CN115729385A

CN115729385A - 基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法

Info

Publication number: CN115729385A
Application number: CN202111014227.8A
Authority: CN
Inventors: 娄亮; 吴志鹏; 黄帅; 张麟伟; 刘洋
Original assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Current assignee: Shanghai Industrial Utechnology Research Institute
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2021-08-31
Publication date: 2023-03-03

Abstract

本发明提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，包括超声笔、接收模块及智能终端设备，通过在超声笔中设置压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT、超声笔控制器，以及在接收模块中设置第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，从而利用PMUT尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与笔式人机交互相结合，从而可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格，同时提高设备性能。

Description

基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法

技术领域

本发明涉及超声定位领域，特别是涉及一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法。

背景技术

随着信息技术的发展，传统的人机交互方式如键盘、鼠标，已难以满足人们对于高质量人机交互的需要。笔式交互是一种重要的人机交互方式，通过类似于传统的纸笔隐喻(Metaphor)来提供给人们最大的习惯性。同时，笔式人机交互避免了对键盘、鼠标的需要，满足了现有智能终端设备小型化、便携化的要求。笔式人机交互中最关键的技术是笔的定位，目前用于笔式人机交互中的空间定位技术主要包括激光定位技术、红外光学定位技术、可见光定位技术、计算机视觉、惯性传感器定位、超声波定位技术。上述定位技术中，超声波对颜色、光强度不敏感；超声波对光线和电磁场的敏感程度低，可在黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰等环境中使用；超声波换能器构成的传感器结构实现简单、制作成本低廉、信号分析与处理简便可靠，方便实现便携化、集成化及实时性控制。因此，超声波定位技术在人机交互中得到了广泛的发展。

现有的超声笔式人机交互技术多基于传统体压电超声换能器制备，其中，体压电换能器的原理主要是利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器，且当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。

因此，提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，用于解决现有技术中超声笔式人机交互在应用及制备上的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统，所述二维笔式交互系统包括：

超声笔，所述超声笔包括压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT以及超声笔控制器，所述压力传感器将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器，所述超声笔控制器分别启动所述笔头PMUT及笔尾PMUT，并通过所述笔头PMUT发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT发送第二超声信号；

接收模块，所述接收模块包括第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，且所述超声笔向所述接收模块发送同步信号，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT用以接收所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接收模块控制器进行解析，获取所述超声笔的空间位置信息；

智能终端设备，所述智能终端设备接收所述超声笔的所述空间位置信息，完成交互。

可选地，所述超声笔与所述接收模块工作于有线模式或无线模式，以进行所述同步信号的传输。

可选地，当所述超声笔与所述接收模块工作于无线模式时，所述超声笔还包括与所述超声笔控制器电连接的第一红外传感器或第一射频传感器，且对应的所述接收模块还包括与所述接收模块控制器电连接的第二红外传感器或第二射频传感器。

可选地，所述超声笔包括1～3个所述压力传感器。

可选地，所述笔式交互系统中的PMUT为由PMUT阵元所构成的PMUT阵列。

可选地，所述PMUT阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。

可选地，所述智能终端设备包括PC、智能手机及平板电脑中的一种或组合；所述接收模块与所述智能终端设备工作于有线模式或无线模式。

可选地，所述笔式交互系统还包括底板。

本发明还提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的交互方法，包括以下步骤：

通过所述压力传感器唤醒所述超声笔，且所述压力传感器将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器；

所述超声笔向所述接收模块发送同步信号，同时通过所述笔头PMUT发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT发送第二超声信号；

所述接收模块接收到所述超声笔发送的同步信号后，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT用以接收所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接收模块控制器进行解析，获取所述超声笔的空间位置信息；

所述接收模块将所述超声笔的空间位置信息发送至所述智能终端设备，完成交互。

可选地，获取所述超声笔的空间位置信息包括所述超声笔的坐标信息以及姿态角信息，包括以下步骤：

以所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的连线中心作为原点，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的连线作为x轴，垂直x轴的直线为y轴，建立坐标系，其中，所述第一接收PMUT的坐标为(x_r1，0)，所述第二接收PMUT的坐标为(x_r2，0)，所述笔头PMUT的坐标为(x_t1，y_t1)，所述笔尾PMUT的坐标为(x_t2，y_t2)；

