板体11、第二板体12相互粘合而成,其中第一板体11内侧设有基于电容触控原理的触摸感应电极13,触摸感应电极13连接有整屏刷新率超过20Hz的电容触摸驱动电路(图1中未画出),第一板体11及其上的触摸感应电极13构成触控感应板101,第二板体12内侧设有感应电阻102,第一板体11、第二板体12构成了上述温度延缓层103,能够减缓感应电阻102处手指导致的温度变化。除了图1这种结构,感应电阻102作为一薄层,感应电阻102还可以设置在压力感应板1内部或内侧的任何一层面上,而压力感应板1也可以根据触控感应层和感应电阻层的需要,设置相应的板体结构(如单层板、双层板或多层板),优选地,感应电阻102可以与触摸感应电极13设置在同一层面上,以简化整体的结构,无论何种情况,感应电阻层与压力感应板表面之间的板体结构,都构成了一温度延缓层。
如图2的图2A~图2E所示,感应电阻102的具体结构可以根据所需要的电阻值,设计不同的长度、宽度或者迂回结构。
压力感应板1可以为玻璃、蓝宝石、钻石、SiO2或者类似聚对苯二甲酸乙二醇脂(PET)或者环烯聚合物(COP)的透明聚合物制作而成的板体。触摸感应电极13以及感应电阻102的材料可以为透明导电材料,如聚3,4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、铟-锡氧化物(ITO)、碳纳米管、石墨烯、镓锌氧化物、铟镓锌氧化物、其它掺杂的或无日期(undated)的金属氧化物、压阻半导体材料、压阻金属材料、银纳米线、铂纳米线,镍纳米线、其它金属纳米线等,或者为非透明导电材料,如康铜、卡马(Karma)合金、掺杂多晶硅或非晶硅或单晶硅或者用于导电部件的其它半导体材料。
一种基于上述压力感应屏的压力探测方法,包含如下步骤:
(1)设置上述压力感应屏;
(2)设置温度延缓层103的导热时间t;
具体来说,导热时间t设置为:自手指触碰在感应电阻102正上方,感应电阻102的温度变化量增加到手指与压力感应板1之间温度差的3%~7%所需的时间,其中手指触碰在感应电阻102正上方是手指表面与压力感应板1的接触面积大于0.5cm2;或者,更加简单地,对于温度延缓层103为0.15~1.0mm厚度的玻璃、石英、塑料或蓝宝石材料构成的层的情况,导热时间可在0.001~0.2s之间取值;另外,通过在压力感应板1的背面设置的温度传感器,根据温度传感器所感应的温度及人体的标准体温确定一导热时间,具体来说,通过增设温度传感器,能够进一步根据环境温度,动态地对导热时间进行设定,导热时间t设置为温度传感器探测到温度Tt与手指温度Tb的差(Tt-Tb)的绝对值的函数,例如,,其中,手指的温度Tb(采用人体的标准体温)可以设定为36.5摄氏度,k为根据温度延缓层103的质材而设定的一因数,具体来说,k可按照表进行取值:
温度延缓层 | k (秒*摄氏度) |
0.55mm玻璃 | 3~7 |
0.2mm玻璃 | 1~5 |
0.4mm 石英 | 0.5~3 |
0.3mm PMMA(有机玻璃) | 5~9 |
0.4mm 蓝宝石 | 2~6 |
(3)如图3所示,探测电路探测手指在触控感应板上的触碰动作,并定义手指在触控感应板上的触碰时间点为第一时间点t0;
(4)如图3所示,设置第一时间窗口,第一时间窗口以第一时间点t0为起点,第一时间窗口的长度小于导热时间t;
(5)如图3所示,记录下感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量;
(6)如图3、图4所示,分析感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量的最大值,并根据预先设定好的电阻值转化函数,将电阻值变化量的最大值换算为手指在压力感应板1上的压力值。
实施例二
