电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏

电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏【研究亮点】

    本文发明了一种基于摩擦发电静电感应无触屏传感器TSS),能够检测不同速度下手指的下落、举起、握拳、张开手掌、翻转手掌等手势。而且在此基础上进一步开发出智能非接触式屏幕控制系统,利用非接触式操作模式解锁智能手机界面。该研究首次提出了以人体自身进行摩擦自供电型非接触传感的概念,为开发下一代屏幕传感器提供了一种无触点的设计理念。

【研究背景】

    智能人机界面(HMI)是人与电子信息交换的重要媒介。触摸屏传感器作为人机界面中最重要的设备之一,在日常生活的个人电子产品中有着广泛的应用。然而,最常用的电容式触摸屏传感器只能检测到触摸和滑动这类非常有限的手势。为了适应下一代多功能多手势的识别,基于摩擦起电与电磁感应耦合的摩擦电纳米发电机(TENGs)得到了迅速发展。TENGs能够将来自不同环境源的不规则机械能转换为电能,可作为各种力学运动的自供电传感器,甚至有一些TENGs能够在非接触工作模式下工作,在不接触的情况下探测带电物体在其表面的运动。

    有鉴于此,郑州大学物理与微电子学院毛彦超教授课题组提出了一种基于摩擦起电和静电感应的无触屏传感器(TSS),利用人体自然携带的电荷来识别非接触工作模式下的各种手势。此研究结果有望改变人们操作个人电子产品的方式。

【图文详解】

    如图1a所示,装有TSS的智能手机可以在非接触模式下运行。1b为作者制作的TSS器件,由10个传感器单元组成(每个2 cm×2 cm),每个单元都具有多层结构,顶层为石墨烯,中间层是铟锡氧化物(ITO)方框,以PET为基板。从图1c的照片上可以看出,大部分自然光都可以通过TSS,这说明它的透明度很高,同时也表现出良好的柔韧性(图1c)。图1d的拉曼光谱表明石墨烯具有高质量的单层结构。TSS的具体工作机制如图1f所示:在初始状态下,手指与石墨烯隔一定距离(i),会在石墨烯表面诱导少量正电荷。当手指接触石墨烯表面时,石墨烯表面则积聚更多正电荷,屏蔽手指上的负电荷。因此,自由电子会通过ITO电极从石墨烯流向地面,产生输出电流信号(ii)。当手指继续接触石墨烯时,手指表面的负电荷将被石墨烯表面的诱导正电荷完全屏蔽,从而实现静电平衡(iii)。相反,当手指逐渐远离时,石墨烯会吸引一些电子来中和其表面的正电荷,产生反向的输出电流信号(iv)。当手指回到原来的位置时,就完成了一个完整的电信号产生过程。为了验证该机制,作者利用COMSOL软件对开路条件下相应的电位分布进行仿真,如图1g所示,当手指接近或脱离石墨烯时,它们之间的电位差随之改变。在短路条件下,这种变化的电位差会促使电子流动达到静电平衡,并在外部电路中产生交流信号。

电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏1:a) 在非接触模式下运行TSS智能手机的图像,b)由10个传感器单元组成的TSS器件图,c)TSS具有灵活透明性质的照片,d)单层石墨烯的拉曼光谱,e) TSS制备工艺的示意图,f) TSS的工作机理示意图,g)利用COMSOL软件模拟TSS电势分布图。

    当人的手指在非接触模式下操作一个TSS单元时,其电输出信号如图2所示。图2a-c分别为TSS在1Hz工作频率下的开路电压、短路电流和转移电荷。随着TSS与指间最小距离的增加,所有这些电输出均减小。当最小距离从0.5 cm增加到2.5 cm时,平均峰值电压从9.2 V下降到0.5 V,电流从8.5 nA下降到0.6 nA。图2d-f显示TSS在最小距离为0.5 cm时的电输出,运动频率为1 ~ 5Hz。结果发现随着手指运动频率的增加,电压和电流也随之增大,在运动频率为5Hz时,输出电压为32.8 V,电流为33.2 nA。在不同运动频率下,传输电荷量保持在约0.96 nC的恒定值,表明转移的电荷量只与TSS与手指之间的最小距离有关。接下来,作者进一步研究了湿度对TSS电输出的影响。如图2g-i所示,当相对湿度(RH)从30%增加到70%时,峰值电压从14.2降低到1.9 V,电流从14.6降低到2.1 nA。转移的电荷从1.7个nC减少到0.2个nC,这是由于由于RH的增加导致空气的相对介电常数增加,TSS的电输出降低。人体舒适的相对湿度范围为40-60%,而即使在70%的相对湿度下,TSS也能产生可识别的信号,这表明TSS完全能够在日常环境下提供适当的响应

