一種觸控傳感方法與流程

2023-08-05 03:21:26

本發明涉及一種觸控傳感技術，尤其是涉及一種可實現真正意義上的3d觸摸技術和通過多組導電模塊得到觸摸壓力、位移方向、位置坐標、形變量等多種參數的觸控傳感方法。

背景技術：

forcetouch(壓感觸控)是apple用於applewatch、全新macbook以及全新macbookpro的一項觸摸傳感技術。通過forcetouch，設備可以感知輕壓以及重壓的力度，並調出不同的對應功能。apple也表示forcetouch是研發multi-touch(多點觸控)以來，最重要的全新感應功能。雖然forcetouch可以感測壓力，並對壓力進行分級，但是對壓力的定位無法捕捉，只能從觸摸趨勢上，簡單盤觸摸方向，從而識別出手勢動作。

電容觸控傳感技術是通過透明導電電極組成的矩陣，在矩陣中驅動和接受導電電極的信號變化，來感測導體或者手指對矩陣上方蓋板材料的觸控信號的幹擾來判斷手指觸控的坐標和接觸點的面積來工作。通過接觸點面積的擴大，來判斷使用者力度，對於柔性觸摸物來說，其接觸面積和力度會有一定的函數變化關係。

電容觸控傳感技術為實現3dtouch，實際是採用接觸面面積來計算壓力，是一個通過2維量來推算3維量的方式，並非真正意義的3維觸控技術。如果針對硬的接觸物來說，一，接觸面積不會隨接觸力度增大，至少不會呈線性趨勢增大；二，非導體的物質接觸，電容式觸控螢幕，不會被偵測到。

壓電式傳感器是基於壓電效應的傳感器，是一種機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料製成，壓電材料受力後表面產生電荷，此電荷經電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗後就成為正比於所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用於測量力和能變換為力的非電物理量。它的優點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要採用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。另外對環境變化要求也不能太大。

壓阻式傳感器是指利用單晶矽材料的壓阻效應和集成電路技術製成的傳感器。單晶矽材料在受到力的作用後，電阻率發生變化，通過測量電路就可得到正比於力變化的電信號輸出。壓阻式傳感器用於壓力、拉力、壓力差和可以轉變為力的變化的其他物理量(如液位、加速度、重量、應變、流量、真空度)的測量和控制。缺點依然是對環境變化無法及時適應。

上述幾種現有觸控方案都是基於接觸性的觸摸操作，對於材料形成一定的形變造成的壓力感應觸摸。但在接觸到觸摸蓋板之前沒有偵測到觸摸物的動作和對觸摸物給予反饋。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種觸控傳感方法，以實現非接觸式觸摸反饋感應，以及實現對觸摸的壓力、位移方向、坐標、形變量等參數的測量。

為實現上述目的，本發明提出如下技術方案：一種觸控傳感方法，所述方法包括：

s1，在觸摸物接觸到觸摸蓋板之前偵測觸摸物到觸摸蓋板的距離以及對觸摸物給予觸覺反饋；

s2，在觸摸蓋板的下方至少設置一組導電模塊，按壓所述觸控蓋板，通過所述導電模塊的參數變化情況，判斷出所述觸摸蓋板上方觸摸物的壓力、位移方向和位置坐標中的至少一種參數。

優選地，所述觸摸物到觸摸蓋板的距離是通過電容感應進行測量。

優選地，所述觸摸物到觸摸蓋板的距離測量包括：在觸摸物接近觸摸蓋板時，觸摸物與觸摸蓋板下方的電容極板組成等效電容，通過給所述電容極板驅動一個交流信號，根據等效電容的充放電時間來判斷觸摸物到觸摸蓋板的距離。

優選地，所述觸摸蓋板對觸摸物給予觸覺反饋的過程包括：觸摸蓋板在感測到觸摸物接近的同時，對觸摸蓋板下方的線圈輸入變化的電流信號，對線圈進行驅動，促使觸摸蓋板上方形成變化的磁場，通過對觸摸物進行磁力排斥，從而對觸摸的手指給予觸覺反饋。