如图5、图6所示,在其它部分均与实施例一相同的情况下,其区别在于:压力感应屏还包括缓存模块(图1中未画出),缓存模块与探测电路电连接,缓存模块至少缓存有本次按压之前(即是第一时间点t0之前)的第二时间窗口所对应的感应电阻102的电阻值,并且当探测电路探测到手指在压力感应板1表面具有触碰动作时,在步骤(3)~(6)中,进一步根据缓存模块所缓存的电阻值,反推出第一时间窗口中非触碰动作产生的电阻值变化量,并在步骤(6)中,扣除由非触碰动作产生的电阻值变化量,以得到由触碰生产的电阻值变化量;并且采用拟合函数对所述第二时间窗口中的感应电阻的电阻值变化量进行降温时间拟合,拟合函数为以时间为变量的指数函数,其中,k和t0的值通过拟合得到,将拟合函数应用于所述第一时间窗口中,并且在步骤(6)中,以测量感应电阻的电阻值转化函数减去拟合函数的值,得到由手指按压导致的响应函数,并分析响应函数,以得到手指在力学感应板表面的按压力。
此外,需要说明的是,本说明书中所描述的具体实施例,其各部分名称等可以不同,凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化,均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压力感应屏,包括压力感应板和探测电路,其特征在于:所述压力感应板包括能够探测触碰动作的触控感应板、至少一个电阻值能够根据压力感应板内部应力变化而变化的感应电阻、温度延缓层;感应电阻设置在触控感应板的内侧,温度延缓层设置在感应电阻与触控感应板表面之间。
2.如权利要求1所述的压力感应屏,其特征在于:还包括温度传感器,温度传感器设置在所述压力感应板的内侧面。
3.如权利要求1所述的压力感应屏,其特征在于:还包括缓存模块,缓存模块与所述探测电路电连接。
4.一种压力探测方法,其特征在于包含如下步骤:
(1)设置一压力感应屏,压力感应屏包括压力感应板和探测电路,其中,压力感应板包括能够探测触碰动作的触控感应板、至少一个电阻值能够根据压力感应板内部应力变化而变化的感应电阻、温度延缓层;感应电阻设置在触控感应板的内侧,温度延缓层设置在感应电阻与触控感应板表面之间;
(2)设置温度延缓层的导热时间t;
(3)探测电路探测手指在触控感应板上的触碰动作,并定义手指在触控感应板上的触碰时间点为第一时间点;
(4)设置第一时间窗口,第一时间窗口以第一时间点为起点,第一时间窗口的长度小于导热时间t;
(5)记录下感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量;
(6)分析感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量,得到手指在压力感应板之上的压力值。
5.如权利要求4所述的压力探测方法,其特征在于:所述导热时间t设置为:自手指触碰在所述感应电阻正上方,感应电阻的温度变化量增加到手指与压力感应板之间温度差的3%~7%所需的时间。
6.如权利要求4所述的压力探测方法,其特征在于:所述压力感应屏还包括温度传感器,温度传感器设置在所述压力感应板的内侧面;所述导热时间t设置为温度传感器探测到温度Tt与手指温度Tb的差(Tt-Tb)的绝对值的函数。
7.如权利要求4所述的压力探测方法,其特征在于:在所述步骤(6)中,分析感应电阻在第一时间窗口之内的电阻值变化量的最大值,并将电阻值变化量的最大值换算为手指在压力感应板上的压力值。
8.如权利要求4所述的压力探测方法,其特征在于:所述压力感应屏还包括缓存模块,缓存模块与所述探测电路电连接,缓存模块至少缓存有本次按压之前的第二时间窗口所对应的感应电阻的电阻值,并且当探测电路探测到手指在压力感应板表面具有触碰动作时,在所述步骤(3)~(6)中,进一步根据缓存模块所缓存的电阻值,反推出第一时间窗口中非触碰动作产生的电阻值变化量,并在步骤(6)中,扣除由非触碰动作产生的电阻值变化量,以得到由触碰生产的电阻值变化量。
9.如权利要求8所述的压力探测方法,其特征在于:采用拟合函数对所述第二时间窗口中的感应电阻的电阻值变化量进行降温时间拟合,将拟合函数应用于所述第一时间窗口中,并且在步骤(6)中,以测量感应电阻的电阻值转化函数减去拟合函数的值,得到由手指按压导致的响应函数,并分析响应函数,以得到手指在力学感应板表面的按压力。
10.如权利要求9所述的压力探测方法,其特征在于:所述拟合函数为以时间为变量的指数函数,其中,k和t0的值通过拟合得到。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |