一种柔性压电装置、柔性压电式输入设备及其输入方法

1.本发明属于输入设备技术领域，具体涉及一种柔性压电装置、柔性压电式输入设备及其输入方法。


背景技术：

2.现有技术中的输入设备普遍存在能耗高、防水性差、便携性差的问题。例如：与键盘类似的输入设备，有一定的形状、硬度，体积较大，需占用一定的空间；每个按键相当于一个开关，按钮识别方法是判断开关是否导通，大多数键盘式输入设备采用行、列扫描的方式进行按键检测，能耗较高；此外这类输入设备遇水会短路，便携性差。与触摸板类似的电容屏，例如透射电容式触摸屏，常用于手机显示屏，由两层导电层和一层绝缘层构成，当手指接触屏幕时，会破坏两个导电层之间的电场，随之产生微弱电流，通过检测电流来确定触点位置；其次电容屏遇水失灵的可能性更高，且柔性也不好。电阻屏：需要在某一电压值持续供电，增加能耗，电阻屏理论上可以制成具有一定柔性的设备，但会增加制造成本且影响精度。现有技术中存在可以在水环境中工作的压电式触摸屏，但是压电式触摸屏没有柔性，便携性差。例如公开号为cn208255862u的中国实用新型专利说明书中公开了一种压电触摸屏，按压屏幕时，根据第一电极中两个电极之间的电压以及第二电极中两个电极之间的电压计算触摸位置坐标，无需考虑电介质或水压的影响，使得该种屏幕遇水不会失灵，但是该种触摸屏柔性差，不易携带；此外这种压电触摸屏包括基板、压电薄膜、导电膜层、第一电极、第二电极等，结构比较复杂。因此需要设计一种结构简单，便于携带， 防水性强且能耗低的输入设备。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是，提供一种柔性压电装置、柔性压电式输入设备及其输入方法，从而避免输入设备不易携带，遇水易失灵的问题。
4.本发明采用的技术方案如下：本发明公开了一种柔性压电装置，包括柔性压电薄膜层、导电材料层、第一绝缘层以及第二绝缘层，其中柔性压电薄膜层的上表面与第一绝缘层下表面贴合，柔性压电薄膜层的下表面与导电材料层上表面贴合，导电材料层下表面与第二绝缘层上表面贴合；在导电材料层设置有多个引流点。
5.进一步地，柔性压电薄膜层、所述导电材料层、所述第一绝缘层以及所述第二绝缘层均为矩形，在导电材料层4个角的位置各设置一个引流点。
6.进一步地，柔性压电薄膜是在pvdf粉末中加入纳米碳粉和纳米zno采用静电纺丝方法制备而成。
7.进一步地，柔性压电薄膜的制备方法具体包括以下步骤：（1）将纳米碳粉、纳米zno和pvdf粉末按照质量比为1：15：100的比例准备，将dmf和丙酮按照体积比为3：2的比例配置；
（2）按照浓度11.6g/ml为标准，取一定质量的溶质和一定体积的溶剂放置在密封的瓶中，在温度30℃下搅拌3-5小时；（3）上述溶液超声30分钟，然后将溶液转移至注射器中开始静电纺丝过程，该过程中控制溶液的进料速度为1.5 ml/h，室温控制在40℃以下，湿度在60%以下，金属电极尖端距离接地铝箔板15cm，外加电场电压15kv;（4）将收集到的纳米纤维连带铝箔板放入烘箱中烘干，最后冷却至室温。
8.进一步地，本发明公开了一种柔性压电式输入设备，其特征在于包括柔性压电式输入单元，所述柔性压电式输入单元包括柔性压电装置、用于将柔性压电装置在引流点产生的电流放大的信号放大电路、ad转换电路、用于根据柔性压电装置上不同引流点产生的电流大小的比值输出设定数据或命令的信号处理模块以及通讯模块；所述柔性压电装置包括柔性压电薄膜层、导电材料层、第一绝缘层以及第二绝缘层，其中柔性压电薄膜层的上表面与第一绝缘层下表面贴合，柔性压电薄膜层的下表面与导电材料层上表面贴合，导电材料层下表面与第二绝缘层上表面贴合；在导电材料层设置有多个引流点；柔性压电装置的每个引流点分别连接信号放大电路的输入端，信号放大电路的输出端连接ad转换电路的输入端，ad转换电路的输出端连接信号处理模块的输入端，信号处理模块的输出端连接至通讯模块的输入端。
9.进一步地，柔性压电式输入单元的信号放大电路包括4个相同的信号放大单元，所述信号放大单元包括运算放大器、第一电阻、第二电阻以及电容，其中第一电阻、第二电阻以及电容的第一端分别连接至引流点，第一电阻的第二端连接至运算放大器的反相输入端；运算放大器的电源端接入直流电源；运算放大器的同相输入端和运算放大器的负极接线端子均接地；运算放大器的输出端与第二电阻的第二端以及电容的第二端相连接。
