CN107885404A - 基于表面电磁波的位置检测方法及位置传感器 - Google Patents
基于表面电磁波的位置检测方法及位置传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于表面电磁波的位置检测方法及位置传感器，本发明的位置检测方法用以确认处于一部件之上的物体的位置坐标，且该方法包括如下的实施步骤：s1，表面电磁波的输入，输入特定频率的表面电磁波；s2，构成输入的所述表面电磁波沿部件表面的自准直传播；s3，因所述物体的吸收及散射，而形成所述物体所处传播路径上的表面电磁波信号的衰减；s4，表面电磁波的输出，执行对自准直传播的所述表面电磁波的电导出；s5，信号处理，对输出的电信号进行处理，以由发生衰减的表面电磁波传播路径所对应的坐标获得所述物体的位置坐标。本发明的基于表面电磁波的位置检测方法提供了一种新的基于表面电磁波的位置检测方式，且具有很好的实用性。
Description
技术领域
本发明涉及位置检测技术领域，特别涉及一种基于表面电磁波的位置检测方法，本发明还涉及一种基于该位置检测方法下的基于表面电磁波的位置传感器。
背景技术
随着科技的发展和进步，位置的检测变的越来越不可或缺，如触摸屏中对触摸位置的检测，微流器件中对发生反应位置的实时检测等，其已在各个领域得到了广泛的应用。其中以应用最为广泛的触摸屏为例，其目前已广泛应用于手机、电视、电脑、打印机等电子及电控设备中，而常用于触摸屏主要有电容式、电阻式、表面声波和红外触摸屏。其中电容式和电阻式触摸屏是通过检测触摸位置处的直接的电信号的变化来确定具体触摸位置，其能够具有良好的精确度，而投射式电容屏以及表面电容屏的推出，则实现了多点同时检测的功能。
基于表面声波检测的触摸屏是通过检测触摸处的声波强度的变化来确认具体触摸位置。表面声波是一种沿弹性材料表面传播且振幅随深入表面深度指数衰减的波，在特定的基板上可以做到沿直线传播，其中特定的基板指具有压电性质的基板，因为声波的作用机理为物质的机械振动，压电基板的作用为将超声波在表面传播时的机械振动转换成电信号，换句话说，表面声波的传播是一种不断的振动压缩和解压缩的过程。对该机械振动过程有影响的物体的接触导致传播末端电信号的变化，映射到坐标轴上从而可实现对所对应的接触位置的检测。
基于红外检测方法的触摸屏通过检测触摸处的红外信号的变化来确认触摸位置，其在应用上任何能够散射或吸收红外信号的物体的触摸均会被识别。
虽然现有的基于电容、电阻、表面声波及红外检测方法在触摸屏上均能够实现触摸位置检测功能，并得到应用，但他们仍旧存在着如下的不足：
1、现有的基于电容和电阻位置检测方法的触摸屏均为多层触摸屏，校准工艺复杂，透光性能差，触摸屏分辨率低且触摸屏表面易损坏；
2、基于表面声波位置检测方法的触摸屏不能做成完全密封器件因此容易受到外界坏境的污染；工作基板必须是压电材料，限制了制作原料使用的范围；超声波波长较电磁波短，由于加工尺寸有限，表面超声波传播速度有限，从而在需要探测面积较大时限制了信号在单行或者单列的扫面周期，换句话说，基于该方法的探测面积有限；检测方法上，表面声波的检测原理限制了被检测的物质，从而限制了其应用范围。
3、现有的红外式触摸屏过于灵敏，而且触摸屏分辨率不高，会限制其的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于表面电磁波的位置检测方法，以期能够提供一种新的位置坐标的检测方式。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于表面电磁波的位置检测方法，所述位置检测方法用以确认处于一部件之上的物体的位置坐标，且所述位置检测方法包括如下的实施步骤：
s1，表面电磁波的输入，输入特定频率的表面电磁波；
s2，构成输入的所述表面电磁波沿所述部件表面的自准直传播；
s3，因所述物体的吸收及散射，而形成所述物体所处传播路径上的所述表面电磁波信号的衰减；
s4，表面电磁波的输出，执行对自准直传播的所述表面电磁波的电导出；
s5，信号处理，对输出的电信号进行处理，以由发生衰减的所述表面电磁波传播路径所对应的坐标获得所述物体的位置坐标。
进一步的，所述部件为介电基底，于所述介电基底的表面设有周期性导体图案，每个所述导体图案的特征尺寸为亚波长尺寸。
进一步的，自准直传播的所述表面电磁波的频率，以及所述物体位置坐标的分辨率被设计成可随对所述介电基底和/或所述导体图案结构的调节而改变。
进一步的，所述介电基底的相对介电常数为1～100。
进一步的，所述介电基底由透明或非透明的材料制成。
进一步的，所述导体图案的材料包括金属、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩，以及导电聚合物。
