CN111595491B - 一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，包括由下往上依次叠层设置的第一电极层(1)、第二电极层(2)和摩擦层(3)；本发明公开的单元细分行列互补形式，可以解决传感器对触点的位置和触点的大小不具有鲁棒性的问题，提高对物体的感知分辨率，同时也有利于提高定位分辨率，缩小单元尺寸，增加单位面积点数(DPI)。

Description

一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元
技术领域
本发明涉及传感技术领域，具体是一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元。
背景技术
目前，基于摩擦电的零功耗矩阵式(行列交叉)触觉传感定位装置，由于通过行列交点来定位，行、列电极之间的交叠会导致串扰(上下层电极间静电感应，如图1)，并从目标点蔓延开，导致无法定位，且重叠面积越大，串扰越严重，因此采用各种方式减小行列电极之间的重叠面积(如图2，行列电极各减少一半面积并互补分布)，并在两层电极之间设置屏蔽层。图3所示为一种行列电极互补方式，图3c表示一个定位单元的分层图，从上至下第2层为列电极，第6层为行电极，两者形状分别为互补的空心正方形和实心正方形，两者的引线垂直分布，如此来构成行列交叉形式的矩阵式定位的一个单元。这一个单元重叠的只有空心正方形(上层列电极)的左右两条边和下层行电极的引线部分。这些方式减少行列重叠面积并不充分，还必须设置屏蔽层(如图3c第4层)，并且这些行列互补形式，对触点的位置和触点的大小都不具有鲁棒性，例如，图2中触点靠左或靠右，图3c中触点居中或在外围，都将不能同时触发行电极和列电极产生信号，因此无法通过行列同步信号来定位触点。图 3c中，electrification layer表示摩擦起电层，colunm electrode表示列电极，insulatinglayer表示绝缘层，row electrode表示行电极，substrate layer表示基底，shieldinglayer表示屏蔽层。
发明内容
本发明的目的是提供一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，包括由下往上依次叠层设置的第一电极层、第二电极层、摩擦层。
所述第一电极层包括第一绝缘基底和镀在第一绝缘基底上表面的第一电极。
优选的，所述第一电极为行电极，第二电极为列电极。
优选的，所述第一电极为列电极，第二电极为行电极。
第一电极包括n个第一电极单元。第i个第一电极单元包括对角连接的2个第一电极分块和用于连接2个第一电极分块的第一电极连接线Ii。i＝1,2，…，n。
第i个第一电极单元和第i个第二电极单元呈矩形分布，其中，第一电极连接线Ii在第二电极层上的投影和第二电极连接线IIi相交于一点。
第一电极分块在第二电极层上的投影与第二电极分块不接触。
所述第二电极层包括第二绝缘基底和镀在第二绝缘基底上表面的第二电极。
所述第二电极包括n个第二电极单元。第i个第二电极单元包括对角连接的2个第二电极分块和用于连接2个第二电极分块的第二电极连接线IIi。
n个第一电极单元和n个第二电极单元构成电极矩阵。
第i个第一电极单元和第i个第二电极单元构成面积为m倍第一电极分块的正方形；m＝22，32，42，52…h2；m、h为正整数。第一电极分块和第二电极分块面积相等。
所述摩擦层覆盖在第二电极层上表面。
所述摩擦层的材料包括氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚二甲基硅氧烷PDMS。
当使用者接触摩擦层表面，摩擦层得到电子带负电，令第一电极层和第二电极层产生静电感应，得到与摩擦层相反的电荷，进而在第一电极层、第二电极层和地面之间产生电荷转移，形成传感信号。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明解决了现有的摩擦电零功耗矩阵式触觉传感单元行列重叠面积减少不充分而依赖于屏蔽层降低串扰，以及在为减少行列重叠面积的结构设计中其行列互补形式对触点的位置和触点的大小都不具有鲁棒性的问题。本发明也可应用于其它触觉传感定位。本发明公开的单元细分行列互补形式，可以解决传感器对触点的位置和触点的大小不具有鲁棒性的问题，提高对物体的感知分辨率，同时也有利于提高定位分辨率，缩小单元尺寸，增加单位面积点数(DPI)。
附图说明
图1为现有基于摩擦电的零功耗矩阵式触觉传感定位装置I；
图2为现有基于摩擦电的零功耗矩阵式触觉传感定位装置II；
图3为现有基于摩擦电的零功耗矩阵式触觉传感定位装置III 的行列互补模式；
图4为本发明结构示意图；
图5为行列电极交叠的平面图；
图6为一个定位单元设计的演化历程；
图7(a)为本发明实物图；图7(b)为一个单元的放大图；
图8为使用者触摸本发明时在接近一个定位单元阶段的电荷工作原理；
图9为使用者触摸本发明时在接触一个定位单元阶段的电荷工作原理；