10.进一步地，柔性压电式输入单元的ad转换电路包括4个相同的ad转换单元，所述ad转换单元包括ad转换芯片、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第二电容以及稳压芯片，其中ad转换芯片的地址引脚、接地引脚均接地，ad转换芯片的基准电压引脚分别连接第四电阻的第二端与第五电阻的第一端，第四电阻的第一端分别与第二电容的第一端、稳压芯片的参考极以及稳压芯片的阴极连接；稳压芯片的阴极还通过第三电阻连接至直流电压源；稳压芯片的阳极、第五电阻的第二端、第二电容的第二端均接地。
11.进一步地，信号处理模块采用单片机，所述通讯模块采用串/并口、usb接口或者蓝牙设备。
12.进一步地，本发明公开了一种柔性压电式输入设备的输入方法，其特征在于包括以下步骤：a将柔性压电装置上表面或下表面分为多个大小形状相同的矩形区域，并对这些区域进行编号；b按压柔性压电装置的某一位置，并输出该点所属矩形区域的编号；c根据输出的矩形区域编号输出设定的字符或命令。
13.进一步地，步骤b具体包括以下过程：定义四个引流点产生的电流比值的范围与矩形区域的对应关系，按压柔性压电装置的某一点时，根据4个引流点产生的电流大小的比值即可确定所按压的矩形区域，并输出其编号。
本发明的有益效果为：由于采用了柔性压电薄膜，使本装置具有一定的柔性，可以折叠，方便携带，而且防水性能好，节省电能。由于往薄膜中增加了纳米zno和纳米碳粉，大大增加了压电薄膜的压电、弹性性能。本发明是将柔性压电装置、信号放大电路、ad转换电路、信号处理模块和通讯模块依次串联，结构较为简单。
附图说明
14.图1为柔性压电式输入设备结构示意图；图2为柔性压电装置的示意图；图3为信号放大电路电路原理图；图4为a/d转换电路电路原理图；图5为按压范围确定方法示意图。
具体实施方式
15.如图1所示，本发明公开了一种包括柔性压电式输入单元的柔性压电式输入设备，柔性压电式输入单元包括设置有4个引流点的柔性压电装置1、用于将柔性压电装置在引流点产生的电流放大的信号放大电路、ad转换电路、用于根据柔性压电装置上不同引流点产生的电流大小比值输出指定数据的信号处理模块4以及通讯模块5；信号放大电路包括4个相同的信号放大单元2，ad转换电路包括4个相同的ad转换单元3；柔性压电装置1的每个引流点均通过导线连接至信号放大电路2的输入端，信号放大电路2的输出端通过ad转换电路3连接至信号处理模块4的输入端，信号处理模块的输出端连接至通讯模块5的输入端，通讯模块5的输出端连接至使用该柔性压电式输入设备的输出设备。其中信号处理模块可采用单片机，通讯模块可采用串/并口、usb接口或者蓝牙设备。单片机里存储有根据按压范围输出对应按压区域编号的程序。当柔性压电装置面积较小时，柔性压电式输入设备仅包括1个柔性压电式输入单元。当柔性压电装置面积较大时，为了提高输入精度，柔性压电式输入设备包括多个柔性压电式输入单元，此时需将柔性压电装置分为多个形状大小相同的柔性压电单元，相应地，信号放大电路、ad转换电路、信号处理模块以及通讯模块的个数和柔性压电单元相等。
16.如图2所示，柔性压电装置由四层薄膜构成，包括柔性压电薄膜层8、导电材料层9、第一绝缘层7以及第二绝缘层10，其中柔性压电薄膜层8的上表面与第一绝缘层7下表面贴合，柔性压电薄膜层8的下表面与导电材料层9上表面贴合，导电材料层9下表面与第二绝缘层10上表面贴合；柔性压电薄膜层8、导电材料层9、第一绝缘层7以及第二绝缘层10均为矩形；在导电材料层4个角的位置均设置一个引流点，并连接导线6。
17.如图3所示，信号放大单元包括运算放大器op、第一电阻r1、第二电阻r2以及电容c，各元器件连接关系为：第一电阻r1、第二电阻r2以及电容c的第一端分别连接至输入端a，第一电阻r1的第二端连接至运算放大器op的反相输入端；运算放大器op的电源端接入5v直流电源；运算放大器op的同相输入端、运算放大器的负极接线端子均接地，运算放大器的输出端连接第二电阻r2的第二端和电容c的第二端；运算放大器的输出端为信号放大单元的输出端b。引流点通过导线连接至信号放大单元的输入端a，经过信号放大单元后电流就会被放大一定的倍数，然后通过信号放大单元的输出端b流入ad转换单元。