进一步的，所述导体图案的图形包括凹多边形、凸多边形、圆形、椭圆形和分形图形。
进一步的，所述分形图形的基本图形包括正方形、钻石形、十字形、H形和工字形。
进一步的，所述每个导体图案被设置在形成于所述介电基底表面的一个矩形区域内，且每个所述矩形区域的边长为50nm～10cm，各个所述矩形区域相互分隔。
进一步的，所述表面电磁波的输入及输出方式包括梯度超表面耦合、微带线耦合以及直接耦合。
进一步的，步骤s5中为将表面电磁波信号衰减额定阈值以上的所述表面电磁波传播路径所对应的坐标作为所述物体的位置坐标。
进一步的，所述物体的位置坐标为沿所述部件的一个方向上的一维坐标，或所述物体的位置坐标为沿所述部件的两个正交方向上的二维坐标。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明的基于表面电磁波的位置检测方法中，通过利用输入的表面电磁波的自准直传播，以及物体对表面电磁波的吸收和散射，而造成的表面电磁波信号的衰减，从而可由发生衰减的表面电磁波的传播路径所对应的坐标获得该物体的位置坐标，以提供一种新的基于表面电磁波的位置检测方式。
同时，本发明的基于表面电磁波的位置检测方法，其基于能够实现电磁表面波自准直人工超表面结构，即由介电基底及其上周期性导体图案所构成的主体结构，可实现单层结构特性，从而能够有效简化位置检测装置的制作和校准工艺。
而通过调节介电基底与导体图案的结构参数，本发明可改变位置检测的性能，不仅能够实现检测位置分辨率的调节，也可对检测装置的工作频率进行调整，以此可增加其适用范围。
此外，本发明的表面电磁波原理上不同于表面声波，表面声波是一种机械振动，而表面电磁波是一种存在于两种具有不同介电常数的物质界面之间，且沿垂直于界面方向指数衰减的，以准波的形式传播的电磁波，表面电磁波的本质仍然是电磁波，即由垂直于传播方向的同相的电场和磁场的相互作用产生的波。上述原理决定了表面声波依赖于压电材料，而表面电磁波仅依赖于材料的相对介电常数，因此电磁表面波的应用范围更广，非压电材料如液体等亦可作为表面电磁波出现的衬底，这使得表面电磁波可以应用到很多具有液体环境的位置检测中。
另外，在探测物质上，本发明的表面电磁波与表面声波也有很大的区别，表面电磁波对物质的介电常数敏感，从而可以通过调节表面电磁波衰减侧介质的相对介电常数做到对具有不同介电常数的物质的探测，以增加探测的可选择性和准确性。而且表面电磁波的相速度要远大于表面超声波，在工作频率下表面电磁波也具有无衍射性，这就能够降低表面电磁波传播过程中的能量损耗，从而可使得表面电磁波更有利于大面积的位置探测。
综上，本发明使用表面电磁波方式，可简化位置检测装置制作及校准工艺，能够具有较大的适用范围，可减少传播过程中的损耗，以及利用表面电磁波的特性还能够有效避免环境中声波与电磁波的干扰，而有着很好的实用性。
本发明的另一目的在于提出一种基于上述的位置检测方法下的基于表面电磁波的位置传感器，该位置传感器包括：
部件，用于承接物体，且所述部件可构成输入于所述部件表面的表面电磁波沿所述部件表面的自准直传播；
多个表面电磁波输入单元，所述多个表面电磁波输入单元设于所述部件的一侧，以构成对外部生成的特定频率的电磁波于所述部件表面的耦合，而形成输入于所述部件表面的表面电磁波；
多个表面电磁波输出单元，所述多个表面电磁波输出单元与所述表面电磁波输入单元一一对应而设于所述部件的相对的另一侧，且所述表面电磁波输出单元构成对自准直传播的表面电磁波的耦合接收、并对所述接收的表面电磁波进行向外部的电导出；
处理器，与所述表面电磁波输出单元连接，所述处理器用于对所述表面电磁波输出单元所输出的电信号进行处理，以获得处于所述部件之上的所述物体的位置坐标。
进一步的，所述部件为介电基底，于所述介电基底的表面设有周期性导体图案，每个所述导体图案的特征尺寸为亚波长尺寸。
进一步的，所述介电基底的相对介电常数为1～100。
进一步的，所述介电基底由透明或非透明的材料制成。
进一步的，所述导体图案的材料包括金属、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩，以及导电聚合物。
进一步的，所述导体图案的图形包括凹多边形、凸多边形、圆形、椭圆形和分形图形。
进一步的，所述分形图形的基本图形包括正方形、钻石形、十字形、H形和工字形。
进一步的，每个所述导体图案被设置在形成于所述介电基底表面的一个矩形区域内，且每个所述矩形区域的边长为50nm～10cm，各个所述矩形区域相互分隔。
进一步的，于所述介电基底的具有所述导体图案一侧覆设有保护层；所述保护层由透明或非透明的材料制成，且所述保护层的厚度为0～1cm。
进一步的，所述表面电磁波输入单元和所述表面电磁波输出单元包括可对表面电磁波进行耦合的梯度超表面、微带线。