图10为单元无限细分模式(从一个定位单元细分为22个电极分块(前面所述最基本的细分模式)->一个定位单元细分为32个电极分块->一个定位单元细分为42个电极分块->一个定位单元细分为52个电极分块)；
图11为对比测试结果；
图12为对比仿真结果；
图13为实际应用于触摸寻迹(两层电极间无屏蔽层)；
图14为触摸寻迹实际操作图；
图15为开路电压测试图；
图16为负载电压测试图；
图中：第一电极层1、第二电极层2和摩擦层3。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图4至图10，一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，包括由下往上依次叠层设置的第一电极层1、第二电极层2、摩擦层3。
所述第一电极层1包括第一绝缘基底和镀在第一绝缘基底上表面的第一电极。
所述第一电极为行电极，第二电极为列电极。
第一电极包括n个第一电极单元。第i个第一电极单元包括对角连接的2个第一电极分块和用于连接2个第一电极分块的第一电极连接线Ii。i＝1,2，…，n。i为正整数。
第i个第一电极单元和第i个第二电极单元呈矩形分布，其中，第一电极连接线Ii在第二电极层2上的投影和第二电极连接线IIi相交于一点，第一电极层1和第二电极层2之间有一层绝缘层相隔(即第二电极层2的绝缘基底)，所述交点是空间上的重叠，不是实质的电气连接。例如，第一电极连接线I1在第二电极层2上的投影和第二电极连接线II1相交于一点，第一电极连接线I2在第二电极层2上的投影和第二电极连接线II2相交于一点…
第一电极分块和第二电极分块不接触。第一电极分块在第二电极层2上的投影与第二电极分块不接触。
所述第二电极层2包括第二绝缘基底和镀在第二绝缘基底上表面的第二电极。第二电极和第一电极均不穿透绝缘层，每一层基底上镀一层电极(只是方向旋转了90度)，从下到上：基底-电极-基底 -电极-摩擦层，上、下层电极无实质性的相交和连接，只是在空间位置上有一个点重叠。
所述第二电极包括n个第二电极单元。第i个第二电极单元包括对角连接的2个第二电极分块和用于连接2个第二电极分块的第二电极连接线IIi。
n个第一电极单元和n个第二电极单元构成电极矩阵。
第i个第一电极单元和第i个第二电极单元构成面积为m倍第一电极分块的正方形；m＝22，32，42，52…h2；m、h为正整数。第一电极分块和第二电极分块面积相等。
每个由第i个第一电极单元和第i个第二电极单元构成的电极单元内，行(列)电极由对角连接的多个实心小正方形构成，并与列 (行)电极垂直相交、互补构成一个面积m倍第一电极分块的正方形；m＝22，32，42，52…h2；m、h为正整数。如此，每个单元中行电极和列电极的面积重叠仅有中间垂直相交的那一点，极大降低重叠面积进而减少串扰。所述摩擦层3覆盖在第二电极层2上表面。
所述摩擦层3的材料包括氟化乙烯丙烯共聚物FEP(Fluorinated ethylenepropylene)、聚二甲基硅氧烷PDMS等在摩擦电序列中趋向负方向的材料，在接触中更容易得到电子。常见材料的摩擦电序列见表1。
表1常见材料的摩擦电序列
Figure BDA0002495996870000051
注：趋向“正”方向的材料更容易失去电子，趋向“负”方向的材料更容易得到电子
当使用者手指接触摩擦层3表面，摩擦层3得到电子带负电，令第一电极层1和第二电极层2产生静电感应，得到与摩擦层3相反的电荷，进而在第一电极层1、第二电极层2和地面之间产生电荷转移，在外电路形成传感信号。外电路包括开路电压测试电路(图 15)、负载电压测试电路(图16)。图11第3列为开路电压，图 11第4列为负载电压-即在电极和地之间接入一个电阻(阻值可选择多个值，本例中用的20MΩ)，两种连接形式如附图15，16。
实施例2
一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，主要结构见实施例1，其中，行(列)电极由对角连接的两个实心小正方形构成，并与列(行)电极垂直相交、互补构成一个面积4倍于实心小正方形的方形定位单元。
实施例3：
一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，包括由下往上依次叠层设置的第一电极层1、第二电极层2和摩擦层3。
所述第一电极层1包括第一绝缘基底和镀在第一绝缘基底上表面的第一电极。
所述第一电极为列电极，第二电极为行电极。
第一电极包括n个第一电极单元。第i个第一电极单元包括对角连接的2个第一电极分块和用于连接2个第一电极分块的第一电极连接线Ii。i＝1,2，…，n。
第i个第一电极单元和第i个第二电极单元呈矩形分布，其中，第一电极连接线Ii和第二电极连接线IIi相交于一点。
第一电极分块和第二电极分块不接触。
所述第二电极层2包括第二绝缘基底和镀在第二绝缘基底上表面的第二电极。
所述第二电极包括n个第二电极单元。第i个第二电极单元包括对角连接的2个第二电极分块和用于连接2个第二电极分块的第二电极连接线IIi。
n个第一电极单元和n个第二电极单元构成电极矩阵。
所述摩擦层3覆盖在第二电极层2上表面。