18.如图4所示，ad转换单元包括ad转换芯片、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第二电容c2以及稳压芯片，其中ad转换芯片的地址引脚a0、a1、a2、接地引脚agnd均接地，ad转换芯片的基准电压引脚vref连接第四电阻r4的第二端与第五电阻r5的第一端，第四电阻r4的第一端分别与第二电容c2的第一端、稳压芯片的参考极以及稳压芯片的正极连接；稳压芯片的阳极还通过第三电阻r3连接至直流电压源；稳压芯片的阴极、第五电阻r5的第二端、第二电容c2的第二端均接地。ad转换芯片的型号为pcf8591，稳压芯片的型号为tl431。ad转换单元的输入端为ain0端口，其输出端为scl和sda两个端口。
19.如图5所示，将柔性压电装置的表面分为若干个相同的矩形区域，并依次用1、2、3、4、5
…
进行编号。四个引流点即四角的电流分别设为e、f、g和h。当f和h的输入比值为1:1时，即可确定按点在fh边的垂直平分线上。当e和f（或者h和g）的输入比值为1:1时，即可确定按点在ef边的垂直平分线上。两者结合便可确定按点为薄膜中心点。但实际并非确定按点，而是确定按压范围，依次确定按压位置。由x1、x2、x3和x4四点组成的按压区域，不难看出按压点x1流向f、h两点电流比值为1；按压点x2流向f、h两点电流比值为2.236，所以当输入值在大于1，小于2.236时，即可确定按压范围在直线x1x4和直线x2x3两直线所夹竖向条形区域；同理可确定由直线x1x2和直线x3x4两直线所夹横向条形区域，两者重叠部分即为x1，x2，x3和x4所确定的区域（编号为11的方形区域）。
20.本发明公开了一种柔性压电式输入设备的输入方法，包括以下步骤：a将柔性压电装置上表面或下表面分为多个大小形状相同的矩形区域，并对这些区域进行编号；b按压柔性压电装置的某一点，并输出该点所属矩形区域的编号；c根据输出的矩形区域编号输出设定的字符或命令。
21.步骤b具体包括以下过程：定义四个引流点产生的电流比值的范围与矩形区域的对应关系，按压柔性压电装置的某一点时，根据4个引流点产生的电流大小的比值即可确定所按压的矩形区域，并输出其编号。
22.将单片机的程序提前拷入单片机中，将柔性薄膜压电装置、信号放大电路、ad转换电路、单片机以及通讯模块连接起来后，将通讯模块的输出端连接至输出设备，往输出设备上安装驱动程序即可开始使用。其中信号放大电路、ad转换电路、单片机以及通讯模块可集中在一块电路板上。
23.其中单片机程序的设计思路为：提前定义好4个引流点的电流比值与按压区域对应关系，将不同的比值进行编号，即对每一个按压区域进行编号。
24.驱动程序可根据单片机输出的按压区域编号输出对应字符或者进行相应操作，其设计思路为：驱动中多个并行语句将单片机输出的按压区域编号与所需进行的操作对应起来。例如：case:’11’:printf:’q’;case:’12’:system("startc:\a.txt");驱动读取单片机输出的按压区域编号，例如“11”，即可在屏幕中打印出q。例如“12”，即可打开电脑c盘中一个名为
‘
a’的txt文件。
[0025]“打印出q”相当于给设备（例如电脑）下发的指令，此条指令也可以通过改变驱动程序来改变指令。例如：当定义按压区域1时，输出为字母q。输出字母q代表一种指令，也可
以定义为输出一段或者多段其他的指令。
[0026]
本发明还公开了一种柔性压电薄膜的制造方法包括以下过程：（1）将纳米碳粉、纳米zno和pvdf粉末按照质量比为1：15：100的比例准备，将dmf和丙酮按照体积比为3：2的比例配置；（2）按照浓度11.6g/ml为标准，取一定质量的溶质和一定体积的溶剂放置在密封的瓶中，在温度30℃下搅拌3-5小时；（3）上述溶液超声30分钟，然后将溶液转移至注射器中开始静电纺丝过程，该过程中控制溶液的进料速度为1.5 ml/h，室温控制在40℃以下，湿度在60%以下，金属电极尖端距离接地铝箔板15cm，外加电场电压15kv;（4）将收集到的纳米纤维连带铝箔板放入烘箱中烘干，最后冷却至室温。
[0027]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。