CN111221417A - 一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜 - Google Patents

一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜 Download PDF

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张玉茹
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Abstract

本发明提供一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，它是由触摸表面改性层、柔性触摸绝缘层、柔性导电层和柔性绝缘基底层组成；该柔性绝缘基底层位于最底层，其上表面与柔性导电层紧密贴合，柔性导电层上表面与柔性触摸绝缘层紧密贴合，柔性触摸绝缘层上表面与触摸表面改性层紧密贴合；该触摸表面改性层用于调节柔性薄膜与用户皮肤接触的表面粗糙度，该粗糙度具体数值与用户皮肤粗糙度的平均值有关，能通过用户实验确定具体数值。本发明中所有结构均具有柔性，可弯曲，能够贴合在曲面物体表面实现触觉反馈功能。本发明具有一层专门用于改善触摸表面粗糙度的专用层，能够增强用户皮肤与柔性薄膜间的静电吸引力，从而改善了触觉反馈效果。

Description

一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜
技术领域
本发明涉及人机交互领域，具体涉及一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜。
背景技术
具有触觉反馈功能的可弯曲柔性薄膜可以适用于非平面触觉反馈场景，在人与非平面虚拟物体交互过程中提供虚拟物体表面的触觉信息。
目前提供表面触觉反馈的装置和方法一般是在刚性表面实现。中国发明专利“电容式触觉反馈显示装置、工作方法及其检测方法”(申请号：201610507226.X)公开了一种实现物理凹凸触觉反馈的显示装置。这个装置在玻璃基板上通过静电吸引力迫使装置触摸表面发生物理形变，以产生凹凸的触觉反馈。这种方案具有复杂的微型结构，制造困难；触摸表面需要产生机械变形以形成触觉反馈，导致耗能较大；此外，其触摸表面为刚性不可弯曲，不能应用于非平面的场景。此外，在中国发明专利“一种应用于移动终端的静电力触觉再现方法和装置”(申请号：CN201410483583.8)中，公开了一种适合平板电脑、手机和笔记本电脑等的静电力触觉再现方法和装置，该装置由静电力触觉再现交互单元、静电力触觉再现控制单元、红外定位单元组成，其中用于与用户交互的静电力触觉再现交互单元为刚性结构，由玻璃底板，导电极板和绝缘层组成。
现有技术和装置中缺少一种既能够提供表面触觉反馈功能又可弯曲的柔性触觉反馈单元。
发明内容
发明目的：
本发明的目的在于克服上面背景技术中所描述的问题与缺陷，提供一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜。
技术方案：
本发明的技术方案是：本发明涉及一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，所述薄膜既能够提供表面触觉反馈功能，又可弯曲；特别指出，在不同弯曲状态下均可提供表面触觉反馈功能；该薄膜具有四层紧密贴合的结构，详述如下：
本发明一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，是由触摸表面改性层(1)、柔性触摸绝缘层(2)、柔性导电层(3)和柔性绝缘基底层(4)组成；它们相互之间的关系(位置关系、连接关系)是：该柔性绝缘基底层(4)位于最底层，其上表面与柔性导电层(3)紧密贴合，柔性导电层(3)上表面与柔性触摸绝缘层(2)紧密贴合，柔性触摸绝缘层(2)上表面与触摸表面改性层(1)紧密贴合；该触摸表面改性层(1)用于调节柔性薄膜表面粗糙度，该粗糙度具体数值与用户皮肤粗糙度的平均值有关，可通过用户实验确定具体数值；
所述的触摸表面改性层(1)，其表面结构是凸起的圆柱阵列，阵列间距根据该层的粗糙度确定；此凸起也可以是其他形状，例如：圆柱、圆锥或条纹阵列。其材料是光刻胶；
所述的柔性触摸绝缘层(2)，其结构是表面平整的绝缘薄膜，其厚度为2-10微米，表面粗糙度小于100纳米；其材料是介电常数小于10的绝缘材料，优选材料为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯；
所述的柔性导电层(3)，其结构是表面平整的导电薄膜，其厚度小于50微米；其材料是方阻小于20Ω/□的导电材料；其优选材料为铜箔或石墨烯薄膜；
所述的柔性绝缘基底层(4)，其结构是表面平整的绝缘薄膜，电阻率大于1011Ω·m；其优选材料是聚二甲基矽氧烷薄膜(PDMS)或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜(PEN)；
通过给柔性导电层(3)施加直流电压或交流电压，用户皮肤表面会受到静电吸引力作用；当用户皮肤在触摸表面改性层(1)上滑动时，静电吸引力会导致摩擦力增大；通过控制施加的直流或交流电压幅值、频率和波形的大小，可以产生丰富的摩擦力变化，从而使用户感受到丰富的表面触觉感受。
优点及效果：
1、现有技术中均是在刚性基底上实现触觉反馈(例如在玻璃基底)，这些刚性基底不可弯曲，只能在平面上实现触觉反馈功能。本发明中所有结构均具有柔性，可弯曲，并且能够在任何弯曲角度均可产生触觉反馈。此外，由于本发明具有可弯曲的特征，其能够贴合在曲面物体表面实现触觉反馈功能。
2、刚性结构的基于静电力产生触觉的方案一般为三层结构，即刚性基底层、导电层和绝缘层，并未考虑触摸表面的粗糙度。本发明中具有一层专门用于改善触摸表面粗糙度的专用层。通过用户皮肤粗糙度的平均值确定此层粗糙度，能够增强用户皮肤与柔性薄膜间的静电吸引力，从而改善了触觉反馈效果。
附图说明
图1本发明所述柔性薄膜的结构示意图。
图2本发明的触摸表面改性层的制造方法示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
1、触摸表面改性层
2、柔性触摸绝缘层
3、柔性导电层
4、柔性绝缘基底层
101、触摸改性层的曝光区域
102、触摸改性层的非曝光区域
具体实施方式
图1所示为本发明的结构示意图，本发明一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，是由触摸表面改性层1、柔性触摸绝缘层2、柔性导电层3和柔性绝缘基底层4组成。
为减小柔性导电层3刚性对柔性薄膜的柔软度的影响，柔性导电层3的厚度应小于50微米，其优选材料为铜箔或石墨烯薄膜。柔性导电层3上表面与柔性触摸绝缘层2相黏合，柔性触摸绝缘层2的优选材料为聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，其厚度为2-10微米，小于2微米厚的聚酰亚胺容易容易产生微小孔洞，易被施加的直流或交流电压击穿，产生触电危险，大于10微米厚的聚酰亚胺会导致激励电压显著增大。柔性触摸绝缘层2为聚酰亚胺优选制造方法为旋涂，之后在300℃温度下进行2小时固化。柔性触摸绝缘层2为聚对苯二甲酸乙二酯膜，其优选制造方法为选用符合厚度要求的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，直接平整贴合于柔性导电层3表面，之后用平整的10Kg重物置于聚对苯二甲酸乙二酯表面，静置24小时，目的是保证聚对苯二甲酸乙二酯和柔性导电层3贴合紧密。触摸表面改性层1的优选材料为光刻胶，其优选制造方法为通过确定触摸改性层的曝光区域101和和非曝光区域102，设计出具有特定特定间隔的阵列，均匀涂覆一层满足技术方案中厚度要求的光刻胶，之后是曝光区域101曝光显影，清洗后，得到触摸表面改性层1，如图2所示。
柔性绝缘基底层4由厚度为0.1-1.0毫米的柔性塑料薄膜构成，其优选材料为聚二甲基矽氧烷薄膜(PDMS)或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜(PEN)。这些材料表面具有一定的粘性易与柔性导电层3底面相贴合。其优选制造方法为选用符合厚度要求的聚二甲基矽氧烷薄膜(PDMS)或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜(PEN)，直接平整贴合于柔性导电层3表面，之后用平整的10Kg重物置于膜表面，静置24小时，目的是保证聚二甲基矽氧烷薄膜(PDMS)或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜(PEN)和柔性导电层3贴合紧密。

