一種三維多點(diǎn)式觸摸屏及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于觸摸屏技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種=維多點(diǎn)式觸摸屏，具體設(shè)及一種基于= 維電容式壓力傳感器的多點(diǎn)觸摸屏。
【背景技術(shù)】
[0002] 電容式觸覺(jué)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、靈敏度高W及動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，尤 其是對(duì)高溫、福射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性比較強(qiáng)。但是，該類型的傳感器輸出一般會(huì)表 現(xiàn)為非線性，并且固有的寄生電容和分布電容均會(huì)對(duì)傳感器的靈敏度和測(cè)量精度產(chǎn)生影 響。上世紀(jì)70年代W來(lái)，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的 電容式傳感器，該種新型的傳感器能夠大大減小分布電容的影響，克服了其固有的缺點(diǎn)。電 容式觸覺(jué)傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅?。壓力傳感器都只是采集豎直方 向上的壓力；如中國(guó)專利CN201110074892. 6采用的是10個(gè)對(duì)應(yīng)腳底壓力分布點(diǎn)的薄膜壓 力傳感器；CN201010230489. 3采用的是8列X10行的矩陣壓力傳感器，CN2012102984097 采用的40乘W40壓敏電阻矩陣，不能進(jìn)行S維力計(jì)算。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 根據(jù)W上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種=維多點(diǎn)式觸摸屏及其控制方法，通 過(guò)采用=維電容式壓力傳感器，能夠及時(shí)準(zhǔn)確感應(yīng)同時(shí)發(fā)生的多個(gè)觸摸，W及準(zhǔn)確記錄每 個(gè)觸電的壓力和軌跡。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種=維多點(diǎn)式觸摸屏，包括具有 項(xiàng)部表面和底部表面的觸摸層、連接到觸摸層底部表面的壓力傳感器陣列、與壓力傳感器 陣列連接的控制單元、由基底和周緣組成的觸摸屏外殼，所述觸摸層置于觸摸屏外殼中，觸 摸層和周緣直接設(shè)有由彈性材料組成的緩沖層，連接到觸摸層底部表面的壓力傳感器陣列 使得施加到頂部表面的觸摸壓力傳給觸摸壓力位置附近的壓力傳感器。觸摸層由彈性材料 形成，且具有隔離潮氣和塵±的特性，同時(shí)觸摸層對(duì)觸摸具有靈敏和精確性。控制單元包括 觸控行為控制單元、位置采集控制單元，分別與觸控行為控制單元和位置采集控制單元連 接的主控單元，所述位置采集控制單元用于采集觸控點(diǎn)數(shù)、觸控位置，所述觸控行為單元檢 測(cè)觸摸屏是否有觸控行為。
[0005] 所述觸控感知傳感器包括X方向差動(dòng)電容單元組合和Y方向差動(dòng)電容單元組合， 設(shè)置于觸摸屏的端角，與觸控行為控制單元單元，觸控感知傳感器的靈敏度高于壓力傳感 器。所述控制單元端角的觸控感知傳感器處于工作狀態(tài)，壓力傳感器陳列處于低功耗狀態(tài)。 通過(guò)設(shè)立觸控感知傳感器避免出現(xiàn)非正常觸摸或感應(yīng)的響應(yīng)，并降低功耗。觸控感知傳感 器最少設(shè)置為4個(gè)，分別有2個(gè)電容單元組成X方向差動(dòng)電容單元組合和Y方向差動(dòng)電容 單元組合，布設(shè)的數(shù)量的增加利于提高對(duì)觸摸屏的檢測(cè)可靠性。本【具體實(shí)施方式】，中分別于 屏體的4個(gè)端角設(shè)立4個(gè)電容單元，如果超過(guò)4個(gè)時(shí)，可W設(shè)置于端邊或側(cè)邊上。
[0006] 所述壓力傳感器陣列包括與控制單元分別連接的X方向差動(dòng)電容單元組合和Y方 向差動(dòng)電容單元組合，所述X方向差動(dòng)電容單元組合通過(guò)電容值相減計(jì)算X方向的切向力 且消除Y方向切向力影響，所述Y方向差動(dòng)電容單元組合通過(guò)電容值相減計(jì)算Y方向的切 向力且消除X方向切向力影響，所述X方向差動(dòng)電容單元組合和Y方向差動(dòng)電容單元組合 的電容值求和計(jì)算電容傳感器的法向力且消除切向力影響，所述X方向差動(dòng)電容單元組合 和Y方向差動(dòng)電容單元組合均包括兩個(gè)W上相互形成差動(dòng)的電容單元模塊，所述電容單元 模塊是由兩個(gè)W上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)條狀電容單元包括上極板的驅(qū) 動(dòng)電極和下極板的感應(yīng)電極。所述每個(gè)條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū) 動(dòng)電極的長(zhǎng)度大于感應(yīng)電極長(zhǎng)度，驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度兩端分別預(yù)留左差位5g和右差位5t，b。 驅(qū)=b〇感+ 5右+ 5左，其中，b〇驅(qū)為條狀電容單元的驅(qū)動(dòng)電極長(zhǎng)度，b〇感為條狀電容單元的感應(yīng) 電極長(zhǎng)度，所述差位5^= 5t，且34'^，其中d。