CN111722750A - 一种新型的触摸屏实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型的触摸屏实现方法，使用超声换能覆膜，超声换能覆膜覆盖在显示屏上，超声换能覆膜为高密度的聚合物基MEMS超声波换能器阵列，精确地实现屏幕表面触摸点位的定位。本发明提供了一种触摸屏的新型实现方法，不受外部声音的干扰，屏幕表面受到物理损伤后也不需要重新初始化处理；非接触式的“点指”的悬空位置信息也能定位，基于聚合物基MEMS超声波换能器阵列实现的触摸屏可以取到用户“点压”的四维信息。

Description

一种新型的触摸屏实现方法
技术领域
本发明涉及一种触摸屏的实现方法。
背景技术
现有的电容、电阻式触摸屏，它只能取到触摸点位的二维几何位置信息，而表面声波技术增加了一维度，即触摸点压压力信息，也即表面声波技术的触摸屏能取到用户的三维点压信息。
超声技术被广泛应用于无损检测、超声成像和超声雷达等领域。其主要工作原理是基于超声发射信号被障碍物遮挡反射后的回波数据处理，可以分析物体内部结构、或者内部组织特征以及障碍距离的远近。超声波拥有一大优势：无需贯穿发射信号与目标之间的传播路径，就能够到达金属、人体器官或生物组织内部。超声也有应用于计算机人机界面领域，即集成显示和触控为一体的表面声波触摸屏技术。表面声波技术是利用超声或高频板脉冲在固体浅层表面传递和接收的控制方法。表面声波触摸屏的实现是利用声波在玻璃表面进行发送接收，由于表面设置了一定规格的网纹，使得声波接收信号呈现比较固定的波形形态，如果手指点压在玻璃表面时会引起横向纵向接收的声波波形的显著变化，从而定位手指的位置，甚至根据变形程度可以测量手指点压的重量获得触摸压力的信息。表面声波触摸屏不需要镀膜、抗电磁干扰强，与电阻、电容式触摸屏相比更具优势。但也有显著的缺点，就是表面污点、水渍，甚至外部声音都会造成一定的干扰。其次，当屏幕表面受到一定程度的物理损伤后(例如无法清除的污渍、或凹痕)需要重新初始化处理(一般返厂维修)才能不影响触摸点位的定位精度。
发明内容
为了克服已有技术的不足，本发明提供了一种新型的触摸屏实现方法，不受外部声音的干扰，屏幕表面受到物理损伤后也不需要重新初始化处理；非接触式的“点指”的悬空位置信息也能定位，基于聚合物基MEMS超声波换能器阵列实现的触摸屏可以取到用户“点压”的四维信息。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种新型的触摸屏实现方法，使用超声换能覆膜，超声换能覆膜覆盖在显示屏上，超声换能覆膜为高密度的聚合物基MEMS超声波换能器阵列，精确地实现屏幕表面触摸点位的定位。
进一步，聚合物基MEMS超声波换能器阵列使用设定频率声源，按照每个收发换能单元直径尺寸确定换能单元在空中的近场距离高度，如此，该触摸屏在近场距离高度以内的悬空点压也能被感知。
优选的，每一个换能器单元的物理尺寸、以及单元阵元间隔和覆膜厚度均在微米级别。
再进一步，超声成像在工作时接收到发送信号的回波时需要和常态背景噪声数据作比较。
超声换能覆膜中的换能单元在收发切换部件控制下周期性地同步地在发射状态和接收状态间切换，接收和发射数据进入数据处理部件，经过数据处理后得到覆膜换能阵列处于无遮挡背景状态、或者有遮挡状态。并进一步区分触摸压力、悬空遮挡等信息，通过若干遮挡换能单元的位置，对应到遮挡的位置，从而得到遮挡的全面的四维信息，它们是位置信息(2维)、压力信息、和悬空(非接触式)遮挡信息。
优选的，根据发射的信号能量与接收信号的能量的衰减分贝来作决策：根据遮挡信号衰减原理，在实验室测试出遮挡物的衰减作用参数后，得到各个状态的衰减阈值参数；当衰减大于-15dB时认为是接触触压，在-15dB和-30dB之间时是悬空遮挡状态，在小于-30dB时认为无遮挡；接触触压状态再以细分为：(-15dB，-10dB]为轻触态，(-10dB，-5dB]为中等压力状态，大于-5dB为重压态。
本发明的有益效果主要表现在：不受外部声音的干扰，屏幕表面受到物理损伤后也不需要重新初始化处理；非接触式的“点指”的悬空位置信息也能定位，基于聚合物基MEMS超声波换能器阵列实现的触摸屏可以取到用户“点压”的四维信息，这对于适用疫情时非接触式人机界面装置的部署是非常助力的。
附图说明
图1是超声换能层覆盖于显示屏的示意图。
图2是超声换能覆膜的部分阵元示例。
