提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的装置及方法与流程

本发明属于触摸屏设备技术领域，用于提高触屏精度，具体地说是一种提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的装置及方法。

背景技术：

从大众日常使用的手机到医疗设备，许多电子产品上正大规模使用触摸屏。传统的触摸屏定位与检测利用的是电容或电阻，而无论是电容屏还是压阻屏，它们都各有缺陷。随着人们对触摸屏交互的要求的提高，压电屏自身的结构优势和性能优势将使得压电材料在触摸屏上的广泛应用成为未来的必然趋势。

近年来，围绕着触摸屏的特性，许多科研人员开展了多方位的研究，证明了基于压电材料的触摸屏可以实现更高的检测精度。然而成功的压电屏商业应用还很少见，其中需要克服的一个重要的缺陷就在于输出电压值与加载在压电材料上的力之间不稳定的响应关系。已有研究表明，施加于压电材料上的预加静态力对该响应相关系数有重要影响，即不同预加静态力下，相同动态力将产生不同的输出的电荷变化。此外，在触摸屏的应用场景中，常出现用户对触摸屏施加阶梯变化力的情形，即在某一近似为稳定恒力的基础上再施加一定大小的力。因此，在不同预应力大小的情况下矫正压电系数将能显著提高用户施加阶梯压力的时候对力检测的准确性，对于触屏书写体验及某些娱乐交互体验有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的，是要提供一种提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的装置；以矫正压电材料在预应力(静态力)情况下压电系数；

本发明的另外一个目的是提供利用上述装置实现的提高提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的方法。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的装置，包括预应力检测电路、压电信号检测电路和信号采集单元；

所述信号采集单元包括压电材料层与电荷引出部分；

所述预应力检测电路包括微控制器、多路复用器、比较器；所述微控制器的控制引脚与多路复用器的开关控制引脚相连，微控制器的定时器输出引脚通过多路复用器与压电材料层相连，向压电材料层发出脉宽为δt的脉冲；压电材料层通过多路复用器与比较器的正输入端相连，比较器的负输入端与微控制器的dac引脚相连，比较器的输出端与微控制器的中断引脚相连；

所述压电信号检测电路包括电荷-电压转换电路，信号采集单元的输出端与电荷-电压转换电路的输入端相连；

所述电荷-电压转换电路通过模数转换器与微控制器的数字信号输入端相连。

作为限定：所述信号采集单元包括自上而下依次设置的第一保护层、第一电极层、压电材料层、地电极层和第二保护层，第一电极层、第二电极层作为信号采集单元的输出端。

一种提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的方法，采用上述的提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的装置来实现，该方法按照以下步骤顺序进行，

一、检测预应力fstatic

s1、微控制器的控制引脚通过多路复用器的开关控制引脚向多路复用器发出命令，将微控制器的定时器输出引脚与压电材料层接通，微控制器由定时器向压电材料层发送脉宽为δt的脉冲，将压电材料层充电至v0；

s2、微控制器的控制引脚通过多路复用器的开关控制引脚向多路复用器发出命令，将压电材料层与比较器的正输入端接通，压电材料层开始放电，同时微控制器开始计数，直至压电材料层的输出电压小于v1，比较器输出极性翻转，触发微控制器的中断引脚；

s3、记录微控制器的计数值x1，由计数值x1计算得到放电时间τ1；

s4、重复执行步骤s1-s3n次，得到放电时间τ2～τn；

s5、计算n次放电时间的平均值

s6、将代入时间常数与静态力关系曲线得到预应力值fstatic；

其中，n≥0；

二、得出压电系数d33(fstatic)

将fstatic代入压电系数与预应力关系曲线d33-fstatic，可确定在预应力fstatic下的压电系数d33(fstatic)；

三、压电信号检测

p1、当有动态力加载在信号采集单元上时，压电材料层表面产生动态电荷；

p2、动态电荷进入电荷-电压转换电路，被转换成相应的正比于动态电荷量q的模拟信号电压值，并输出至模数转换器；

p3、模数转换器将收到的模拟信号电压值转换成数字电压值并输出至微控制器；

四、计算动态力的大小f

微控制器根据收到的数字电压值，并结合压电系数d33(fstatic)，根据公式q＝d33·f，计算出在所述预应力fstatic下所加的动态力f的大小。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

