CN111124186B - 基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器和传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器，包括对被测物体的移动进行感应的传感部件，所述传感部件包括具有导电性的电极薄膜和基底，电极薄膜固定在基底上方，电极薄膜与用于测量电压的检测装置相连接；所述电极薄膜设有多个。本发明提供的基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器结构简单，适用范围广泛，能够实现不接触屏幕传感，避免了用户和屏幕之间的直接接触，极大提高了操纵传感器的手势自由度。

Description

基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器和传感方法

技术领域

本发明属于屏幕传感领域，具体涉及基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器和传感方法。

背景技术

触摸屏是电子器件中最常用的人机交互方式，其中应用最广泛的是电容式触摸屏，这种触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，在玻璃表面贴上一层透明的特殊导电物质，当有导电物体触碰时，就会改变触点的电容，从而可以探测出触摸的位置。这种触摸屏操作始终需要通过用户和屏幕之间的接触来完成，不可避免的会给器件表面带来污染和损坏，并且限制了用户的操作体验。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器以及传感方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器，包括对被测物体的移动进行感应的传感部件，所述传感部件包括具有导电性的电极薄膜和基底，电极薄膜固定在基底上方，电极薄膜与用于测量电压的检测装置相连接；所述电极薄膜设有多个。

优选的，所述检测装置采用示波器或电压监测仪。

优选的，所述电极薄膜之间等间距设有多个。

优选的，至少七个电极薄膜为一组传感单元。

优选的，所述电极薄膜为透明材料。

优选的，所述电极薄膜的材料采用金属或铟锡氧化物ITO、FTO、石墨烯或导电高分子材料。

优选的，所述基底为透明高分子薄膜。

优选的，所述基底材质采用聚对苯二甲酸乙二醇酯。

相应的，本发明还提供基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器实现的传感方法，包括以下步骤：

1)当预先带有电荷的被测物体在传感器上的任意一组传感单元上方运动时，引起传感单元中的电极薄膜上的电势发生变化；

2)检测装置测量电极薄膜上的电势变化信号；

3)通过检测装置测量的电势变化信号来计算定位被测物体的初始位置和终点位置。

其中，所述步骤3)的计算过程如下所述：

31)、预先带有电荷的被测物体周围的电位分布由以下方程式表示：

其中Q₀是被测物体所带的电荷,ε₀是真空的介电常数,ε_r是被测物体周围空气的相对介电常数,r是被测物体和具有导电性的电极薄膜之间的距离；

32)、当被测物体以非接触模式在传感器上的传感单元上方移动时，电极薄膜的输出电压表示为：

其中r_min和r₀分别是被测物体和电极薄膜之间的最小距离和初始距离；

33)、通过分析七个具有导电性的电极薄膜产生的感应电势，采用七点定位法来精确定位指尖的位置变化：

其中，P_i(x₀,y₀,z₀)为被测物体的初始位置，P'(x₁,y₁,z₁)为被测物体的终点位置；设七个电极薄膜的笛卡尔坐标为P_n(x'_n,y'_n,z'_n)，其中 (n＝1,2,3…,7)；

每个电极薄膜产生的电压公式为：

其中，V_sn(n＝1,2,3…,7)为检测装置检测到的七个电极薄膜上输出的电压值；通过七个公式计算，能得出未知数x₀、y₀、z₀、x₁、 y₁和z₁以及被测物体所带电荷值Q，进而算出手指的初始位置 P_i(x₀,y₀,z₀)和终点位置P'(x₁,y₁,z₁)。

本发明具有的有益效果为：

1.本发明利用了静电感应和摩擦电效应实现了不接触屏幕传感功能，其中基底上等间距设有多个电极薄膜，七个电极薄膜为一个传感单元，当被测物体在具有导电性的电极薄膜上方运动时，会引起电极薄膜上电势发生改变，与电极薄膜相连的检测装置测量电势变化信号，通过计算七个电极薄膜上的电势变化即可得出被测物体的移动位置，整个装置结构和制作过程简单，成本低，适用范围广泛，能够实现不接触屏幕传感，避免了用户和屏幕之间的直接接触，减少屏幕的污染和损坏，极大提高了操纵传感器的手势自由度。