图3是新型的触摸屏实现方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种新型的触摸屏实现方法，使用超声换能覆膜，超声换能覆膜覆盖在显示屏上，超声换能覆膜为高密度的聚合物基MEMS超声波换能器阵列，精确地实现屏幕表面触摸点位的定位。
进一步，聚合物基MEMS超声波换能器阵列使用设定频率声源，按照每个收发换能单元直径尺寸确定换能单元在空中的近场距离高度，如此，该触摸屏在近场距离高度以内的悬空点压也能被感知。
优选的，每一个换能器单元的物理尺寸、以及单元阵元间隔和覆膜厚度均在微米级别。
再进一步，超声成像在工作时接收到发送信号的回波时需要和常态背景噪声数据作比较。
超声换能覆膜中的换能单元在收发切换部件控制下周期性地同步地在发射状态和接收状态间切换，接收和发射数据进入数据处理部件，经过数据处理后得到覆膜换能阵列处于无遮挡背景状态、或者有遮挡状态。并进一步区分触摸压力、悬空遮挡等信息，通过若干遮挡换能单元的位置，对应到遮挡的位置，从而得到遮挡的全面的四维信息，它们是位置信息(2维)、压力信息、和悬空(非接触式)遮挡信息。
优选的，根据发射的信号能量与接收信号的能量的衰减分贝来作决策：根据遮挡信号衰减原理，在实验室测试出遮挡物的衰减作用参数后，得到各个状态的衰减阈值参数；当衰减大于-15dB时认为是接触触压，在-15dB和-30dB之间时是悬空遮挡状态，在小于-30dB时认为无遮挡；接触触压状态再以细分为：(-15dB，-10dB]为轻触态，(-10dB，-5dB]为中等压力状态，大于-5dB为重压态。
本实施例中，本案基于聚合物基MEMS电容式微机械超声波换能器阵列实现一种不同于表面声波原理的触摸屏技术。
使用高密度的聚合物基MEMS超声波换能器阵列可以精确地实现屏幕表面触摸点位的定位，而且不受外部声音的干扰，屏幕表面受到物理损伤后也不需要重新初始化处理。更重要的是它能感知非接触式点位，这样它继传统表面声波触摸屏后，能够取到第四维的“悬空式点压”信息。相较于基于电容、电阻式触摸屏来说，它只能取到触摸点位的二维几何位置信息，而表面声波技术增加了一维度，即触摸点压压力信息，也即表面声波技术的触摸屏能取到用户的三维点压信息。对于本案来说，非接触式的“点指”的悬空位置信息也能定位，基于聚合物基MEMS超声波换能器阵列实现的触摸屏可以取到用户“点压”的四维信息。这对于适用疫情时非接触式人机界面装置的部署是非常助力的。
超声微机电MEMS换能装置尺寸在微米级，超声的定向性保证每一个换能单元(含收发)能对应到足够精细的平面位置。假设使用10G赫兹频率声源，每个收发换能单元直径尺寸在100微米，则该换能单元在空中的近场距离高度为7厘米，如此，该触摸屏高度7厘米以内的悬空点压也能被感知。由于聚合物基代替硅基的微机电超声换能器的技术，使得超声换能装置在满足尺寸要求后，大大降低了物料成本，平均到每个换能单元的制造成本不足一美分。相对于传统的硅基微机电***，聚合物材料不仅价格低廉，而且机械性能和透光性均较好。所以考虑把聚合物层覆于屏幕玻璃上，利用超声回波数据处理实现触摸定位。
基于聚合物基MEMS超声换能阵列的定位机制和同类器件用于超声成像的主要差别是超声成像在工作时接收到发送信号的回波时没有和常态背景噪声数据作比较，原因是超声成像只在开机时工作，这时探头已经接触探测目标了。而触摸屏的功能要求需要超声器件无时不刻在进行超声收发，而起到探测触摸信息的作用必须得区分长时间积累的背景噪声和有效前景信息的差异，并基于该器件所处位置判断触摸的屏幕位置。
如图3示，超声换能覆膜中的换能单元在收发切换部件控制下周期性地同步地在发射状态和接收状态间切换，接收和发射数据进入数据处理部件，经过数据处理后得到覆膜换能阵列处于无遮挡背景状态、或者有遮挡状态。并进一步区分触摸压力、悬空遮挡等信息，通过若干遮挡换能单元的位置，对应到遮挡的位置，从而得到遮挡的全面的四维信息，它们是位置信息(2维)、压力信息、和悬空(非接触式)遮挡信息。
下面介绍数据处理部件的工作过程：基本工作原理是根据发射的信号能量与接收信号的能量的衰减分贝来作决策。
Figure BDA0002492991430000061
表1
如表1，根据遮挡信号衰减原理，在实验室测试出遮挡物的衰减作用参数后，得到各个状态的衰减阈值参数。当衰减小于-15dB时可以认为是接触触压，在-15dB和-30dB之间时是悬空遮挡状态，在小于-30dB时认为无遮挡；接触触压状态再可以细分为轻触态(-15dB，-10dB]，中等压力状态(-10dB，-5dB]，和重压态(大于-5dB)。