进一步的，于所述部件的相正交的两个方向上的每个方向的相对两侧分别设置有对应布置的所述表面电磁波输入单元和所述表面电磁波输出单元。
本发明的基于表面电磁波的位置传感器提供了一种新的基于表面电磁波的位置检测方式，且其利用表面电磁波的特性，可简化位置检测装置制作及校准工艺，能够具有较大的适用范围，可减少传播过程中的损耗，能够有效避免环境中声波、电磁波的干扰，能够减少在传播过程中的损耗，而具有很好的实用性。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的基于表面电磁波的位置传感器的一种示例性结构；
图2为本发明实施例所述的微带线的一种示例性结构；
图3为本发明实施例所述的梯度超表面的一种示例性结构；
图4为本发明实施例所述的导体图案的一种示例性结构；
图5为本发明实施例所述的介电基底及导体图案的侧视图；
图6为介电基底与导体图案几何参数为Dx＝Dy＝5mm，a＝2mm，b＝c＝3.8mm，w1＝w2＝w3＝0.4mm，h＝1mm,t＝35μm，且介电基底相对介电常数为16时能带的等频图；
图7为本发明实施例所述的位置传感器样品的结构示意图；
图8为沿图7中x方向输入频率为6.34GHz频率时电场Ex分量的幅值分布，以及沿y方向输入频率为11.12GHz时电场Ex分量的幅值分布；
图9为本发明实施例所述的介电圆柱的结构示意图；
图10为本发明实施例所述的介电圆柱放置于传播路径上的示意图；
图11为本发明实施例所述的介电圆柱放置于传播路径两侧的示意图；
图12为沿图7中沿x方向输入频率为6.34GHz时不同相对介电常数的介电圆柱分别放置在如图10和图11所示的位置时输出信号和输入信号的比值(S21)，以及沿y方向输入频率为11.12GHz时不同相对介电常数的介电圆柱分别放置在如图10和图11所示的位置时输出信号和输入信号的比值(S21)；
图13为介电基底与导体图案几何参数为Dx＝Dy＝5mm，a＝1.4mm，b＝c＝3.8mm，w1＝w2＝w3＝0.4mm，h＝1mm,t＝35μm，且底板相对介电常数为16时能带的等频图；
图14为图13几何参数下的样品中，沿x方向输入频率为6.95GHz频率时电场Ex分量的幅值分布，以及沿y方向输入频率为11.28GHz时电场Ex分量的幅值分布；
图15为图13几何参数下的样品中，沿x方向输入频率为6.95GHz时不同相对介电常数的介电圆柱分别放置在如图10和图11所示的位置时输出信号和输入信号的比值(S21)，以及沿y方向输入频率为11.25GHz时不同相对介电常数的介电圆柱分别放置在如图10和图11所示的位置时输出信号和输入信号的比值(S21)；
图16为介电基底与导体图案几何参数为Dx＝Dy＝5mm，a＝2mm，b＝c＝3.8mm，w1＝w2＝w3＝0.4mm，h＝1mm,t＝35μm，且介电基底相对介电常数为3时能带的等频图；
图17为介电基底与导体图案几何参数为Dx＝Dy＝5mm，a＝2mm，b＝c＝3.8mm，w1＝w2＝w3＝0.4mm，h＝1.2mm,t＝35μm，且介电基底相对介电常数为3时能带的等频图；
图18为介电基底与导体图案几何参数为Dx＝Dy＝1mm，a＝0.4mm，b＝c＝0.76mm，w1＝w2＝w3＝0.08mm，h＝0.2mm,t＝35μm，介电基底相对介电常数为3时能带的等频图；
图19为图18几何参数下的样品中，沿x方向输入频率为63.35GHz频率时电场Ex分量的幅值分布，以及沿y方向输入频率为120.5GHz时电场Ex分量的幅值分布；
附图标记说明：
1-介电基底，2-导体图案，3-x向输入单元，4-y向输入单元，5-x向输出单元，6-y向输出单元，7-保护层，8-介电圆柱。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例涉及一种基于表面电磁波的位置传感器，该基于表面电磁波的位置传感器(以下简称位置传感器)用以确认处于一部件之上的物体的位置坐标，具体的，该位置传感器整体上包括如上所述的用于承载物体的部件，且所述部件由介电基底以及设置在介电基底表面的周期性导体图案构成，且每个导体图案的特征尺寸也为亚波长尺寸。本实施例的位置传感器还包括设置于介电基底一侧的多个表面电磁波输入单元，和相对于该表面电磁波输入单元位于介电基底的另一侧，并与表面电磁波输入单元一一对应的表面电磁波输出单元，以及与表面电磁波输出单元连接，以用于进行信号处理，而获得处于部件之上的物体的位置坐标的处理器。
