CN107272948A - 基于压电材料的电容触屏***及相应的压力检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电材料的电容触屏***，它包括前端触屏面板和后端电路，前端触屏面板包括三层或者四层信号采集层构成的电容检测部分和压力检测部分；后端电路包括读取电路和信号处理电路。本发明还公开了利用上述电容触屏***来实现的压力检测方法。本发明在提高压力检测敏感度的同时不增加***复杂度，所采用的方法简洁，易于实现。本发明适用于在电容触屏***中提高压力检测敏感度。

Description

基于压电材料的电容触屏***及相应的压力检测方法
技术领域
本发明属于电子设备技术领域,用于提高电容触屏***的压力检测敏感度，具体地说是一种基于压电材料的电容触屏***及相应的压力检测方法。
背景技术
压力检测已经成为触屏电子产品的一项新的功能，现有的触屏压力检测，基于检测压力产生的电容变化，这不能够提供足够的压力检测敏感度，还会增加触摸屏的厚度、复杂度，同时增加产品能耗。
不论是压力检测敏感度的欠缺还是触摸屏结构复杂程度的增加、能耗的增加，这都会造成触屏电子产品的用户体验下降，减小市场竞争力。
因此，目前急需一种新技术，能够在保证高敏感度的压力检测功能的同时不增加***的复杂度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明旨在提供一种基于压电材料的电容触屏***；
本发明的另外一个目的是提供利用所述基于压电材料的电容触屏***实现的压力检测方法。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
一种基于压电材料的电容触屏***，它包括前端触屏面板和后端电路；
①前端触屏面板
所述前端触屏面板包括三层信号采集层或者四层信号采集层；其中，
1）三层信号采集层
所述三层信号采集层包括自上而下依次设置的激励电极层、压电材料层和地电极层，所述压电材料层作为介电层、与作为电极板的激励电极层和地电极层一起组成电容检测部分，压电材料层作为压力检测层、与激励电极层和地电极层一起组成压力检测部分；
2）四层信号采集层
所述四层信号采集层包括自上而下依次设置的压电材料层、激励电极层、绝缘层和地电极层，所述激励电极层、绝缘层和地电极层一起构成电容检测部分，所述压电材料层和激励电极层一起构成压力检测部分；
②后端电路
所述后端电路为第一后端电路或第二后端电路之一，其中：
A.第一后端电路
第一后端电路包括第一读取电路和第一信号处理电路；
所述第一读取电路包括依次串接的电荷放大器/电压放大器、滤波单元、模数转换单元、数据选择器，其中滤波单元包括并联的低通滤波单元和带通滤波单元，模数转换单元包括并联的第一模数转换单元和第二模数转换单元；
所述电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与电荷放大器/电压放大器的信号输入端相连，低通滤波单元和带通滤波单元的信号输入端均与电荷放大器/电压放大器的信号输出端相连，低通滤波单元和带通滤波单元的信号输出端分别与第一模数转换单元、第二模数转换单元的模拟信号输入端相连，第一模数转换单元和第二模数转换单元的数字信号输出端均与数据选择器的信号输入端相连，数据选择器的信号输出端与第一信号处理电路的信号输入端相连；
B.第二后端电路
第二后端电路包括第二读取电路和第二信号处理电路；
所述第二读取电路包括串联的电荷放大器/电压放大器和模数转换单元；
所述电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与电荷放大器/电压放大器的信号输入端相连，电荷放大器/电压放大器的信号输出端与模数转换单元的模拟信号输入端相连，模数转换单元的数字信号输出端与第二信号处理电路的信号输入端相连。
本发明还提供了利用上述基于压电材料的电容触屏***实现的压力检测方法，当后端电路采用第一后端电路时该方法为方法一，当后端电路采用第二后端电路时该方法为方法二，其中，
I.方法一
方法一包括依次进行的以下步骤：
