基于压电材料的电容触屏系统及相应处理压力检测的方法与流程

本发明属于电子设备技术领域,用于改善触屏系统的用户体验，具体地说是一种基于压电材料的电容触屏系统及利用其实现的处理压力检测的方法。

背景技术：

随着科技的进步，采用基于压电材料的电容触屏系统必将成为电子设备领域未来发展的趋势。

受限于压电材料的自身性质，以及电容触屏板的机械特征，当同样大小力度的力施加在触屏版的不同位置时，电极板上产生的电荷数不同，如图1所示，在触摸半径为1mm时，用1n的力度触摸屏幕的不同位置，测得的压强值不同；即使在同一个位置施加相同大小的力，当和触屏板接触面积不同时，作用在压电材料上的压强会不一样，因此电极板上产生的电荷数也不一样。

在上述两种情况下，读取电路会读取出不同大小的力度，于是触屏系统的控制单元会发出不同的控制命令，触屏面板会显示出不同的反馈结果，这直接影响用户体验，久而久之会给生厂商造成不可估量的损失。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种基于压电材料的电容触屏系统以及利用该电容触屏系统处理压力检测的方法，以期能够解决现有技术所存在的上述问题。

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系统，它包括前端触屏面板和后端电路，所述前端触屏面板包括电容检测部分和压力检测部分；

所述电容检测部分和压力检测部分的信号输出端均与后端电路的信号输入端相连。

作为限定：所述前端触屏面板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。

作为第二种限定：所述前端触屏面板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。

作为第三种限定：所述后端电路包括第一读取电路、信号处理电路、第一数据存储单元和第一控制单元；其中，

所述第一读取电路的信号输入端与所述电容检测部分、压力检测部分的信号输出端相连，第一读取电路的信号输出端与信号处理电路的信号输入端相连，信号处理电路的存储信号输出端口与第一数据存储单元的存储信号输入端口相连，第一数据存储单元的控制信号输入端与第一控制单元的查询信号输出端相连，第一数据存储单元的信号输出端与第一控制单元的历史信号输入端相连。

作为第四种限定：所述后端电路包括第二读取电路、第二控制单元和第二数据存储单元；

所述第二读取电路的信号输入端与所述电容检测部分、压力检测部分的信号输出端相连，第二读取电路的信号输出端与第二控制单元的读取信号输入端相连，第二数据存储单元的信号输出端与第二控制单元的历史信号输入端相连，第二数据存储单元的控制信号输入端与第二控制单元的查询信号输出端相连。

作为第三种限定的进一步限定：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、模数转换单元和数据选择器，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，

所述电容检测部分的信号输出端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；低通滤波单元的信号输入端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，低通滤波单元的信号输出端与第一模数转换单元的模拟信号输入端相连，带通滤波单元的信号输出端与第二模数转换单元的模拟信号输入端相连；第一模数转换单元的数字信号输出端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信号处理电路的信号输入端相连。

作为第四种限定的进一步限定：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；

所述电容检测部分的信号输出端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控制单元的信号输入端相连。

一种在基于压电材料的电容触屏系统实现的处理压力检测的方法，它采用上述基于压电材料的电容触屏系统来实现，包括依次进行的以下步骤：

一、当有触屏动作发生时，后端电路收集电容检测部分检测到的触摸半径相关的电信号、触摸位置相关的电信号，以及压力检测部分检测到的压力相关的电信号；

二、后端电路将收集到的三种电信号加工处理；

三、后端电路根据步骤二的加工处理结果，从自身存储的压力值比例因数表格中查找相对应的压力值比例因数并对步骤二的加工处理结果计算、修订，形成最终压力值；

四、控制单元对最终压力值进行进一步处理，输出相对应的控制信号。

作为限定，所述压力值比例因数表格的制作方法按照以下步骤依次进行：

(一)在触摸半径相同的情况下，于前端触屏面板的不同位置施加同样大小的力度，分别记录信号处理电路中得到的电压值，将记录的电压值按照触摸位置编号整理成一个电压值矩阵；

(二)将步骤(一)中得到的电压值矩阵做归一化处理；

(三)多次改变触摸半径，重复步骤(一)和步骤(二)，得到一系列归一化处理之后的电压值矩阵；

(四)将得到的一系列归一化处理之后的电压值矩阵做成表格并存储于数据存储单元中；

所述表格即压力值比例因数表格。

作为进一步限定，所述步骤(一)包括依次进行的以下步骤：

(一a)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电信号后放大成模拟电压信号，并将结果输出至低通滤波单元和带通滤波单元；

(一b)低通滤波单元将收到的模拟电压信号处理为模拟压力信号，并输出至第一模数转换单元，带通滤波器将收到的模拟电压信号处理为模拟电容信号并输出至第二模数转换单元；

(一c)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输出至入数据选择器，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输出至数据选择器；