其中，部件之中的介电基底构成了位置传感器的承载主体，表面电磁波输入单元用于将外部生成的电磁波耦合于介电基底的表面，进而形成表面电磁波。该介电基底优选的可为采用具有介电特性的板状结构，当然除了为固态形式，介电基底亦可根据需要而为液态形式。导体图案的周期性也即导体图案在一个或两个维度上具有重复性，且本实施例的导体图案的设置可适配于介电基底的结构，而使得表面电磁波输入单元耦合输入的特定频率下的表面电磁波形成沿介电基底表面的自准直传播。同时，本实施例的每个导体图案也为亚波长尺寸，也即单个导体图案的特征尺寸小于表面电磁波的波长。
具体的，介电基底的结构包含有介电基底的相对介电常数以及介电基底的尺寸等参数，而上述的术语“适配于”则表示导体图案与不同结构参数下的介电基底配合，可实现自准直传播的表面电磁波的频率也是不同的，特定结构参数的介电基底与导体图案对应着特定频率的可自准直传播的表面电磁波。当然，除了介电基底的结构不同，而使自准直传播的表面电磁波的频率不同，该“适配于”也包括当导体图案的结构(形状和/或尺寸)变化时，自准直传播的表面电磁波的频率也会变化。导体图案或介电基底结构变化导致自准直传播的表面电磁波频率变化的情形，将在下文进行详细介绍。
与耦合输入表面电磁波的表面电磁波输入单元相对应的，表面电磁波输出单元用于对自准直传播的表面电磁波的耦合接收，且表面电磁波输出单元还可将接收的表面电磁波转化为电信号而实现向外部的电导出。在此，值得说明的是，当物体位于部件之上，也即位于介电基底之上时，该物体可对自准直传播的表面电磁波形成散射及吸收，因而对于设置有物体的表面电磁波的传播路径而言，其所对应的表面电磁波输出单元所能接收到的表面电磁波信号会发生衰减，相应的该表面电磁波输出单元所输出的电信号也便会降低。
此外，本实施例中优选的，位于两相对侧的表面电磁波输入单元及对应的表面电磁波输出单元，设置为于介电基底的相正交的两个方向上均设置有。而本实施例中处理器通过对表面电磁波输出单元所输出的电信号进行处理，以获得处于部件之上的物体的位置坐标，其具体即为将输出的电信号降低(也即表面电磁波信号衰减)额定阈值以上的表面电磁波传播路径所对应的坐标作为所述物体的位置坐标。
基于如上的整体结构，本实施例的位置传感器的一种示例性结构如图1中所示，介电基底1位于底部，导体图案2布置于介电基底1一侧端面上，并于两个维度上重复，而位于介电基底1一侧的表面电磁波输入单元具体由沿x方向与y方向分别设置在介电基底1的两个相邻侧边缘处的x向输入单元3和y向输入单元4构成，对应的表面电磁波输出单元则由位于介电基底1的另外两个侧边缘处的x向输出单元5和y向输出单元6构成。x方向和y方向上的输入单元及输出单元均为并排布置有多个，且各方向上的输入单元与输出单元之间形成一一对应的关系。
本实施例中为对设置于介电基底1上的导体图案2以及各表面电磁波输入单元及表面电磁波输出单元进行保护，以避免其遭受意外破坏，在介电基底1的布置有导体图案2的一侧端面上还可设置保护层7，保护层7直接覆设于介电基底1上即可。本实施例中保护层7在材料上可采用透明或非透明的材料，如其可采用如纳米玻璃，高分子聚乙烯、纳米陶瓷等的高分子纳米材料，或是石英，聚丙烯薄膜、钢化膜等材料。此外，保护层7在设置时其厚度可在0～1cm之间，例如可为0.5mm，而厚度为0则表明本实施例中可选择不在介电基底1上设置保护层7。
本实施例中介电基底1在设置时，仅对制成介电基底1的材料的相对介电常数范围进行限制，其应在1～100之间，介电基底1采用如石英，硅片，F4B板，TP板等透明或非透明的材料制成均可，如此可大大增加介电基底1材料选取的种类。而对于导体图案2，本实施例中制成导体图案2的材料包括但不限于金属、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩及导电聚合物，同时，制成的导体图案2的图形也包括但不限于凹多边形、凸多边形、圆形及椭圆形和分形图形，其中分形图形的基本图形包括但不限于正方形、钻石形、十字形、H形和工字形等等。
此外，针对于导体图案2，本实施例中在其于介电基底1上设置时，出于便于设置的考虑，也将每个导体图案2布置于介电基底1表面上的一个矩形区域内，该矩形区域的边长在50nm～10cm之间，多个导体图案2所处的矩形区域相分隔，而沿介电基底1的表面铺展，以此能够实现导体图案2在介电基底1表面的周期性重复。当然，除了使得各导体图案2位于上述边长范围的矩形区域内，本实施例中导体图案2在布置时，其于介电基底1表面所占用的平面区域的形状及尺寸也可根据需要或是导体图案2的具体形状而进行设计。
本实施例中设置于介电基底1侧边缘的表面电磁波输入单元以及表面电磁波输出单元在设计上可为能够对表面电磁波进行耦合的梯度超表面或微带线，而除了为梯度超表面及微带线，其它如直接耦合等耦合方式所对应的实现表面电磁波耦合的方式也是可以的。
其中，具体来说，作为一种在微波段常用的将平面电磁波耦合成表面电磁波的结构，本实施例的微带线的一种示例性结构如图2中所示，其可直接以上述的介电基底1作为基体，在介电基底1顶端设有金属片10，对应于金属片10位置，在介电基底1的底端覆盖有金属9。