優選地，在驅動線圈形成磁場的過程中不斷調整驅動，讓磁場發生變化，使磁場力隨觸摸物接近蓋板的距離產生線性變化，讓觸摸物感知磁場排斥力變化判斷出到觸摸蓋板的距離發生變化。

優選地，所述觸摸蓋板對觸摸物給予觸覺反饋的過程還包括：在觸摸蓋板的觸摸範圍下方設置多個磁場，再通過調節各磁場的排斥力大小，讓觸摸物感覺到不同的力量反饋。

優選地，所述觸摸蓋板對觸摸物給予觸覺反饋的過程還包括：在觸摸蓋板需要實現3d觸摸的範圍下方，設置不同方向的磁場，通過驅動各磁場的方向和產生排斥力的大小，實現3維觸摸。

優選地，所述所述觸摸蓋板對觸摸物給予觸覺反饋的過程還包括：配合vr虛擬顯示，使觸摸物和虛擬顯示的物體進行交互動作。

優選地，所述導電模塊與一測量系統相連，所述導電模塊包括上下兩塊電容極板，電容上極板固定在觸摸蓋板的下方，電容下極板固定在相對位置的下方固定點，所述電容上極板或電容下極板通過導線連接到所述測量系統。

優選地，所述電容上下極板由導電材料組成，所述導電材料至少選自金屬薄膜，金屬片，有機導電材料或納米導電材料的一種，所述納米導電材料至少選自塗布的納米銀，納米銅，金屬中的一種。

優選地，根據測量得到的導電模塊的電容值變化，再根據它們電容值的變化和按壓的力度對應的變化關係，得出觸摸蓋板上方觸摸物的壓力數據。

優選地，根據兩組或兩組以上導電模塊的上下電容極板間的電容值變化推算出極板間距離變化，來判斷觸摸蓋板上壓力的位置，且通過設定一定的閾值來判斷壓力的位置和壓力的位移方向。

優選地，根據三組或三組以上導電模塊的電容極板間的距離變化，識別壓力的位置，通過對應位置的電容變化，識別判斷出單個接觸位置坐標。

優選地，步驟s2中，還包括通過對蓋板材料的形變和壓力/電容變化做補償計算，使得蓋板上各位置的形變和壓力/電容變化呈線性關係變化。

優選地，所述補償計算過程包括：按壓蓋板一固定的位置，計算出觸摸蓋板下方兩組或兩組以上所有導電模塊的電容變化量，並對該位置逐步增加施壓力度，使壓力線性變化，測量蓋板下方電容變化量的上下限，對蓋板材料的形變和壓力做補償計算；並同樣對觸摸蓋板的其他位置，進行校正補償，使得觸摸蓋板各位置的形變都能和壓力/電容變化呈線性關係變化。

優選地，步驟s2中，還包括通過測量蓋板下方相鄰的導電模塊之間電容上極板的電容變化值來判斷蓋板的形變。

本發明的有益效果是：

1、本發明採用非敏感元件組成可變化導電模塊，相對於半導體工藝的壓敏器件，不容易受環境溫溼度變化影響，且安全可靠。

2、本發明在觸摸物接觸到觸摸蓋板之前，通過電容感應原理偵測觸摸物到觸摸蓋板的距離；同時通過磁場對觸摸物的力量作用，在空間上給予觸摸物以力度反饋，判斷到蓋板間的距離變化，且通過非接觸式觸摸反饋感應，配合虛擬顯示技術，完成真正意義的3維觸摸。