2.电极薄膜为透明材料，可以为金属、铟锡氧化物ITO、FTO、石墨烯或导电高分子材料；基底为透明高分子薄膜，其材质可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯等高分子材料，其具有良好透光性和柔韧性。

3.本发明还提供基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感方法，当预先带有电荷的被测物体在传感器上的电极薄膜上方运动时，与电极薄膜相连的检测装置来测量电势变化信号，采用七点定位法可以精确定位被测物体的初始位置和运动后的终点位置，达到不接触屏幕传感的目的。

附图说明

图1为被测物体与传感器靠近分离，进行不接触屏幕传感的示意图；

图2为被测物体与一组传感单元进行不接触屏幕传感的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器，包括对被测物体1的移动进行感应的传感部件，传感部件包括具有导电性的电极薄膜2和基底3，电极薄膜2固定在基底3上方；电极薄膜2为透明材料，可以为金属、铟锡氧化物ITO、FTO、石墨烯或导电高分子材料；基底3为透明高分子薄膜，其材质可以采用聚对苯二甲酸乙二醇酯等高分子材料，具有良好透光性和柔韧性。

电极薄膜2连接有用于测量电压的检测装置4，检测装置4采用示波器或电压监测，能够对电极薄膜2上的电势变化进行检测。

被测物体1自身预先带有电荷，由于静电感应原理，当预先带有电荷的被测物体1从上方靠近传感部件时，会有更多的正电荷积累到具有导电性的电极薄膜2的表面，使电极薄膜2上的电势发生变化，并受检测装置4的测量；当带电手指远离具有导电性的电极薄膜2的时候，会有负电荷被吸引到具有导电性的电极薄膜2表面来中和正电荷，引起电极薄膜2上电势发生改变，同样能被检测装置4检测电压变化。

其中，由于鞋底和地面的摩擦电效应，人体通常带负电，使用本传感器时被测物体1通常为人体带电手指。

如图2所示，基底3上的电极薄膜2设有多个，且电极薄膜2之间等间距设置，至少七个电极薄膜2为一个传感单元。

相应的，本发明还提供了基于上述摩擦电的不接触屏幕传感器实现的传感方法，具体包括如下步骤：

1)、当预先带有电荷的手指在传感器上七个等间距的电极薄膜2 上方运动时，引起电极薄膜2上的电势发生变化；

2)检测装置4测量电极薄膜2上的电势变化信号；

3)通过检测装置4检测的电势变化信号来计算定位手指的位置变化。

步骤3)中的具体计算过程如下：

31)、带电指尖周围的电位分布由以下方程式表示：

其中Q₀是指尖所带的电荷,ε₀是真空的介电常数,ε_r是手指周围空气的相对介电常数,r是指尖和具有导电性的电极薄膜2之间的距离。

32)、如图1中a、b、c、d所示。当手指以非接触模式在具有导电性的电极薄膜2上方移动时，电极薄膜2的输出电压可以表示为：

其中r_min和r₀分别是指尖和电极薄膜2之间的最小距离和初始距离。

33)、通过分析七个具有导电性的电极薄膜2产生的感应电势，采用七点定位法可以精确定位指尖的位置变化。

其中，P_i(x₀,y₀,z₀)为指尖的初始位置，P'(x₁,y₁,z₁)为指尖终点的位置；设七个传感器的笛卡尔坐标为P_n(x'_n,y'_n,z'_n)其中(n＝1,2,3…,7)；

每个传感器产生的电压公式为：

其中，V_sn(n＝1,2,3…,7)为检测装置4检测到的七个电极薄膜上输出的电压值；通过上述公式(3)的七个电压方程计算，能得出未知数x₀、y₀、z₀、x₁、y₁和z₁以及手指所带电荷值Q，进而算出手指的初始位置P_i(x₀,y₀,z₀)和终点位置P'(x₁,y₁,z₁)。

