比翱工程实验室丨基于超声波导波与接触阻抗相互作用的触摸屏表面

本项研究提出了一种触摸屏装置，该装置基于目标物存在引起的导波反射和透射原理。该原理利用了其他声波器件在简易性和对任何薄表面的适用性方面的优势，但不存在典型缺点（单次触摸，对划痕或污染物的敏感性，以及无法跟随接触点的运动）。首先推导导波与接触阻抗的理论相互作用，以确定传感器在频率范围、模式、传感器类型和位置以及嵌入式电子设备方面的要求。小型原型（200×250mm）的设计标准和实验验证旨在证明该方法对于消费电子或生物医学应用中的点状或扩展对象的简单、稳定和可靠接触检测的潜力。

智能手机、平板电脑和许多类型的通信设备的普及正在推动便携式和功能性电子产品对普通触摸屏的需求和接受度[1]。在医疗领域和重工业中，触摸屏设备也被广泛用作键盘和鼠标系统的替代品，以便用户与显示内容进行准确的交互[2]。在现有应用中，触摸屏衍生产品（如压力映射系统）也用于生物医学研究，以确定人类或动物的体重平衡，并确定药物开发临床阶段的治疗效率[3]。 自60年代以来，已经为触摸屏设备提出了三种不同的技术，即电气，光学和机械（声学）解决方案[2]。电气解决方案（电容式和电阻式）因其使用的灵活性而广泛应用于消费电子产品中，但由于透明导电电极矩阵插入两层玻璃或聚合物之间，因此需要在受控环境中进行昂贵的制造[4]。光学解决方案（红外或成像）越来越多地用于需要极高透明度的大屏幕和应用。然而，这两种技术不允许测量接触压力或范围，只能提示用户存在接触点（单点触摸或多点触摸）。 为了估计接触压力，必须设想声学解决方案。表面声波（SAW：Surface Acoustic Waves）技术[5]使用高频超声波（高于1 MHz）来测量由于接触的存在而产生的波的吸收。然而，SAW的应用对表面上产生不当接触信息的污染物（液体，划痕）非常敏感。此外，多点触控和扩展接触不能被考虑在内，因此这种技术被认为是过时的。二十年前，声脉冲识别[6]已被用于监测触点产生的声学撞击声（低于30 kHz），如声发射（AE：Acoustic Emission）。这项技术允许使用一个简化的换能器（位于角落的2个压电陶瓷），但在初始触摸后无法监控接触点，即在手指不动或滑动的情况下。在本研究中，研究团队提出了一种基于超声波导波反射和目标物存在引起的透射的新型触摸屏设备。该方法利用了其他声波设备在简易性和对任何薄表面的适用性方面的优势，但不受一般性缺点的影响，因为它可以在初始触摸后跟随接触点的运动。
基于导波与接触物体的相互作用的触摸屏应用原理。 上图中描述的传感器的原理是将超声波导波发送到主机结构中，并测量其在不同位置的响应。在没有接触的情况下，观察到边缘引起的反射。然而，在接触存在的情况下，会感应到局部反射并修改测量的振动场。然后，研究团队的想法是将传感器处的测量响应与数据库进行比较，以便检索接触位置和阻抗值，因为反射幅度与接触阻抗直接相关。在中频范围（20 - 500 kHz）波中使用Lamb而不是低频声波[6]或高频表面声波[5]的概念首先由本文作者提出并获得专利[7]，[8]。同时，相应的测量系统也获得了专利[9]。类似传感器的数值模拟可在[10]中找到，但到目前为止，还没有演示其在实时接触检测中的应用。本文提出了分析建模、专用电子平台的实现和实时接触成像的演示。为此，该设计基于透明触摸屏应用的技术规范，源自下表中描述的实际市场需求。

触摸屏应用程序的规范遵循微WINDOWS 8兼容性标准[11]

 
第二部分介绍了使用接触阻抗模型在目标物存在下导波相互作用的理论建模。第三节提出了频率范围、导波模式、主机结构特性、换能器类型和位置、嵌入式电子器件和数据库构建的正确选择。第四部分主要进行传感器性能的实验验证。 图文快览计算有限维接触阻抗引起的反射和透射的考虑几何的格式
A₀模式（顶部）和S₀模式（底部）的相位速度是频率和表面阻抗参数的函数 入射A₀模式（顶部）或S₀情况下的反射系数模式（底部）作为无量纲接触阻抗的函数和频率
A₀（顶部）和S₀（底部）模式的反射R和透射T系数作为参数的函数。所选频率为250 kHz，触点长度为10 mm
8×10英寸样机安装在PC显示（左）并放大典型的接触成像结果（右）
嵌入式电子设备的设计说明
在两个不同位置对点状接触进行成像，并在接触周围（20×20 mm区域）进行缩放
对不同直径的圆形接触（顶部）进行成像，并围绕接触（40 ×40 mm区域）进行变焦 结论在本文中，提出了一种基于物体存在引起的导波反射的新型触摸屏设备。该原理利用了其他声波设备在简易性和适用于任何薄表面方面的优势，但不受传统缺点的影响（单点触摸、对划痕或污染物敏感、无法跟随接触点的运动）。提出了小型原型装置（8×10英寸）的设计标准和实验验证，并证明了该方法在消费电子或生物医学应用的简单、稳健和可靠的触摸屏应用中的潜力。参考文献 

原文来源于：IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 16, NO. 10，Touch screen Surface Based on Interaction of Ultrasonic Guided Waves With a Contact Impedance，Nicolas Quaegebeur, Patrice Masson, Nicolas Beaudet, and Philippe Sarret，Acoustics and Vibration Group, Université de Sherbrooke

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