3、本發明通過在觸摸蓋板下設置一個或多個導電模塊，根據導電模塊的變化參數，判斷斷外力的大小，和運動趨勢方向，以及通過配合補償計算，給出單個外力接觸的坐標。

4、本發明基於電容值變化和電容極板間距離變化的對應關係的方式還可測量外力對觸摸蓋板造成的形變量。

5、本發明適合各種外形的硬質蓋板的壓力檢測，且成本低廉，通過一個觸控測量系統可以測量多個位置的壓力；測量系統軟體可調式，可智能適應壓力變化。

附圖說明

圖1是本發明觸控傳感方法的流程示意圖；

圖2是本發明觸摸物到觸摸蓋板的距離的測量流程示意圖；

圖3是本發明觸摸蓋板對觸摸物給予觸覺反饋的流程示意圖；

圖4a和圖4b是本發明實施例1的原理示意圖；

圖5a和圖5b是本發明實施例2的原理示意圖；

圖6是本發明實施例3的原理示意圖；

圖7是本發明實施例2的計算蓋板的形變量的原理示意圖；

圖8是本發明實施例3的計算蓋板的形變量的原理示意圖；

具體實施方式

下面將結合本發明的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。

本發明所揭示的一種觸控傳感方法，可實現非接觸式觸摸反饋感應，且通過配合vr虛擬顯示技術，實現真正意義的3維觸摸；也可通過一測量系統配合多個導電模塊，實現觸控壓力大小、位移方向、坐標、觸摸對象形變等參數測量。

如圖1所示，本發明所揭示的所述觸控傳感方法包括以下步驟：

s1，在觸摸物接觸到觸摸蓋板之前偵測觸摸物到觸摸蓋板的距離以及對觸摸物給予觸覺反饋。

結合圖2所示，其中，觸摸物到觸摸蓋板的距離是通過電容感應原理進行測量，具體為：觸摸物接近觸摸蓋板時，觸摸物與觸摸蓋板下方的電容極板組成等效電容，通過給電容極板驅動一個交流信號，根據等效電容的充放電時間來判斷觸摸物到觸摸蓋板的距離。

結合圖3所示，觸摸蓋板對觸摸物給予觸覺反饋的過程具體為：觸摸蓋板在感測到觸摸物接近的同時，對觸摸蓋板下方的線圈輸入變化的電流信號，對線圈進行驅動，促使觸摸蓋板上方形成變化的磁場，通過對觸摸物(如手指)進行磁力排斥，從而對觸摸的手指給予觸覺反饋(如力反饋)。且在驅動線圈形成磁場的過程中需要不斷調整驅動，讓磁場發生變化，使磁場力隨手指接近蓋板的距離產生線性變化，以使手指在移動接近觸摸蓋板的過程中感知磁場排斥力變化判斷出到觸摸蓋板的距離發生變化。

需要說明的是，對於抗磁質的觸摸物手指來說，其磁性非常微弱，磁力線幾乎全部會從抗磁質的周圍繞過，而無法穿過手指，手指會受磁場的排斥作用，感受到空間距離的反饋作用，從而讓觸摸者得到觸覺反饋。具體原理可參考邁斯納效應。

抗磁質在磁場中受磁力的排斥作用原理為：通過在抗磁質表面建立起電流來達到這點。這些抗磁質表面電流的磁場與外加的磁場在抗磁質體內互相抵消。抗磁質受到磁場排斥力的大小和變化的磁感應強度變化有關。另，抗磁質的排斥力來自於組成的所有抗磁質原子的總和，類似於重力的作用。

同時，根據上述磁排斥力的產生機制，可以將在觸摸蓋板觸摸物的觸摸範圍下方設置多個磁場，讓手指在接近觸摸蓋板的各個位置感覺到不同的排斥力，再通過調節各磁場的排斥力大小，同時將磁場設置一定的排列方式，讓手指在空中感覺到不同的力量反饋，模擬出各種材質的觸覺反饋，如感受到字符，從而可以讓盲人或者弱視的人感覺出盲文等應用。