(一d)数据选择器将收到的数字信号选择输出至信号处理电路，由信号处理电路处理为压力相关的电压值及与之对应的触摸位置相关的电压值、触摸半径相关的电压值；

(一e)记录步骤(一d)的结果，并一一对应编号整理成一个电压值矩阵。

作为第二种限定，所述压力值比例因数表格的制作方法按照以下步骤顺序进行：

①在触摸半径相同的情况下，于前端触屏面板的不同位置施加同样大小的力度，分别记录控制单元得到的电压值，并按照触摸位置编号整理成一个电压值矩阵；

②将步骤①中得到的电压值矩阵做归一化处理；

③多次改变触摸半径，重复步骤①和步骤②，得到一系列归一化处理之后的电压值矩阵；

④，将得到的一系列归一化处理之后的电压值矩阵做成表格并存储于第二数据存储单元中；

所述表格即压力值比例因数表格。

作为第二种限定的进一步限定，所述步骤①包括依次进行的以下步骤：

①a，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电信号后放大成模拟电压信号并将结果输出至模数转换单元；

①b，模数转换单元将收到的模拟电压信号转换成数字信号并将结果输出至第二控制单元；

①c，第二控制单元利用自身所存储的低通滤波算法，将收到的数字信号处理为压力信号，同时，第二控制单元利用自身所存储的带通滤波算法将收到的数字信号处理为电容信号，所述压力信号就是压力相关的电信号，所述电容信号就是与所述压力相关的电压信号对应的触摸位置相关的电信号、触摸半径相关的电信号；

①d，记录步骤①c的结果，并一一对应编号整理成一个电压值矩阵。

作为第三种限定：步骤三中所述计算、修订在信号处理电路中完成。

作为第四种限定：步骤三中所述计算、修订在第二控制单元中完成。

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系统，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，在不增加系统复杂性的同时减少了能耗的增加；

(2)本发明的采用预先在存储单元置入压力值比例因数表格的方法，在实际使用中对系统检测到的压力值进行计算、修订，能够有效提高触屏压力值的计算精确度，提升用户体验；(3)本发明的方法简洁、严谨，易于实现。

本发明适用于在基于压电材料的电容触屏系统中处理压力检测，并以此提升用户体验。

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为触摸半径相同时，于屏幕不同位置施加同样的力度得到的压强值三维图；

图2为本发明实施例1的前端触屏面板局部结构示意图；

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的前端触屏面板局部结构示意图；

图5为本发明实施例2的电原理图；

图6为本发明实施例3和4第一步中触摸取样示意图；

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基于压电材料的电容触屏系统

本实施例包括前端触屏面板和第一后端电路；

参照图2，前端触屏面板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构成；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；

参照图3，第一后端电路包括第一读取电路、信号处理电路、第一数据存储单元和第一控制单元；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、模数转换单元和数据选择器，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；

电容检测部分的信号输出端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；低通滤波单元的信号输入端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，低通滤波单元的信号输出端与第一模数转换单元的模拟信号输入端相连，带通滤波单元的信号输出端与第二模数转换单元的模拟信号输入端相连；第一模数转换单元的数字信号输出端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信号处理电路的信号输入端相连；信号处理电路的存储信号输出端口与第一数据存储单元的存储信号输入端口相连，第一数据存储单元的控制信号输入端与第一控制单元的查询信号输出端相连，第一数据存储单元的信号输出端与第一控制单元的历史信号输入端相连。

在本实施例中，前端触屏面板也开采用如图4所示的结构来组成电容检测部分和压力检测部分，这种结构中前端触屏面板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，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1一起构成压力检测部分。

在本实施例中，第一控制单元采用与现有技术相同的硬件结构来实现。

实施例2基于压电材料的电容触屏系统

本实施例包括前端触屏面板和第二后端电路；

参照图4，前端触屏面板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；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1一起构成压力检测部分；

参照图5,第二后端电路包括第二读取电路、第二控制单元和第二数据存储单元；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；

电容检测部分的信号输出端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控制单元的信号输入端相连；第二数据存储单元的信号输出端与第二控制单元的历史信号输入端相连，第二数据存储单元的控制信号输入端与第二控制单元的查询信号输出端相连。

在本实施例中，第二控制单元采用与现有技术相同的硬件结构来实现，同时预先在第二控制单元中写入低通滤波算法和带通滤波算法，第二控制单元的部分硬件结构与低通滤波算法、带通滤波算法一起形成低通滤波单元和带通滤波单元。

在本实施例中，前端触屏面板也可采用如图2所示的结构来组成电容检测部分和压力检测部分，这种结构中前端触屏面板包括从上到下依次设置的激励电极层1、压电材料层2和地电极层3，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。