本实施例的图2所示的微带线结构电磁波在上下金属面之间谐振，由于不是封闭的金属波导腔，电磁波反射的过程会出现较大的辐射，容易出现波矢比较大的波，从而使得微带线相对于直接耦合的方式可有着更高的效率。本实施例的微带线结构，将其直接制作于介电基板1上能够便于实验中的测量，也即在电磁波到达接收端的微带线结构时，即会有信号耦合到与微带线连接的接口，从而利于信号的输出。
本实施例的梯度超表面耦合方式，即在介电板上做出具有周期性的亚波长结构，每个大的亚波长结构中包含若干小的单元，当平面电磁波入射到这个亚波长结构时，电磁波相位发生连续的2pi的变化，在亚波长结构的大小小于电磁波波长时，入射的平面电磁波将以较高效率转换成特定波矢的表面电磁波。具体的，本实施例的梯度超表面的一种示例性结构可如图3中所示的，上述的介电板可仍采用介电基底1，各亚波长结构11中的小单元由亚波长尺寸的“H”型结构构成，各小单元按一定方向尺寸渐小排列。
本实施例的直接耦合方式即为将天线贴到介电基底1上，从而电流在天线与介电基底1间直接谐振时会发生散射向外辐射，而形成表面电磁波，该方式也是微波段中一种比较常见的表面电磁波的耦合方式，但其耦合效率相较于微带线要低。
下面将结合上述示例性结构对本实施例表面电磁波自准直传播的机理进行说明。
不同于自由空间传播的电磁波，表面电磁波为存在于具有不同介电常数的两种介质之间且沿垂直界面方向指数衰减的电磁波，较于自由空间传播的电磁波，相同频率下表面电磁波相速度低且波矢要大。当上述介质至少一种介质为各向异性时，存在的表面电磁波又称为Dyakonov波，此时表面电磁波的传播不再是沿360度，取而代之的是沿一些特定角度传播。
众所周知，一种结构表面存在的能够传播而非耗散的表面电磁波模式(Q因子比较高)依赖于结构的共振，换句话说，结构上存在的稳定模式都对应于结构的共振模式。当一种介质表面覆盖各向异性的周期性的亚波长导体图案时，这些导体图案在不同的频率下具有不同的共振模式。从物理的角度，每一个频率下，该结构(即前述介质与其表面覆盖的各向异性的周期性亚波长导体图案的整体)都对应一个等效的介电常数，而由于导体图案的各向异性，该结构在导体图案大小为亚波长的情况下可以等效为介电常数各向异性的均匀介质。
结构几何参数和介电常数的调整，会对共振模式产生影响，由于该亚波长结构具有周期性，因此每一个导体图案单元的共振模式都会受到周围单元的相互作用，最后形成我们得到的依赖于周期性的稳定模式。而每个频率对应的模式信息(如波矢，传播方向等)可以通过等频图获得，其中传播方向垂直于等频线的切线方向。
如上所述，我们可以通过调节结构的几何参数来最终调节表面电磁波的传播方向，本发明中的工字型是基于其结构及单个导体图案单元的共振特征，在周期性存在的条件下不同模式之间相互作用，形成沿单一方向传播的表面电磁波的模式(等频线为直线)，该模式很好的束缚在很窄的区域内，实现表面电磁波的准直传播。
而在对于对触摸位置的判定上，如前所述，该模式依赖于导体图案的周期性，换句话说，工作频率(即特定频率)下，表面电磁波可以看作沿单一方向传播的Dyakonov波，具有各向异性等效介电常数。当具有不同介电常数的介电物体出现在自准直传播的路径上时，该模式依赖的周期性遭到了破坏，放置介电物体的周围不能再看做原有的均匀各向异性介质，换句话说，原本的由于周围模式相互作用形成的自准直模式不再存在，其直接的表现即介电物体所对应传播路径上表面电磁波信号的衰减，而由于远离介电物体的传播路径处仍然具有周期性，因此，可以通过该方法经由自准直传播路径所对应的坐标实现触摸位置的判定。
下面将结合具体实例，并采用Comsol Multiphysics计算及实验模式测试来说明本实施例的上述结构的位置传感器的性能。
首先，作为一种示例结构，导体图案2及介电基底1的结构如图4和图5中所示，导体图案2为“工”字形结构，其所处的方向区域的边长分别为Dx与Dy，而导体图案2本身的结构参数包括a、b、c、w1、w2、w3和厚度t，此外，介电基底1的结构参数包括其厚度h以及相对介电常数。
作为第一个实例，本实例中选取Dx＝Dy＝5mm，a＝2mm，b＝c＝3.8mm，w1＝w2＝w3＝0.4mm，h＝1mm，t＝35μm，介电基底1的相对介电常数为16，并具有千分之一的切向损耗，导体图案2采用金属铜制成。此时，对如图4所示结构的导体图案2而言，通过ComsolMultiphysics计算得到的等频图如图6所示，其中横纵坐标分别为x和y方向的波矢，单位为pi/Dx，图中标出的等频线对应的频率的单位为GHz。由图6可以看出，在频率分别为6.2GHz和11.11GHz时，等频线为两个正交方向相对平直的线，其表明在6.2GHz及11.11GHz时表面电磁波具有很好的自准直性，也即表面电磁波在6.2GHz这一特定频率下沿x方向单向传播，而沿y方向快速衰减，同理，在11.11GHz这一特定频率下，表面电磁波沿y方向单向传播，而沿x方向快速衰减。