所述摩擦层3的材料包括氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚二甲基硅氧烷PDMS等在摩擦电序列中趋向负方向的材料，在接触中更容易得到电子(常见材料的摩擦电序列见附图)。
当使用者接触摩擦层3表面，摩擦层3得到电子带负电，令第一电极层1和第二电极层2产生静电感应，得到与摩擦层3相反的电荷，进而在第一电极层1、第二电极层2和地面之间产生电荷转移，形成传感信号。
参见图11，无论是开路电压(第3列图)，还是负载电压(第 4列图)，在行列电极间均未设置屏蔽层的情况下，本发明设计的单元细分行列互补结构(第3排图，排指横向)，都获得了最小的串扰，可以直接应用于触觉定位。如图所示，当接触左下单元(B3单元)，第2列COMSOL仿真电势变化情况，只有本发明所设计结构，在行列电极产生的电势变化，可以区分于其他单元；第3列、第4 列实际测试数据，当依次接触单元B1、B2、B3、B4,只有本发明所设计结构，在行列电极引出的开路电压(第3列)、负载电压(第4 列)，具有最小的串扰，使目标通道信号可以区分于其他通道信号。
实施例4：
参见图12至图14，一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元的测试实验，主要如下：
参见图13和图14，在行列电极间没有屏蔽层的情况下，当手指在以本发明设计的单元构成的3*3矩阵式定位触摸板上划出“T”, 各个行列电极引导出的信号可以清晰地映射出触摸轨迹“T”。
图12为仿真数据，第3列图为仿真数据导出所作的图，红色点线表示物体接触左下角单元时空间上最近的电极(这里是X2行电极，这个仿真中行电极设置在列电极上层)，其电势变化归一化为1；蓝色点线是Y1列电极的电势变化。当物体接触左下单元，X2和Y1都将有明显电势变化，而X1和Y2(黑色、绿色点线)理想情况下应该没有电势变化。X1和Y2电势变化越小，说明两层电极之间重叠面积越小，相互感应越少，邻近单元的串扰越小。图12第3列图所示，本发明所设计结构(第3排图)的串扰情况较前两种(第1、2排图) 明显降低，且在本发明基础上在行列电极之间增加屏蔽层(第4排图)，比没有设置屏蔽层，效果相差不大，说明本发明所设计结构，实际使用时可以省略掉屏蔽层。

Claims (9)

1.一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：包括由下往上依次叠层设置的第一电极层(1)、第二电极层(2)和摩擦层(3)；
所述第一电极层(1)包括第一绝缘基底和镀在第一绝缘基底上表面的第一电极；
第一电极包括n个第一电极单元；第i个第一电极单元包括对角连接的2个第一电极分块和用于连接2个第一电极分块的第一电极连接线Ii；i＝1,2，…，n；
所述第二电极层(2)包括第二绝缘基底和镀在第二绝缘基底上表面的第二电极；
所述第二电极包括n个第二电极单元；第i个第二电极单元包括对角连接的2个第二电极分块和用于连接2个第二电极分块的第二电极连接线IIi；
第i个第一电极单元和第i个第二电极单元呈矩形分布，其中，第一电极连接线Ii在第二电极层(2)上的投影和第二电极连接线IIi相交于一点，第一电极层(1)和第二电极层(2)之间有一层绝缘层相隔，所述交点是空间上的重叠，不是实质的电气连接；
所述摩擦层(3)覆盖在第二电极层(2)上表面。
2.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：所述第一电极为行电极，第二电极为列电极。
3.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：所述第一电极为列电极，第二电极为行电极。
4.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：第一电极分块在第二电极层(2)上的投影与第二电极分块不接触。
5.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：n个第一电极单元和n个第二电极单元构成电极矩阵；n为正整数。
6.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：第i个第一电极单元和第i个第二电极单元构成面积为m倍第一电极分块的正方形；m＝22，32，42，52…h2；m、h为正整数。
7.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：第一电极分块和第二电极分块面积相等。
8.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：当使用者接触摩擦层(3)表面，摩擦层(3)得到电子带负电，令第一电极层(1)和第二电极层(2)产生静电感应，得到与摩擦层(3)相反的电荷，进而在第一电极层(1)、第二电极层(2)和地面之间产生电荷转移，形成传感信号。
9.根据权利要求1所述的一种低串扰可无限细分的矩阵式触觉传感单元，其特征在于：所述摩擦层(3)的材料包括氟化乙烯丙烯共聚物FEP、聚二甲基硅氧烷PDMS。
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