以所述超声笔发送的同步信号为基准，所述笔头PMUT(x_t1，y_t1)所发射的所述第一超声信号到达所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的时间分别为t₁和t₂，所述笔尾PMUT(x_t2，y_t2)所发射的所述第二超声信号到达所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的时间分别为t₃和t₄，设定超声波的传播速度为c，则得到下述方程：

通过求解上述方程，即可求得所述笔尾PMUT(x_t2，y_t2)及笔头PMUT(x_t1，y_t1)的坐标信息；

由所述笔尾PMUT及笔头PMUT之间的距离为d₁，所述笔头PMUT及笔尖之间距离为d₂，所述超声笔与水平面的姿态角为θ，结合下述方程：

设笔尖坐标为(x，y)，则通过

(x-x_t2)²+(y-y_t2)²＝((d₁+d₂)×cosθ)²

即可求得所述笔尖坐标(x，y)和所述姿态角θ，获取所述超声笔的坐标信息以及姿态角信息。

如上所述，本发明的基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，包括超声笔、接收模块及智能终端设备，通过在超声笔中设置压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT、超声笔控制器，以及在接收模块中设置第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，从而压力传感器可将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给超声笔控制器，超声笔控制器分别启动笔头PMUT及笔尾PMUT，并通过笔头PMUT发送第一超声信号，通过笔尾PMUT发送第二超声信号；超声笔向接收模块发送同步信号，接收模块中的第一接收PMUT及第二接收PMUT接收第一超声信号及第二超声信号，且第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给接收模块控制器，通过接收模块控制器进行解析，获取超声笔的空间位置信息，智能终端设备接收超声笔的空间位置信息，完成交互。本发明利用PMUT尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与笔式人机交互相结合，从而可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格，同时提高设备性能。

附图说明

图1显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的结构示意图。

图2显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的超声笔的结构示意图。

图3显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的接收模块的结构示意图。

图4显示为实施例中PMUT阵列的结构示意图。

图5显示为实施例中PMUT阵元的剖面结构示意图。

图6显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的结构框图。

图7显示为实施例中基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的交互方法流程图。

元件标号说明

100 底板

200 超声笔

201 笔体

202 笔尾PMUT

203 红外/射频传感器

204 笔头PMUT

205 压力传感器

300 接收模块

301 接收模块本体

302 第一接收PMUT

303 接收红外/射频传感器

304 第二接收PMUT

400 智能终端设备

500 PMUT阵列

510 PMUT阵元

501 Si衬底

502 空腔

503 Si结构层

504 底电极

505 压电层

506 顶电极

507 SiO₂绝缘层

508 第一铝电极

509 第二铝电极

具体实施方式

目前，基于微机电系统(微机电系统英文全称：Micro-Electro-MechanicalSystem，简称：MEMS)制作的微机械超声换能器(微机械超声换能器英文全称：Micromachined Ultrasonic Transducer，简称：MUT)工作在弯曲模式，具有刚度较低的振动薄膜，并且其谐振频率通过平面内尺寸控制，对加工精度要求较小。随着MEMS超声换能器技术的逐渐成熟，由于其兼具高性能、低成本、容易实现大规模生产的优点，微机械超声换能器将逐步取代传统的体压电换能器。

微机械超声换能器主要分两种：电容式微机械超声换能器(Capacitance MUT，CMUT)和压电式微机械超声换能器(Piezoelectric MUT，PMUT)。其中，CMUT利用上下极板间形成的电容，通过金属电极间的直流偏置电压使振动薄膜向下弯曲，再通过施加一定频率的交流电压，驱动薄膜上下振动，推动介质辐射超声波。反之，振动薄膜在直流偏置电压的作用下保持静态弯曲平衡，当超声波推动薄膜振动时，电极间距的改变引起电容值的改变，从而产生与声波相关的电信号。根据CMUT的工作原理，为了维持较高的输出压力和灵敏度，其需要数百伏的偏置电压和亚微米的极板间间隙。较小的间隙导致了复杂的制造流程，以及极板间的粘连问题；数百伏的偏置电压进一步增加了系统的复杂性，也带来了安全隐患。PMUT基于压电薄膜的压电效应/逆压电效应可实现电能和声能的相互转换，相较于CMUT，PMUT结构简单，容易制造，并且不需要数百伏的偏置电压，从而便于应用在智能终端领域。