为验证上述的计算及分析，本实例中如图7中所示，按照上述导体图案2及介电基底1的结构参数，采用PCB印刷的方式制作出正方形的位置传感器样品，在该样品中介电基底1上的导体图案2共为196个，用于表面电磁波耦合输入及接收的表面电磁波输入单元(x向输入单元、y向输入单元)和表面电磁波输出单元(x向输出单元、x向输出单元)采用微带线。
利用所制作的位置传感器样品，采用网分仪(Agilent 8722ES)沿x方向输入频率为6.34GHz，以及沿y方向输入频率为11.12GHz时的电场分量Ex的幅值分布如图8中的(a)和(b)所示，由图8可以看出两个方向的电场均具有很好的束缚性及自准直性，这与上述的计算分析是符合的。
而为验证所获得的自准直传播的表面电磁波对其传播路径周围环境的响应，本实例中选择如图9中所示的介电圆柱8，该介电圆柱8的介电常数不同于介电基底表面周围环境(空气)，且介电圆柱8的半径为5mm，高为5mm，同时，介电圆柱8共具有相对介电常数分别为16.5、20.5、36.5、45、69的五种。将介电圆柱8分别如图10和图11中所示的依次放置于表面电磁波的传播路径上，以及放置在表面电磁波的传播路径的两侧。
在放置介电圆柱8后，通过网分仪测得x和y方向的输出输入信号比(S21)分别如图12中的(a)和(b)所示，其中，带有正方形标识的线代表介电圆柱8放置于表面电磁波的传播路径上，带有圆形标识的线代表介电圆柱8放置于传播路径的两侧，横坐标为介电圆柱的相对介电常数，且相对介电常数为1表示未放置介电圆柱。通过图12中(a)可看出当介电圆柱8出现在传播路径上时，表面电磁波被部分的散射及吸收了，导致了输出单元处所接收的电磁波强度的明显降低。通过图12中(b)可以看出当介电圆柱8位于两侧，而不在表面电磁波的传播路径上时，表面电磁波传播过程中的损耗很低，此与自准直传播的表面电磁波为非衍射传播有关，并表面本实例的位置传感器样品所形成的自准直传播的表面电磁波可有效避免其传播路径周围环境的干扰。
本实例中需要说明的是，在样品实验中测得的S21值较低且有浮动的原因主要有两个，首先是微带线的耦合效率不高，尤其在耦合过程中散射明显，导致了电磁波能量的损失；其次是由于作为输出的输出单元仅作用在一小块固定的区域，而非在表面电磁波传播的有效波长范围内进行积分，因此不同位置的测量就会有不同的结果，且能量值较低。
但是即便有如上的因素的影响，通过图12中所示出的介电圆柱8在传播路径上以及在传播路径两侧位置的结果，仍能够看出当传播路径上有介电圆柱8时，输出信号明显的减弱了，因此通过上述的试验可以很好的证明本实例结构的位置传感器能够有效的探测到传播路径上环境的变化，同时排除传播路径周围的干扰。
此外，本实例中样品实验与能带计算所得到的频率之间的误差主要来源于做工误差以及介电基底1的相对介电常数上的偏差。
作为第二个实例，本实例中仅将第一个实例中的参数a由2mm改为1.4mm，其它参数保持不变。此时，通过Comsol Multiphysics计算得到的等频图如图13所示，由图13中可以看出此时自准直传播的表面电磁波的频率为6.7GHz和11.2GHz。而通过采用与第一个实例中相同的实验方法所测得的此时，x和y方向在准直频率分别为6.95GHz和11.28GHz时对应电场分量Ex的幅值分布如图14中所示。此外，不同介电圆柱8分别在传播路径上以及在传播路径两侧放置时的输出输入信号比如图15中所示。由以上各图可知，本实例中的位置传感器可实现特定频率下表面电磁波的自准直传播，同时，其能够有效的探测到传播路径上环境的变化，同时排除传播路径周围的干扰，而且通过调整导体图案2的参数也能够调节自准直传播的表面电磁波的频率。
作为第三个实例，本实例中仅将介电基底1的相对介电常数由16改变为3，其它参数与第一个实例中相同，此时通过Comsol Multiphysics计算得到的等频图如图16中所示，由其可以看出对应x和y方向的自准直频率分别为12.83GHz和23.82GHz，对比第一个实例可知本实例的位置传感器通过改变介电基底1的相对介电常数以能够改变表面电磁波自准直的频率。
作为第四个实例，本实例中将介电基底1的厚度h由1mm变为1.2mm，介电基底1的相对介电常数保持为3，其它参数与第一个实例中相同，此时通过Comsol Multiphysics计算得到的等频图如图17中所示，由图17可以看出表面电磁波的自准直频率变为了12.65GHz和23.5GHz，其表明本实例的位置传感器通过改变介电基底1的厚度可以改变自准直频率。