第一步，触屏动作发生时，电荷放大器/电压放大器收集激励电极层、压电材料层上产生的混合电信号后放大成混合模拟电压信号并将结果输出至低通滤波单元和带通滤波单元；
第二步，低通滤波单元将收到的混合模拟电压信号进行处理后得到模拟压力信号并将结果输出至第一模数转换单元，带通滤波器将收到的混合模拟电压信号进行处理后得到模拟电容信号并将结果输出至第二模数转换单元；
第三步，第一模数转换单元将收到的模拟压力信号转换成数字信号并将结果输出至数据选择器，同时第二模数转换单元将收到的模拟电容信号转化成数字信号并将结果输出至数据选择器；
第四步，数据选择器将收到的数字信号选择输出至第一信号处理电路；
第五步，第一信号处理电路将收到的电信号进一步判断处理后输出至控制单元，控制单元根据收到的电信号输出相对应的控制信号；
II.方法二
方法二包括依次进行的以下步骤：
第一步，触屏动作发生时，电荷放大器/电压放大器收集激励电极层、压电材料层上产生的混合电信号后放大成混合模拟电压信号并将结果输出至模数转换单元；
第二步，模数转换单元将收到的混合模拟电压信号转换成混合数字信号并将结果输出至第二信号处理电路；
第三步，第二信号处理电路一方面利用自身所存储的低通滤波算法将收到的混合数字信号处理后得到压力信号、另一方面利用自身所存储的带通滤波算法将收到的混合数字信号处理后得到电容信号；
第四步，控制单元根据第三步的处理结果进行进一步处理后输出相对应的控制信号。
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）本发明提供了基于压电材料的电容触屏***，利用压电材料的特性一方面作为电容检测部分的介电层，另一方面与激励电极层一起构成压力检测部分，在不增加***复杂性的同时减少了能耗的增加；
（2）本发明利用滤波单元将电容信号和压力信号分开，在提高压力检测敏感度的同时不增加***复杂度；
（3）本发明所采用的方法简洁，易于实现。
本发明适用于在电容触屏***中提高压力检测敏感度。
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和2的前端触屏面板局部结构示意图；
图2为本发明实施例1和2的前端触屏面板的另一种局部结构示意图；
图3为本发明实施例1的电原理图；
图4为本发明实施例2的电原理图。
图中：1、激励电极层，2、压电材料层，3、地电极层，4、绝缘层。
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 一种基于压电材料的电容触屏***
一种基于压电材料的电容触屏***，它包括前端触屏面板和第一后端电路。
参照图1，前端触屏面板包括三层信号采集层，三层信号采集层包括自上而下依次设置的激励电极层1、压电材料层2和地电极层3；其中，压电材料层2一方面作为介电层、与作为电极板的激励电极层1和地电极层3一起组成电容检测部分，另一方面压电材料层2作为压力检测层、与激励电极层1和地电极层3一起组成压力检测部分。
参照图3，第一后端电路包括第一读取电路和第一信号处理电路；其中，第一读取电路包括依次串接的电荷放大器/电压放大器、滤波单元、模数转换单元、数据选择器，滤波单元包括并联的低通滤波单元和带通滤波单元，模数转换单元包括并联的第一模数转换单元和第二模数转换单元；
电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与电荷放大器/电压放大器的信号输入端相连，低通滤波单元和带通滤波单元的信号输入端均与电荷放大器/电压放大器的信号输出端相连，低通滤波单元和带通滤波单元的信号输出端分别与第一模数转换单元、第二模数转换单元的模拟信号输入端相连，第一模数转换单元和第二模数转换单元的数字信号输出端均与数据选择器的信号输入端相连，数据选择器的信号输出端与第一信号处理电路的信号输入端相连。
本实施例还可以采用另一种包括四层信号采集层结构的前端触屏面板，参照图2，四层信号采集层包括自上而下依次设置的压电材料层2、激励电极层1、绝缘层4和地电极层3；其中，激励电极层1、绝缘层4和地电极层3一起构成电容检测部分；压电材料层2和激励电极层1一起构成压力电测部分。