更進一步地，也可以在觸摸蓋板需要實現3d觸摸的範圍下方，設置不同方向的磁場，通過驅動各磁場的方向和產生排斥力的大小，實現真正意義上的3維觸摸。

另外，上述實現的3維觸摸技術配合vr虛擬顯示技術，可以讓手指和虛擬顯示的物體進行交互動作。

s2，在觸摸蓋板的下方至少設置一組導電模塊，按壓觸控蓋板，通過導電模塊的參數變化情況，判斷出觸摸蓋板上方觸摸物的壓力、位移方向和位置坐標中的至少一種參數。

其中，結合圖4～圖8所示，導電模塊與一測量系統相連，具體地，導電模塊包括上下兩塊電容極板，模塊的電容上極板固定在蓋板的下方，電容下極板固定在相對位置的下方固定點，連接對應電容極板(電容上極板)的導線到測量系統。實施時，電容上下極板由導體材料組成，導體材料可以由金屬薄膜，金屬片，有機導電材料或納米導電材料的一種組成，如塗布的納米導電材料：納米銀，納米銅，或者是金屬，其中金屬材料包括塗布在相應位置的銀漿，ito(indiumtinoxide，氧化銦錫)，銅片，鐵片等材料。本發明採用導體材料組成可變化導電模塊，通過物理位移改變其電容大小，使本發明可適用於環境變化較大的情況下

下面結合圖4～圖8所示，以幾個實施例來具體介紹步驟s2的實現原理：

實施例1

結合圖4a和圖4b所示，在觸摸蓋板的下方設置一組導電模塊，通過按壓觸摸蓋板，貼附在蓋板下表面的電容上極板形成微小的位移，即產生向電容下極板靠近的位移，造成電容上下極板間距離的變化，從而通過測量系統得出它們的電容值變化，根據它們電容值的變化和按壓的力度對應的變化關係，得出觸摸蓋板上方觸摸物的壓力數據。

實施例2

結合圖5a和圖5b所示，在觸摸蓋板的下方設置兩組導電模塊，按壓觸摸蓋板，貼附在蓋板下表面的兩塊電容上極板均相對各自的電容下極板形成向下的微小的位移，通過測量系統得出兩組導電模塊的電容值變化，從而得出觸摸蓋板上方觸摸物的壓力。壓力測量原理具體也可參照上述實施例1中的描述。

除能測量得到觸摸蓋板上方觸摸物的壓力參數外，還可根據兩組導電模塊的上下電容極板間的距離變化，來判斷蓋板上壓力的大致位置。且通過設定一定的閾值來判斷壓力的大概方向。

具體地，如觸摸物在靠近左邊一組導電模塊的位置，則對左邊這組導電模塊的按壓力度相對會大些，這樣，左邊這組導電模塊的上下電容極板間的距離相對右邊一組要小，所以可以大概判斷觸摸物在靠近左邊一組導電模塊的位置處；同理，若觸摸物在靠近右邊一組導電模塊的位置處，右邊這組導電模塊的上下電容極板間的距離相對左邊一組要小。也就是說，通過對比兩組導電模塊的上下電容極板間的距離，來判斷蓋板上壓力的大致位置。

另外，當觸摸按壓移動時，可以通過兩組導電模塊的電容值變化的順序和大小來判斷觸摸按壓的位移方向。具體地，隨著觸摸物向一邊導電模塊越來越靠近時，則這一邊的導電模塊上受到的按壓力度也會相應的越來越大，所以這一邊的上下電容極板間的距離也會相對越來越小；相反，另一邊的導電模塊上受到的按壓力度也會相應的越來越小，所以上下電容極板間的距離也會相對越來越大。這樣，兩組導電模塊的上下電容極板間的距離之差也會越來越大。因此，可以通過設定一定的閾值來判斷壓力的大概方向。另外，本發明設定閾值的另一個原因是：考慮到測量系統中含有觸摸控制的裝置在移動的過程中，由於慣性加速度的作用，蓋板也會使導電模塊之間的距離變化。因此，設定閾值，使得系統不會因為在裝置的移動過程中誤報數據。