与上述实施方式不同，本发明所采用的方法还可以通过选取除上述七个传感器之外的多个传感器的坐标和其检测的电压值带入公式 (3)进行求解，对求得的多组x₀、y₀、z₀、x₁、y₁、z₁和Q值，求其平均数，以减小由于检测装置4检测电压时产生的误差，使得到的电荷值Q、初始位置P_i(x₀,y₀,z₀)和终点位置P'(x₁,y₁,z₁)更为准确。例如，当传感器个数为十个时，选取其中任一七个不同的传感器为一组传感单元，可选取十组传感单元，将每一组传感单元的七个传感器的坐标和其检测的电压值分别带入公式(3)进行求解，对求得的十组x₀、y₀、z₀、x₁、y₁、z₁和Q值，求其平均数，得到更为准确的电荷值Q、初始位置P_i(x₀,y₀,z₀)和终点位置P'(x₁,y₁,z₁)。

Claims (6)

1.基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器，包括对被测物体的移动进行感应的传感部件，所述传感部件包括具有导电性的电极薄膜和基底，电极薄膜固定在基底上方，电极薄膜与用于测量电压的检测装置相连接；所述电极薄膜设有多个；

所述电极薄膜之间等间距设有多个；至少七个电极薄膜为一组传感单元；

上述基于摩擦电与静电感应的不接触屏幕传感器实现的传感方法，包括以下步骤：

1)当预先带有电荷的被测物体在传感器上的任意一组传感单元上方运动时，引起传感单元中的电极薄膜上的电势发生变化；

2)检测装置测量电极薄膜上的电势变化信号；

3)通过检测装置测量的电势变化信号来计算定位被测物体的初始位置和终点位置；

其中，所述步骤3)的计算过程如下所述：

31)、预先带有电荷的被测物体周围的电位分布由以下方程式表示：

其中Q₀是被测物体所带的电荷,ε₀是真空的介电常数,ε_r是被测物体周围空气的相对介电常数,r是被测物体和具有导电性的电极薄膜之间的距离；

32)、当被测物体以非接触模式在传感器上的传感单元上方移动时，电极薄膜的输出电压表示为：

其中r_min和r₀分别是被测物体和电极薄膜之间的最小距离和初始距离；

33)、通过分析七个具有导电性的电极薄膜产生的感应电势，采用七点定位法来精确定位指尖的位置变化：

其中，P_i(x₀,y₀,z₀)为被测物体的初始位置，P'(x₁,y₁,z₁)为被测物体的终点位置；设七个电极薄膜的笛卡尔坐标为P_n(x'_n,y'_n,z'_n)，其中(n＝1,2,3…,7)；

每个电极薄膜产生的电压公式为：

其中，V_sn(n＝1,2,3…,7)为检测装置检测到的七个电极薄膜上输出的电压值；通过七个公式计算，能得出未知数x₀、y₀、z₀、x₁、y₁和z₁以及被测物体所带电荷值Q，进而算出手指的初始位置P_i(x₀,y₀,z₀)和终点位置P'(x₁,y₁,z₁)。

2.根据权利要求1所述的不接触屏幕传感器，其特征在于：所述检测装置采用示波器或电压监测仪。

3.根据权利要求1所述的不接触屏幕传感器，其特征在于：所述电极薄膜为透明材料。

4.根据权利要求3所述的不接触屏幕传感器，其特征在于：所述电极薄膜的材料采用金属或铟锡氧化物ITO、FTO、石墨烯或导电高分子材料。

5.根据权利要求1所述的不接触屏幕传感器，其特征在于：所述基底为透明高分子薄膜。

6.根据权利要求5所述的不接触屏幕传感器，其特征在于：所述基底材质采用聚对苯二甲酸乙二醇酯。

Images