其中，低通滤波单元包括低通滤波器，带通滤波单元包括带通滤波器，在本实施例中，低通滤波单元中低通滤波器的截止频率是10kHz，带通滤波器的带宽根据电容激励信号来设计，例如电容激励信号是100khz的正弦信号时，带通滤波器为中心在100khz、截止频率在90khz和110khz的巴特沃兹带通滤波器。
在本实施例中，第一信号处理电路采用与现有技术相同的结构即可。
实施例2 一种基于压电材料的电容触屏***
一种基于压电材料的电容触屏***，它包括前端触屏面板和第二后端电路。
参照图1，前端触屏面板包括三层信号采集层，三层信号采集层包括自上而下依次设置的激励电极层1、压电材料层2和地电极层3；其中，压电材料层2一方面作为介电层、与作为电极板的激励电极层1和地电极层3一起组成电容检测部分，另一方面压电材料层2作为压力检测层、与激励电极层1和地电极层3一起组成压力检测部分。
参照图4，第二后端电路包括第二读取电路和第二信号处理电路；其中，第二读取电路包括串联的电荷放大器/电压放大器和模数转换单元；电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与电荷放大器/电压放大器的信号输入端相连，电荷放大器/电压放大器的信号输出端与模数转换单元的模拟信号输入端相连，模数转换单元的数字信号输出端与第二信号处理电路的信号输入端相连；
第二信号处理电路包括存储有低通滤波算法和带通滤波算法的控制单元；控制单元在硬件结构上和现有技术相同，控制单元的一部分与低通滤波算法、带通滤波算法一起构成了低通滤波单元、带通滤波单元。
本实施例还可以采用另一种包括四层信号采集层结构的前端触屏面板，参照图2，四层信号采集层包括自上而下依次设置的压电材料层2、激励电极层1、绝缘层4和地电极层3；其中，激励电极层1、绝缘层4和地电极层3一起构成电容检测部分；压电材料层2和激励电极层1一起构成压力电测部分。
实施例3 一种在基于压电材料的电容触屏***实现的压力检测方法
本实施例为一种利用实施例1来实现的压力检测方法，它包括依次进行的以下步骤：
第一步，触屏动作发生时，电荷放大器/电压放大器收集激励电极层1、压电材料层2上产生的混合电信号后放大成混合模拟电压信号并将结果输出至低通滤波单元和带通滤波单元；
第二步，低通滤波单元将收到的混合模拟电压信号进行处理后得到模拟压力信号并将结果输出至第一模数转换单元，带通滤波器将收到的混合模拟电压信号进行处理后得到模拟电容信号并将结果输出至到第二模数转换单元；
第三步，第一模数转换单元将收到的模拟压力信号转换成数字信号并将结果输出至数据选择器，同时第二模数转换单元将收到的模拟电容信号转化成数字信号并将结果输出至数据选择器；
第四步，数据选择器将收到的数字信号选择输出至第一信号处理电路；
第五步，第一信号处理电路将收到的电信号进一步判断处理，然后利用自身所包含的控制单元根据进一步处理结果输出相对应的控制信号，相应的单元收到控制信号之后做出响应；
本步骤中，控制单元采用现有的硬件结构即可，信号处理电路和其所包括的控制单元对收到的电信号的处理方法跟现有技术相同。
实施例4 一种在基于压电材料的电容触屏***实现的压力检测方法
本实施例利用实施例2来实现，它包括依次进行的以下步骤：
第一步，触屏动作发生时，电荷放大器/电压放大器收集激励电极层、压电材料层上产生的混合电信号后放大成混合模拟电压信号并将结果输出至模数转换单元；
第二步，模数转换单元将收到的混合模拟电压信号转换成混合数字信号并将结果输出至第二信号处理电路；
第三步，第二信号处理电路一方面利用自身所存储的低通滤波算法将收到的混合数字信号处理后得到压力信号、另一方面利用自身所存储的带通滤波算法将收到的混合数字信号处理后得到电容信号；
第四步，控制单元根据第三步的处理结果进行进一步处理后输出相对应的控制信号；
在本步骤中，控制单元的处理方法跟现有技术相同。
控制单元属于第二信号处理电路的一部分，控制单元采用与现有技术相同的硬件结构即可。
在本实施例中，低通滤波算法中截止频率是10kHz，带通滤波的带宽根据电容激励信号来设计，例如电容激励信号是100khz的正弦信号时，带通滤波算法中设定频段中心在100khz、截止频率在90khz和110khz。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种基于压电材料的电容触屏***，它包括前端触屏面板和后端电路，其特征在于：