(1)本发明的硬件结构简单，只需要多加入一路的程控开关即可实现，系统结构可靠简洁，可移植性强；

(2)压电传感器制作过程中，或多或少都会引入预应力，本发明确定了在压电材料上预应力的大小，并由此来矫正压电系数，使得压电材料测力的准确度得以进一步的提升；

(3)本发明提供的装置和方法能够被应用于压电触摸屏等领域，只需要在出厂前对压电系数进行一次矫正，来矫正因制造工艺等缺陷引入的预应力而变化的压电系数；

(4)本发明还提供了一种潜在的矫正压电系数方法，在每次使用压电器件之前，先通过该方法矫正因温度、湿度、电场而变化压电系数，可以提高压电材料检测动态力的准确性；

(5)本发明能够提高压电触摸屏书写体验、娱乐交互体验，提高压电触摸屏在阶梯力加载情况下的测力准确性，也可以用于压电触摸屏、压电传感器的矫正过程。

本发明适用于触摸屏设备技术领域，用于提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明实施例1的压电器件结构示意图；

图2为本发明实施例1的压电材料层等效电路图；

图3为本发明实施例1的预应力检测电路原理图；

图4为本发明实施例1的压电信号检测原理图；

图5为本发明实施例2的流程图；

图6本发明实施例2的压电材料层放电曲线；

图7为本发明实施例2的时间常数与静态力关系曲线

图8为本发明实施例2的bode图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1一种提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的装置

本实施例包括预应力检测电路、压电信号检测电路和信号采集单元。

如图1所示，信号采集单元采用压电器件来实现，该压电器件包括自上而下依次设置的第一保护层、第一电极层、压电材料层、地电极层和第二保护层，第一电极层、第二电极层作为信号采集单元的输出端，正向压电效应产生的电荷由第一电极层和第二电极层引出，地电极层通过所连接的引线接地。其中，第一保护层和第二保护层的材质是pet塑料材质，压电材料层采用pvdf材质的压电薄膜。

在实际使用中，压电材料层的等效电路模型如图2所示，预应力的加载会使得压电材料层等效模型中的rlc发生变化，并且变化的量与所加预应力一一相关；可以通过该rlc电路的充放电的时间τ来反映预应力的大小。

如图3所示，预应力检测电路包括微控制器、多路复用器和比较器。微控制器的控制引脚与多路复用器的开关控制引脚相连，微控制器的定时器输出引脚通过多路复用器与压电材料层相连，向压电材料层发出脉宽为δt的脉冲；第一电极层通过所连接的引线、多路复用器与比较器的正输入端相连，比较器的负输入端与微控制器的dac引脚相连，比较器的输出端与微控制器的中断引脚相连。

如图4所示，压电信号检测电路包括电荷-电压转换电路，信号采集单元的输出端与电荷-电压转换电路的输入端相连。

电荷-电压转换电路通过模数转换器与微控制器的数字信号输入端相连。

实施例2一种提高压电触摸屏在阶梯力下测力准确度的方法

本实施例采用实施例1来实现，如图5所示，按照以下步骤顺序进行：

一、检测预应力fstatic

s1、微控制器的控制引脚通过多路复用器的开关控制引脚向多路复用器发出命令，将微控制器的定时器输出引脚与压电材料层接通，微控制器由定时器产生一个长度为1us的3.3v脉冲信号，并加载在压电材料层上，将压电材料层充电至3.3v；

s2、1us的时间一到，微控制器的控制引脚通过多路复用器的开关控制引脚向多路复用器发出命令，将压电材料层与比较器的正输入端相连，压电材料层开始放电，放电曲线如图6所示；

压电材料层开始放电的同时微控制器内部的计数器开始计数，计数的间隔为6ns(1/168mhz＝6ns)，直至压电材料层的输出电压下降到3.3v的1/e时，比较器输出极性翻转输出低电平，触发微控制器的中断引脚，计数停止；

s3、记录微控制器的计数值x1，由计数值x1计算得到放电时间τ1，实际上放电时间要大于100us；

s4、重复执行步骤s1-s3五次，得到放电时间τ2～τ5；

s5、计算五次放电时间的平均值

s6、将代入如图7所示的时间常数与静态力关系曲线得到预应力值fstatic；

二、得出压电系数d33(fstatic)

将fstatic代入压电系数与预应力关系曲线d33-fstatic，可确定在预应力fstatic下的压电系数d33(fstatic)；

三、压电信号检测

p1、当有动态力加载在信号采集单元上时，压电材料层表面产生动态电荷，产生的动态电荷被第一电极层和第二电极层引出；

p2、动态电荷进入电荷-电压转换电路，在电荷-电压转换电路中，电荷通过阻容反馈式的负反馈电路，最终被转换成相应的正比于动态电荷量q的模拟信号电压值，并输出至模数转换器；

考虑相关的电路分布参数，bode图如图8所示，在中频段(>10hz)，电压与所加产生的电荷成正比关系；

p3、模数转换器将收到的模拟信号电压值转换成数字电压值并输出至微控制器；

四、计算动态力f

微控制器根据收到的数字电压值，并结合压电系数d33(fstatic)，根据公式q＝d33·f，计算出在所述预应力fstatic下所加的动态力f的大小。