Claims (5)

1.一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，其特征在于：它是由触摸表面改性层(1)、柔性触摸绝缘层(2)、柔性导电层(3)和柔性绝缘基底层(4)组成；该柔性绝缘基底层(4)位于最底层，其上表面与柔性导电层(3)紧密贴合，柔性导电层(3)上表面与柔性触摸绝缘层(2)紧密贴合，柔性触摸绝缘层(2)上表面与触摸表面改性层(1)紧密贴合；该触摸表面改性层(1)用于调节柔性薄膜实际表面粗糙度，该粗糙度具体数值与用户皮肤粗糙度的平均值有关，通过用户实验确定具体数值；
所述的触摸表面改性层(1)，其表面结构是凸起的圆柱阵列，阵列间距根据该层的粗糙度确定；
所述的柔性触摸绝缘层(2)，其结构是表面平整的绝缘薄膜；
所述的柔性导电层(3)，其结构是表面平整的导电薄膜；
所述的柔性绝缘基底层(4)，其结构是表面平整的绝缘薄膜；
通过给柔性导电层(3)施加直流电压及交流电压，用户皮肤表面会受到静电吸引力作用；当用户皮肤在触摸表面改性层(1)上滑动时，静电吸引力会导致摩擦力增大；通过控制施加的直流或交流电压幅值、频率和波形的大小，能产生摩擦力变化，从而使用户感受到表面触觉感受。
2.根据权利要求1所述的一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，其特征在于：所述的触摸表面改性层(1)，其表面结构是凸起的圆柱阵列，或该凸起是圆柱、圆锥及条纹阵列；其材料是光刻胶。
3.根据权利要求1所述的一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，其特征在于：所述的柔性触摸绝缘层(2)，其厚度为2-10微米，表面粗糙度小于100纳米；其材料是介电常数小于10的绝缘材料，为聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯。
4.根据权利要求1所述的一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，其特征在于：所述的柔性导电层(3)，其厚度小于50微米；其材料是方阻小于20Ω/□的导电材料；为铜箔或石墨烯薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种具有表面触觉反馈功能的柔性薄膜，其特征在于：所述的柔性绝缘基底层(4)，其表面平整的绝缘薄膜的电阻率大于1011Ω·m；为聚二甲基矽氧烷薄膜PDMS及聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜PEN。
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