Claims (6)

1.一种新型的触摸屏实现方法，其特征在于，使用超声换能覆膜，超声换能覆膜覆盖在显示屏上，超声换能覆膜为高密度的聚合物基MEMS超声波换能器阵列，精确地实现屏幕表面触摸点位的定位。
2.如权利要求1所述的一种新型的触摸屏实现方法，其特征在于，聚合物基MEMS超声波换能器阵列使用设定频率声源，按照每个收发换能单元直径尺寸确定换能单元在空中的近场距离高度，如此，该触摸屏在近场距离高度以内的悬空点压也能被感知。
3.如权利要求2所述的一种新型的触摸屏实现方法，其特征在于，每一个换能器单元的物理尺寸、以及单元阵元间隔和覆膜厚度均在微米级别。
4.如权利要求1～3之一所述的一种新型的触摸屏实现方法，其特征在于，超声成像在工作时接收到发送信号的回波时需要和常态背景噪声数据作比较。
5.如权利要求1～3之一所述的一种新型的触摸屏实现方法，其特征在于，超声换能覆膜中的换能单元在收发切换部件控制下周期性地同步地在发射状态和接收状态间切换，接收和发射数据进入数据处理部件，经过数据处理后得到覆膜换能阵列处于无遮挡背景状态、或者有遮挡状态。并进一步区分触摸压力、悬空遮挡等信息，通过若干遮挡换能单元的位置，对应到遮挡的位置，从而得到遮挡的全面的四维信息，它们是位置信息、压力信息和悬空遮挡信息。
6.如权利要求5所述的一种新型的触摸屏实现方法，其特征在于，根据发射的信号能量与接收信号的能量的衰减分贝来作决策：根据遮挡信号衰减原理，在实验室测试出遮挡物的衰减作用参数后，得到各个状态的衰减阈值参数；当衰减大于-15dB时认为是接触触压，在-15dB和-30dB之间时是悬空遮挡状态，在小于-30dB时认为无遮挡；接触触压状态再以细分为：(-15dB，-10dB]为轻触态，(-10dB，-5dB]为中等压力状态，大于-5dB为重压态。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102339175A (zh) * 2010-07-15 2012-02-01 汉王科技股份有限公司 一种触摸感应定位装置及方法
CN105980968A (zh) * 2013-12-12 2016-09-28 高通股份有限公司 微机械超声波换能器和显示器

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