作为第五个实例，本实例中将第三个实例中的结构参数Dx、Dy、a、b、c、w1、w2、w3均缩小1/5，即Dx＝Dy＝1mm，a＝0.4mm，b＝c＝0.76mm，w1＝w2＝w3＝0.08mm，h＝0.2mm，并保持介电基底1的相对介电常数为3，导体图案2的厚度h为35μm。此时通过Comsol Multiphysics计算得到的等频图如图18所示，由图18可以看出x和y方向的自准直频率变为63.35GHz和120.5GHz，且此时，x和y方向在准直频率分别为63.35GHz和120.5GHz时对应电场分量Ex的幅值分布如图19中所示。而与第三个实例对比，可知本实例的位置传感器可以通过对导体图案2几何参数的调整而调节自准直频率，同时，与第一个实例对比，能够看出导体图案2几何参数的变化也导致了电场束缚宽度的变化，也即随着几何参数的减小而减小，从而其也说明了本实例的位置传感器能够通过几何参数的调整而调节分辨率。
综上，通过本实施例的几个实例可以看出，本实施例所述结构的位置传感器不仅可实现特定频率下的表面电磁波的自准直传播，而且通过改变位置传感器的结构参数也能够实现对其自准直频率(即工作频率)及分辨率的调整，从而可获得一种有别于现有结构的新的适用范围广且分辨率可调的位置传感器结构。
而本实施例的位置传感器在进行对物体的位置检测时，其包括的具体的实施步骤为：
首先是表面电磁波的输入，也即由外部的电磁波生成单元生成特定频率的电磁波，再通过如微带线等结构的表面电磁波输入单元的耦合，而于介电基底的表面输入特定频率的表面电磁波。
其中，输入介电基底表面的表面电磁波在介电基底的表面形成向表面电磁波输出单元方向的自准直传播。当在某一表面电磁波输入单元所对应的电磁表面波传输路径上存在有介电常数不同于介电基底表面周围环境(空气)的物体(例如前文中的介电圆柱)时，因该物体的吸收及散射，使得该传播路径上的表面电磁波信号的衰减。由此，在表面电磁波输出单元的输出中，其所述耦合导出的对应于表面电磁波的电信号也会发生相应的降低。
最后，处理器对各表面电磁波输出单元输出的电信号进行处理，若电信号的降低超过了处理器设定的额定阈值，便可确定该信号的降低并非误差引起，从而即能够由电信号降低，也即发生信号衰减的表面电磁波传播路径所对应的坐标获得物体的一个方向上的位置坐标。此时若需物体的详细位置，在两个正交方向均具有表面电磁波输入及输出的情况下，经由两个方向的表面电磁波传播路径的正交性，便能够确认出触摸点的详细位置坐标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (23)
1.一种基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述位置检测方法用以确认处于一部件之上的物体的位置坐标，且所述位置检测方法包括如下的实施步骤：
s1，表面电磁波的输入，输入特定频率的表面电磁波；
s2，构成输入的所述表面电磁波沿所述部件表面的自准直传播；
s3，因所述物体的吸收及散射，而形成所述物体所处传播路径上的所述表面电磁波信号的衰减；
s4，表面电磁波的输出，执行对自准直传播的所述表面电磁波的电导出；
s5，信号处理，对输出的电信号进行处理，以由发生衰减的所述表面电磁波传播路径所对应的坐标获得所述物体的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述部件为介电基底，于所述介电基底的表面设有周期性导体图案，每个所述导体图案的特征尺寸为亚波长尺寸。
3.根据权利要求2所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：自准直传播的所述表面电磁波的频率，以及所述物体位置坐标的分辨率被设计成可随对所述介电基底和/或所述导体图案结构的调节而改变。
4.根据权利要求2所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述介电基底的相对介电常数为1～100。
5.根据权利要求4所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述介电基底由透明或非透明的材料制成。
6.根据权利要求2所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述导体图案的材料包括金属、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩，以及导电聚合物。
7.根据权利要求6所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述导体图案的图形包括凹多边形、凸多边形、圆形、椭圆形和分形图形。