實施例3

結合圖6所示，在觸摸蓋板的下方設置四組導電模塊，如圖，四組導電模塊分別分布在蓋板下面的四個邊框上，當然，它們的分布位置不限於這種方式。通過施加於蓋板上方的壓力，對各導電模塊造成不同程度的電容值變化，綜合這些電容值，進行蓋板上按壓的大概位置及位移趨勢的判斷，具體判斷原理可參照上述實施例2中的介紹，位置及位移趨勢的判斷是綜合四組導電模塊的參數變化值進行考慮的。當然，設置四組導電模組測量得到的參數值要比設置兩組導電模組要相對精準些。

判斷出蓋板上的按壓位置(即接觸坐標)後，並對於蓋板上的接觸坐標匹配相應壓力數據。

實施例4

在觸摸蓋板的下方設置四組以上的多組導電模塊，如在觸摸蓋板下方邊框內放置一圈導電模塊(如五組或者更多)。通過施加於蓋板上方的壓力，可以識別壓力的位置，通過對應位置的電容變化，再經過校正固定位置後，可以識別判斷出單個接觸位置坐標及相應壓力數據。

本發明通過對蓋板材料的形變和壓力/電容變化做補償計算，使得蓋板上各位置的形變和壓力/電容變化呈線性關係變化。

具體地，點擊蓋板固定的位置，如中心點(蓋板對角線交叉點)，計算出蓋板下方所有導電模塊的電容變化量，並對該點施壓，測量變化量的大致上下限，對蓋板材料的形變和壓力做補償計算。同樣使用這樣的補償辦法對蓋板的其他位置，進行校正補償，使得蓋板各位置的形變都能和壓力/電容變化呈線性關係變化。

實施時，當產品(如顯示器)批量生產後，由於蓋板材料的差異性會使每個蓋板的形變和壓力/電容變化的變化並非能線性對應起來。因此，在產品出廠前，會需要做一個校準性數據補償。具體地，針對蓋板上經常需要觸摸的位置設置若干區域，取一定重量的砝碼壓在每個區域，測量蓋板下方電容的變化值；完成後，更換另一重量的砝碼重複上述動作，會生成一系列的砝碼重力和對應電容值變化的表格，將壓力和電容變化數值通過生成對應的數據關係，還原出此產品蓋板的壓力和電容變化量的函數關係，輸入到測量系統中，完成初始化校準。

結合圖7和圖8所示，步驟s2中，還可通過測量蓋板下方相鄰的導電模塊之間電容上極板的電容變化值來判斷蓋板的形變，如可應用於實施例2～4。如圖8所示由非上下分布的電容極板組成的導電模塊，即在蓋板的四邊分布的電容極板相錯位的導電模塊，根據這四個導電模塊的電容變化即可得出蓋板的形變。

本發明具體實施時，將導電模塊組裝好，整機的觸摸蓋板呈水平放置後，測量系統將初始化採集各導電模塊的參數，並配合初始化壓力按壓，設置好蓋板形變的閾值，為將來終端客戶使用做好壓力感應系統的設置。當觸摸物接近觸摸蓋板時，根據上述s1工作原理，計算出觸摸物到觸摸蓋板的距離以及對觸摸物給予觸覺反饋；在觸摸物對觸摸蓋板施加壓力後，根據導電模塊的參數變化(如電容值變化)情況，判斷出觸摸物的壓力、位移方向、位置坐標、蓋板形變等參數。且測量系統軟體可調式，可智能適應壓力變化，觸覺壓力的大小很難把控，可以在軟體中設置，當手指接觸後，對蓋板壓力形變達到一定等級後，再做出相應的壓力手勢反饋。

當客戶使用一段時間後，電容上下極板間的距離可能由於材料的物理特性損壞無法回彈。本發明將會在測量系統設置自適應感應校正，根據電容值變化設置新的閾值以給壓力分級，輸出相關數據。

本發明的技術內容及技術特徵已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基於本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾，因此，本發明保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，並為本專利申請權利要求所涵蓋。