本实施例将PMUT应用于二维笔式交互系统，利用PMUT尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与笔式人机交互相结合，将能大幅缩小设备尺寸、减小设备价格，同时提高设备性能。

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统，所述笔式交互系统包括：底板100、超声笔200、接收模块300及智能终端设备400。

其中，所述超声笔200及接收模块300均基于压电微机械超声换能器(PMUT)设计。所述底板100用于提供书写平面，因此若书写平面平整，所述二维笔式交互系统也可不布置该部件。所述超声笔200用于发射反映当前所述超声笔200的空间位置信息；所述接收模块300用于接收所述超声笔200发射的超声信号，并解析当前所述超声笔200的空间位置信息，同时将解析完成的空间位置信息发送至所述智能终端设备400完成交互。

具体的，如图2，本实施例中，所述超声笔200包括笔体201、笔尾PMUT202、红外/射频传感器203、笔头PMUT204，以及压力传感器205。进一步的，如图6，所述超声笔200还包括超声笔控制器，用于调控整个所述超声笔200，且为便于所述超声笔200的应用，所述超声笔200中还可设置供电单元，以为各传感器供电，但并非局限于此，如所述超声笔200也可采用有线模式进行供电。

本实施例中，优选所述超声笔200包括2个所述压力传感器205，且所述压力传感器205设置于所述笔体201的两侧，以便于通过手持给予所述超声笔200压力，从而通过所述压力传感器205将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器用于唤醒所述超声笔200，而后所述超声笔控制器可分别启动所述笔头PMUT204及笔尾PMUT202，并通过所述笔头PMUT204发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT202发送第二超声信号。但所述压力传感器205的数量并非局限于此，如所述压力传感器205的数量也可设置为1个或3个等，具体可根据需要进行设置，此处不作过分限制。

具体的，如图3，本实施例中，所述接收模块300包括接收模块本体301、第一接收PMUT302、接收红外/射频传感器303及第二接收PMUT304。进一步的，如图6，所述接收模块300还可包括超声信号处理电路、接收模块控制器及供电单元。在所述接收红外/射频传感器303接收到所述超声笔200发送的同步信号后，由所述第一接收PMUT302和第二接收PMUT304接收和处理所述超声笔200发送的所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接收模块控制器进行解析，获取所述超声笔200的空间位置信息，并将空间位置信息发送至所述智能终端设备400。

参阅图2、图3及图6可知，本实施例中，优选所述超声笔200与所述接收模块300工作于无线模式，以进行所述同步信号的传输，即所述超声笔200上设置有红外/射频传感器203，且对应的所述接收模块300上设置有与所述红外/射频传感器203对应的所述接收红外/射频传感器303，以通过所述红外/射频传感器203及接收红外/射频传感器303实现所述超声笔200向所述接收模块300发送同步信号。其中，所述超声笔200及所述接收模块300进行无线传输时所采用的传感器并非仅局限于红外/射频传感器，具体种类可根据需要进行选择。

在另一实施例中，所述超声笔200与所述接收模块300也可工作于有线模式，如可将所述超声笔200直接与所述接收模块300进行相连，可由所述超声笔控制器和接收模块控制器直接实现同步信号，而无需设置所述红外/射频传感器203及所述接收红外/射频传感器303。

作为示例，所述超声笔200及接收模块300中的PMUT为由PMUT阵元510所构成的PMUT阵列500。

具体的，参阅图4，本实施例中所涉及的所述笔尾PMUT202、笔头PMUT204、第一接收PMUT302和第二接收PMUT304均为PMUT阵列500，即为由若干个PMUT阵元510所构成的PMUT阵列500，所述PMUT阵列500还包括若干个顶电极焊盘和若干个底电极焊盘。图4所示的所述PMUT阵列500中所有PMUT阵元510共顶电极和底电极，并由顶电极焊盘和底电极焊盘分别引出。