实施例3在基于压电材料的电容触屏系统中处理压力检测的方法

本实施例采用实施例1来实现，包括依次进行的四个步骤：

第一步、当有触屏动作发生时，第一后端电路收集电容检测部分检测到的触摸半径相关的电信号、触摸位置相关的电信号，以及压力检测部分检测到的压力相关的电信号；

第二步、第一后端电路将收集到的三种电信号加工处理；

第三步、第一后端电路根据步骤二的加工处理结果，从自身存储的压力值比例因数表格中查找相对应的压力值比例因数并对步骤二的加工处理结果计算、修订，形成最终压力值；

上述压力值比例因数表格的制作方法按照以下步骤依次进行：

(一)参照图6，在触摸半径相同的情况下，于前端触屏面板的不同位置施加同样大小的力度，分别记录信号处理电路中得到的电压值，将记录的电压值按照触摸位置编号整理成一个电压值矩阵；

本步骤的实现包括依次进行的以下步骤，

(一a)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；

(一b)低通滤波单元将收到的混合模拟电压信号处理为模拟压力信号，并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处理为模拟电容信号并输出至第二模数转换单元；

(一c)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输出至入数据选择器，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输出至数据选择器；

(一d)数据选择器将收到的数字信号选择输出至信号处理电路，由信号处理电路处理为压力相关的电压值及与之对应的触摸位置相关的电压值、触摸半径相关的电压值；

(一e)记录步骤(一d)的结果，并一一对应编号整理成一个电压值矩阵；

(二)将步骤(一)中得到的电压值矩阵做归一化处理；

(三)多次改变触摸半径，重复步骤(一)和步骤(二)，得到一系列归一化处理之后的电压值矩阵；

(四)将得到的一系列归一化处理之后的电压值矩阵做成表格并存储于第一数据存储单元中；

所述表格即压力值比例因数表格；

第四步，第一控制单元对最终压力值进行进一步处理，输出相对应的控制信号；

在此步骤中，第一控制单元根据接收到的最终压力值判断使用者的意图，然后发出控制命令控制相应的单元响应，这个过程跟现有技术相同。

步骤(三)的重复次数根据实际需要而定，重复次数越多，得到的最终压力值越精确。

在本实施例中，第三步中的计算、修订在信号处理电路中完成。

实施例4在基于压电材料的电容触屏系统中处理压力检测的方法

本实施例采用实施例2来实现，包括依次进行的四个步骤：

第一步、当有触屏动作发生时，第二后端电路收集电容检测部分检测到的触摸半径相关的电信号、触摸位置相关的电信号，以及压力检测部分检测到的压力相关的电信号；

第二步、第二后端电路将收集到的三种电信号加工处理；

第三步、第二后端电路根据步骤二的加工处理结果，从自身存储的压力值比例因数表格中查找相对应的压力值比例因数并对步骤二的加工处理结果计算、修订，形成最终压力值；

上述压力值比例因数表格的制作方法按照以下步骤依次进行：

①参照图6，在触摸半径相同的情况下，于前端触屏面板的不同位置施加同样大小的力度，分别记录控制单元得到的电压值，并按照触摸位置编号整理成一个电压值矩阵；

本步骤包括依次进行的以下步骤，

①a，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上产生的电信号后放大成模拟电压信号并将结果输出至模数转换单元；

①b，模数转换单元将收到的模拟电压信号转换成数字信号并将结果输出至第二控制单元；①c，第二控制单元利用自身所存储的低通滤波算法，将收到的数字信号处理为压力信号，同时，第二控制单元利用自身所存储的带通滤波算法将收到的数字信号处理为电容信号，所述压力信号就是压力相关的电信号，所述电容信号就是与所述压力相关的电压信号对应的触摸位置相关的电信号、触摸半径相关的电信号；

①d，记录步骤①c的结果，并一一对应编号整理成一个电压值矩阵；

②将步骤①中得到的电压值矩阵做归一化处理；

③多次改变触摸半径，重复步骤①和步骤②，得到一系列归一化处理之后的电压值矩阵；

④，将得到的一系列归一化处理之后的电压值矩阵做成表格并存储于第二数据存储单元中；

所述表格即压力值比例因数表格；

四、第二控制单元对最终压力值进行进一步处理，输出相对应的控制信号；

在此步骤中，第二控制单元根据接收到的最终压力值判断使用者的意图，然后发出控制命令控制相应的单元响应，这个过程跟现有技术相同。

步骤(三)的重复次数根据实际需要而定，重复次数越多，得到的最终压力值越精确。

在本实施例中，第三步中的计算、修订在第二控制单元中完成。

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。