①前端触屏面板
所述前端触屏面板包括三层信号采集层或者四层信号采集层；其中，
1）三层信号采集层
所述三层信号采集层包括自上而下依次设置的激励电极层（1）、压电材料层（2）和地电极层（3），所述压电材料层（2）作为介电层、与作为电极板的激励电极层（1）和地电极层（3）一起组成电容检测部分，压电材料层（2）作为压力检测层、与激励电极层（1）和地电极层（3）一起组成压力检测部分；
2）四层信号采集层
所述四层信号采集层包括自上而下依次设置的压电材料层（2）、激励电极层（1）、绝缘层（4）和地电极层（3），所述激励电极层（1）、绝缘层（4）和地电极层（3）一起构成电容检测部分，所述压电材料层（2）和激励电极层（1）一起构成压力检测部分；
②后端电路
所述后端电路为第一后端电路或第二后端电路之一，其中：
第一后端电路
第一后端电路包括第一读取电路和第一信号处理电路；
所述第一读取电路包括依次串接的电荷放大器/电压放大器、滤波单元、模数转换单元、数据选择器，其中滤波单元包括并联的低通滤波单元和带通滤波单元，模数转换单元包括并联的第一模数转换单元和第二模数转换单元；
所述电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与电荷放大器/电压放大器的信号输入端相连，低通滤波单元和带通滤波单元的信号输入端均与电荷放大器/电压放大器的信号输出端相连，低通滤波单元和带通滤波单元的信号输出端分别与第一模数转换单元、第二模数转换单元的模拟信号输入端相连，第一模数转换单元和第二模数转换单元的数字信号输出端均与数据选择器的信号输入端相连，数据选择器的信号输出端与第一信号处理电路的信号输入端相连；
第二后端电路
第二后端电路包括第二读取电路和第二信号处理电路；
所述第二读取电路包括串联的电荷放大器/电压放大器和模数转换单元；
所述电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与电荷放大器/电压放大器的信号输入端相连，电荷放大器/电压放大器的信号输出端与模数转换单元的模拟信号输入端相连，模数转换单元的数字信号输出端与第二信号处理电路的信号输入端相连。
2.一种压力检测方法，其特征在于：它利用权利要求1所述的基于压电材料的电容触屏***来实现，当后端电路采用第一后端电路时该方法为方法一，当后端电路采用第二后端电路时该方法为方法二，其中，
I.方法一
方法一包括依次进行的以下步骤：
第一步，触屏动作发生时，电荷放大器/电压放大器收集激励电极层（1）、压电材料层（2）上产生的混合电信号后放大成混合模拟电压信号并将结果输出至低通滤波单元和带通滤波单元；
第二步，低通滤波单元将收到的混合模拟电压信号进行处理后得到模拟压力信号并将结果输出至第一模数转换单元，带通滤波器将收到的混合模拟电压信号进行处理后得到模拟电容信号并将结果输出至第二模数转换单元；
第三步，第一模数转换单元将收到的模拟压力信号转换成数字信号并将结果输出至数据选择器，同时第二模数转换单元将收到的模拟电容信号转化成数字信号并将结果输出至数据选择器；
第四步，数据选择器将收到的数字信号选择输出至第一信号处理电路；
第五步，第一信号处理电路将收到的电信号进一步判断处理后输出至控制单元，控制单元根据收到的电信号输出相对应的控制信号；
II.方法二
方法二包括依次进行的以下步骤：
第一步，触屏动作发生时，电荷放大器/电压放大器收集激励电极层（1）、压电材料层（2）上产生的混合电信号后放大成混合模拟电压信号并将结果输出至模数转换单元；
第二步，模数转换单元将收到的混合模拟电压信号转换成混合数字信号并将结果输出至第二信号处理电路；
第三步，第二信号处理电路一方面利用自身所存储的低通滤波算法将收到的混合数字信号处理后得到压力信号、另一方面利用自身所存储的带通滤波算法将收到的混合数字信号处理后得到电容信号；
第四步，控制单元根据第三步的处理结果进行进一步处理后输出相对应的控制信号。
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