8.根据权利要求7所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述分形图形的基本图形包括正方形、钻石形、十字形、H形和工字形。
9.根据权利要求2所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：每个所述导体图案被设置在形成于所述介电基底表面的一个矩形区域内，且所述矩形形区域的边长为50nm～10cm。
10.根据权利要求1所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述表面电磁波的输入及输出方式包括梯度超表面耦合、微带线耦合以及直接耦合。
11.根据权利要求1所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：步骤s5中为将表面电磁波信号衰减额定阈值以上的所述表面电磁波传播路径所对应的坐标作为所述物体的位置坐标。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的基于表面电磁波的位置检测方法，其特征在于：所述物体的位置坐标为沿所述部件的一个方向上的一维坐标，或所述物体的位置坐标为沿所述部件的两个正交方向上的二维坐标。
13.一种基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于，包括：
部件，用于承接物体，且所述部件可构成输入于所述部件表面的表面电磁波沿所述部件表面的自准直传播；
多个表面电磁波输入单元，所述多个表面电磁波输入单元设于所述部件的一侧，以构成对外部生成的特定频率的电磁波于所述部件表面的耦合，而形成输入于所述部件表面的表面电磁波；
多个表面电磁波输出单元，所述多个表面电磁波输出单元与所述表面电磁波输入单元一一对应而设于所述部件的相对的另一侧，且所述表面电磁波输出单元构成对自准直传播的表面电磁波的耦合接收、并对所述接收的表面电磁波进行向外部的电导出；
处理器，与所述表面电磁波输出单元连接，所述处理器用于对所述表面电磁波输出单元所输出的电信号进行处理，以获得处于所述部件之上的所述物体的位置坐标。
14.根据权利要求13所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述部件为介电基底，于所述介电基底的表面设有周期性导体图案，每个所述导体图案的特征尺寸为亚波长尺寸。
15.根据权利要求14所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述介电基底的相对介电常数为1～100。
16.根据权利要求15所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述介电基底由透明或非透明的材料制成。
17.根据权利要求14所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述导体图案的材料包括金属、石墨烯、聚乙撑二氧噻吩，以及导电聚合物。
18.根据权利要求17所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述导体图案的图形包括凹多边形、凸多边形、圆形、椭圆形和分形图形。
19.根据权利要求18所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述分形图形的基本图形包括正方形、钻石形、十字形、H形和工字形。
20.根据权利要求14所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：每个所述导体图案被设置在形成于所述介电基底表面的一个矩形区域内，且每个所述矩形区域的边长为50nm～10cm，各个所述矩形区域相互分隔。
21.根据权利要求14所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：于所述介电基底的具有所述导体图案一侧覆设有保护层；所述保护层由透明或非透明的材料制成，且所述保护层的厚度为0～1cm。
22.根据权利要求13所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：所述表面电磁波输入单元和所述表面电磁波输出单元包括可对表面电磁波进行耦合的梯度超表面、微带线。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的基于表面电磁波的位置传感器，其特征在于：于所述部件的相正交的两个方向上的每个方向的相对两侧分别设置有对应布置的所述表面电磁波输入单元和所述表面电磁波输出单元。
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