如图5显示为所述PMUT阵元510的剖面结构图，所述PMUT阵列500中的所述PMUT阵元510通过MEMS技术加工而成，自上而下包括SiO₂绝缘层507、顶电极506、压电层505、底电极504、Si结构层503、Si衬底501。其中，所述Si衬底501刻蚀有空腔502用以保证PMUT的弯曲振动。第一铝电极508和第二铝电极509分别用于引出所述底电极504和顶电极506。当在所述底电极504和顶电极506之间施加交流电场时，所述压电层505中产生的横向应力将带动所述PMUT阵元510弯曲振动，从而产生超声波。其中，所述PMUT阵列500的所述PMUT阵元510的数目优选大于2，所述PMUT阵元510可采用相同结构或不同结构。所述压电层505可为AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层或压电陶瓷层。

本实施例中，优选所述PMUT阵列500所有的所述PMUT阵元510的结构均相同，以及优选所述压电层505为AlN压电层，但所述PMUT阵列500的材质、结构等的选择并非局限于此。

作为示例，所述智能终端设备400可包括PC、智能手机及平板电脑中的一种或组合；所述接收模块300与所述智能终端设备400可工作于有线模式或无线模式，所述智能终端设备400的种类及与所述接收模块300的通讯方式，此处不作过分限制。

参阅图6及图7，本实施例还提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的交互方法，包括以下步骤：

通过所述压力传感器205唤醒所述超声笔200，且所述压力传感器205将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器；

所述超声笔200向所述接收模块300发送同步信号，同时通过所述笔头PMUT204发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT202发送第二超声信号；

所述接收模块300接收到所述超声笔200发送的同步信号后，所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304用以接收所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接收模块控制器进行解析，获取所述超声笔200的空间位置信息；

所述接收模块300将所述超声笔的空间位置信息发送至所述智能终端设备400，完成交互。

作为示例，获取所述超声笔200的空间位置信息包括所述超声笔的坐标信息以及姿态角信息，具体可包括以下步骤：

以所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304的连线中心作为原点，所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304的连线作为x轴，垂直x轴的直线为y轴，建立坐标系，其中，所述第一接收PMUT302的坐标为(x_r1，0)，所述第二接收PMUT304的坐标为(x_r2，0)，所述笔头PMUT204的坐标为(x_t1，y_t1)，所述笔尾PMUT202的坐标为(x_t2，y_t2)；

以所述超声笔200发送的同步信号为基准，所述笔头PMUT204(x_t1，y_t1)所发射的所述第一超声信号到达所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304的时间分别为t₁和t₂，所述笔尾PMUT202(x_t2，y_t2)所发射的所述第二超声信号到达所述第一接收PMUT302及第二接收PMUT304的时间分别为t₃和t₄，设定超声波的传播速度为c，则得到下述方程：

通过求解上述方程，即可求得所述笔尾PMUT202(x_t2，y_t2)及笔头PMUT204(x_t1，y_t1)的坐标信息，即可求解出x_t1，x_t2，y_t1及y_t2的取值；

由所述笔尾PMUT202及笔头PMUT204之间的距离为d₁，所述笔头PMUT204及笔尖之间距离为d₂，所述超声笔200与水平面的姿态角为θ，结合下述方程：

设笔尖坐标为(x，y)，则通过

(x-x_t2)²+(y-y_t2)²＝((d₁+d₂)×cosθ)²

综上所述，本发明的基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，包括超声笔、接收模块及智能终端设备，通过在超声笔中设置压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT、超声笔控制器，以及在接收模块中设置第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，从而压力传感器可将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给超声笔控制器，超声笔控制器分别启动笔头PMUT及笔尾PMUT，并通过笔头PMUT发送第一超声信号，通过笔尾PMUT发送第二超声信号；超声笔向接收模块发送同步信号，接收模块中的第一接收PMUT及第二接收PMUT接收第一超声信号及第二超声信号，且第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给接收模块控制器，通过接收模块控制器进行解析，获取超声笔的空间位置信息，智能终端设备接收超声笔的空间位置信息，完成交互。本发明利用PMUT尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与笔式人机交互相结合，从而可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格，同时提高设备性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。