电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏2:a-c)人手指与TSS之间的最小距离对TSS开路电压、短路电流和转移电荷的影响(2cm×2cm),d-f) TSS在1 – 5 Hz不同频率下的电输出,g-i) 湿度对TSS电输出的影响。

    如图3a所示,TSS单元可以根据不同类型的手势动作产生相应的电信号,图3b为一个工作循环的详细电信号,插图为相应的手势动作。当手指在非接触模式下进行上下移动时,TSS可以敏感地检测到手指的运动状态。图3c显示一个、两个、三个手指和一个手掌在传感器阵列上的移动。如图3d所示,可以清楚地看到,对应的传感器单元所产生的峰值电压与手指的位置完全一致,这证实了TSS的多点检测能力。

电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏3:a)一个TSS单元在各种手势下的输出电压信号,b)一个工作周期内对应的详细电信号,插图显示相应的手势动作,c)一根、二根、三根手指和一只手掌在TSS单元阵列上移动,d) 3D图中对应的峰值电压。

    用COMSOL软件可以模拟出当手指垂直移动三个不同位置时,四个TSS单元周围的电势分布(图4a)。计算出TSS单元相应的理论输出电压如图4b所示。当手指垂直于S1上方时,S1的电压明显高于其它传感器,如图4bi所示。当手指在S1S2中间移动时,S1S2产生的电压是相同的,因为它们离手指的距离相同。S3S4产生的电压更小,因为它们离手指更远,如图4bii所示。当手指在四个单元的中心移动时,四个传感器产生的电压是相同的,因为它们和手指的距离相同,如图4biii所示。当手指在三个不同位置垂直移动时,作者测试了四个TSS单元的实际输出电压,发现与图4c的理论计算值相当吻合。因此,通过分析四个TSS单元产生的电压比值,可以准确定位手指的位置,消除不同电荷量对手指的影响。

电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏4:a)当手指在不同位置垂直移动时,用COMSOL软件模拟了四个TSS单元周围的电势分布,b)理论计算得出四个TSS单元的模拟输出电压,c)四个TSS单元实际测量出的输出电压,i)手指移动到S1上面,ii)手指在S1和S2中间移动,iii)手指在S1-S4的中心移动。

    基于该TSS器件,作者进一步开发出了智能非接触式屏幕控制系统(图5a,b)。如图5b所示,该系统的操作包括对电信号的采集和处理,这些电信号最初由非接触模式下的手势动作产生。基于LabVIEW软件,作者设计出实时智能手机解锁界面,10个0-9对应着TSS的10个传感器单元。图5c为手指依次输入数字“1-6-7-9”后10个传感器单元的电压信号。当手指触发时,传感器单元在一定位置产生相应的电信号。6号输入的放大信号模式如图5d所示,插图显示了数字6在TSS中的对应位置。可以看到,当手指靠近TSS时,会产生一个阴性信号(阶段I和阶段II)。当手指移开时,会产生一个反向的信号(第三和第四阶段)。由于密码预设为1679,对采集到的信号进行处理后,可以通过非接触操作模式成功解锁智能手机界面(图5e、f),这展示了TSS在开发下一代智能电子屏幕传感器方面的巨大应用潜力。

电影场景变现:一款非接触式的手势识别触摸屏5:a)TSS在智能手机上的应用,b)智能非接触式屏幕控制系统的工作原理图,c)手指依次输入数字“1-6-7-9”时,10个传感器单元的电压信号,d) 6号输入的电压信号放大图,阶段I到阶段IV是相机在输入数字时捕捉到的手指的相应位置,e、f) 在TSS的非接触式操作模式下,输入密码后解锁智能手机的界面演示。

【总结】

    综上所述,本研究开发了一种利用人体电荷在非接触操作模式下识别多种手势的摩擦发电TSS。TSS采用石墨烯/ITO/PET三层结构,具有重量轻、灵活、透明等优点,可轻松集成智能电子显示屏。与传统的电容式传感器相比,该TSS能有效地检测出手指在不同速度下的各种手势。在此基础上,作者进一步开发出了智能非接触式屏幕控制系统,实现了智能手机界面的非接触式解锁。这种具有非接触姿态传感的TSS方法有望在智能人机交互领域取得显著突破。   

Yingjie Tang, Hao Zhou, Xiupeng Sun, Ninghua Diao, Jianbo Wang, Baosen Zhang, Cheng Qin, Erjun Liang, and Yanchao Mao*, Triboelectric Touch-Free Screen Sensor for Noncontact Gesture Recognizing, Adv. Funct. Mater. 2019, 1907893. DOI:10.1002/adfm.201907893

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/29710.html

参考文献:Adv. Funct. Mater.