為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的 抗剪模量，TmJ%最大應(yīng)力值。所述兩組相互形成差動(dòng)的電容單元模塊的條狀電容單元的 驅(qū)動(dòng)電極和感應(yīng)電極沿寬度方向設(shè)有初始錯(cuò)位偏移，錯(cuò)位偏移大小相同、方向相反。所述梳 齒狀結(jié)構(gòu)包括20個(gè)W上條狀電容單元、與條狀電容單元一一對(duì)應(yīng)連接的引線，相鄰兩條狀 電容單元之間設(shè)有電極間距as，所述平行板面積S=M(au+ajb。，其中，M為條狀電容單元 數(shù)量，b。為條狀電容單元的長(zhǎng)度，a。條狀電容單元的寬度，所述電容單元模塊的每個(gè)條狀電 容單元的引線通過(guò)并聯(lián)或者獨(dú)立方式連接到控制單元。所述條狀電容單元的寬度％ =^， 其中，d。為彈性介質(zhì)厚度，E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述控制 單元和電容單元模塊之間設(shè)有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓對(duì)電容或頻率對(duì)電容 的傳輸系數(shù)。所述觸摸屏外殼基底和觸摸位置壓力傳感器和觸控行為壓力傳感器之間設(shè)有 支撐層，所述支撐層由具有震動(dòng)吸收特性的材料形成。
[0007] -種=維多點(diǎn)式觸摸屏的控制方法，該方法包括W下步驟；步驟一、設(shè)備啟動(dòng)后， 控制單元的觸控行為控制單元采集觸控行為壓力傳感器的值，傳感器陣列處于休眠狀態(tài)， 當(dāng)出觸控行為壓力傳感器值改變；步驟二、對(duì)壓力傳感器陣列的電容單元進(jìn)行電容采集，位 置采集控制單元為采集的數(shù)據(jù)分析采集觸控點(diǎn)數(shù)和觸控位置；步驟=、主控單元根據(jù)觸控 點(diǎn)數(shù)和觸控的位置對(duì)電容單元進(jìn)行分組，分別形成由X方向差動(dòng)電容單元組合和Y方向差 動(dòng)電容單元組合形成的觸控點(diǎn)電容組；根據(jù)觸控點(diǎn)電容組的數(shù)據(jù)計(jì)算本觸控點(diǎn)觸控位置的 坐標(biāo)和運(yùn)行軌跡；步驟四、輸出計(jì)算數(shù)據(jù)。
[0008] 所述步驟S觸控點(diǎn)觸控位置的坐標(biāo)通過(guò)步驟；步驟a、設(shè)觸控點(diǎn)的坐標(biāo)為 (Xj,yj)，其中j= 1，2,…，M，M為觸控點(diǎn)已知數(shù)量，與觸控點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的電容單元坐標(biāo) 為（ai.bi)，其中i= 1，2,…，N，N為觸控點(diǎn)已知數(shù)量，N為關(guān)聯(lián)電容單元的已知數(shù)量，
步驟b、分別列出觸控點(diǎn)和相關(guān)聯(lián)的電容距離 方程，并根據(jù)觸控點(diǎn)為任意兩相關(guān)點(diǎn)W距離為半徑的園的交叉點(diǎn)，求出觸控點(diǎn)的坐標(biāo)；步驟C、根據(jù)觸控點(diǎn)電容組的輸出值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出壓力的大小和方向，及其移動(dòng)軌跡。所述步 驟C移動(dòng)軌跡的計(jì)算通過(guò)壓力進(jìn)行微積分劃出移動(dòng)軌跡，并通過(guò)觸控點(diǎn)的各個(gè)電容單元的 變化對(duì)移動(dòng)軌跡進(jìn)行累加，電容單元的電容值的變化用于確定各個(gè)方向移動(dòng)的時(shí)間。
[0009] 每個(gè)電容單元都具有一對(duì)傳感器導(dǎo)線連接到控制單元，導(dǎo)線通過(guò)電容單元之間縫 隙引出，用于測(cè)量電容單元的變化量，該變化由在屏幕位置的單個(gè)或多個(gè)觸摸和壓力引起。 所述觸摸屏外殼基底和觸摸位置壓力傳感器和觸控行為壓力傳感器之間設(shè)有支撐層，所述 支撐層由具有震動(dòng)吸收特性的材料形成。所述壓力傳感器陣列底面與支撐層連接。壓力傳 感器陣列布置與支撐層和觸摸層之間，用過(guò)膠粘連接。支撐層用于使傳感器陣列保持水平， 從而防止錯(cuò)誤讀取。為了實(shí)現(xiàn)高精度的定位和降低環(huán)境噪音對(duì)電容變化檢測(cè)信號(hào)的影響， 控制單元設(shè)有內(nèi)嵌口限檢測(cè)、噪聲信號(hào)濾波和空間差值算法等單元。
[0010] 本發(fā)明有益效果是；為了提高接觸式電容=維力傳感器的靈敏度，轉(zhuǎn)換精度W及 機(jī)器人觸覺(jué)傳感系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)出了WPCB板為平行板電極和PDMS為基材的 介質(zhì)層，平面尺寸為10X10mm2的組合式電容敏感器件。推導(dǎo)了法向和切向應(yīng)力張量敏感 單元的輸入輸出特性及其相應(yīng)的線性度與靈敏度公式。W此為基礎(chǔ)并參照成熟的器件制造 工藝，提出了具有梳齒狀電極的敏感單元，并在極板表面上實(shí)現(xiàn)差動(dòng)組合、求和組合的電極 平面設(shè)計(jì)，從而使法向與切向轉(zhuǎn)換都達(dá)到較高的線性、精度與靈敏度。設(shè)計(jì)指標(biāo)中，電容轉(zhuǎn) 換的的法向靈敏度和切向靈敏度可達(dá)到810巧/N，為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)提供了一種新 型方便靈