压电发电技术在触控显示设备中的应用

武 瑛

（国家知识产权局专利审查协作北京中心，北京 100160）

0 引 言

触控显示设备实现了用户通过触摸显示设备的屏幕进行信息输入，已经得到广泛应用。提高用户的使用体验，是触控显示设备领域的重要研发方向。压电效应响应速度快、灵敏度高，逐渐受到研发人员的关注。本文将围绕涉及利用压电效应的触控显示设备的专利文献，分析压电发电技术在触控显示设备领域的研究和发展现状，对触控显示设备的发展将起到一定的推动作用。

1 专利分析

本文利用涉及人机交互技术的专利分类号G06F3，以及关键词“压电”“触觉/触控/触摸/触敏”“显示/屏”，在中国专利全文数据库（CNTXT专利数据库）中对各年度申请的专利文献进行检索，并比较了各年度的数据。涉及利用压电发电技术的触控显示设备的发明专利申请量年度统计数据如图1所示。从图1可以看出，在触控显示设备中使用压电发电技术从2010年逐渐起步。截至检索日2023年5月25日，2010—2022年间申请并公开的相关发明专利申请共有822件，涉及的主要申请人及其申请量如图2所示。图2所示的主要申请人的发明专利申请共有227件.下面的分析将围绕这些专利文献展开。

图1 专利申请量的变化

图2 主要申请人的发明专利申请量

2 研究和发展方向

下面将围绕主要申请人的发明专利申请文献，分析该技术在中国的研究进展和发展方向，以为相关科研人员的研发提供参考。通过浏览去噪，本文将触控显示设备中的压电发电技术的发展分为以下几个大的方向。

2.1 触控结构

压电材料具有正压电效应和逆压电效应。利用正压电效应和逆压电效应，触控显示设备中的压电触控结构包括力传感器和致动器。下面举例说明。

CN106020553A公开了一种显示面板、其制作方法及显示装置。显示面板中集成由依次层叠设置的下引出线、下传感电极、压电层、上传感电极和上引出线组成的力感应阵列，各下传感电极与各上传感电极一一对应、呈阵列排布，且与夹在两者之间的压电层组成一力感单元，感应按压在显示面板表面的压力，并输出相应的电信号。对该电信号变化的检测，可以确定出在显示面板表面相应的按压位置以及按压力度，以确定出触控位置和触控力度，执行相应的命令。当该显示面板为柔性显示面板时，还可以感测到显示面板在弯折时相应部位的拉力，以执行相应的命令[1]。

CN108121475A公开了一种触摸感测元件及包括该触摸感测元件的显示装置。触摸感测元件设置在显示面板上，包括第一电极、第二电极和设置在第一和第二电极间的电活性膜，设置在显示面板上的柔性印刷电路板（FPCB）与触摸感测元件电连接，触摸面板设置在触摸感测元件上，并电连接至触摸感测元件的电极以将从触摸面板输入的各种触摸信号或电压传输至触摸感测元件。电活性膜由聚偏二氟乙烯（PVDF）基聚合物和氰化物（CN）基聚合物形成，具有优异的压电性和透光性，改善了显示装置的触觉感知效果，在400 V电压下的振动加速度为0.82g至3.0g，透光率为89.1%或更高[2]。

CN106484096A公开了一种平行板致动器，包括平行板结构及定位在第一板与第二板之间的一个或者多个间隔件。第一板包括第一导体和至少第一绝缘体，第二板包括第二导体和至少第二绝缘体。间隔件是智能致动器，包括压电（聚合物或者陶瓷）材料，能够放大板的致动力和加速度。在第一力作用下，通过用户的第一接触提供来自静电相互作用的触觉反馈，并且在高于第一力的第二力作用下，通过用户的第二接触按压间隔件并且激活来自静电相互作用的额外的触觉反馈[3]。

CN107422905A公开了一种透明复合压电组合的触摸传感器和触觉致动器，复合压电单元包括在被触摸时在微尺度形变的宽层并由此用作传感器的顶部复合层，以及用作致动器的底部复合层。触摸传感器为含有传感器单元的阵列的基本透明的压电传感器层，触觉致动器为含有可独立致动的致动器单元阵列的基本透明的压电致动器层；显示器被配置为显示透过压电传感器层和压电致动器层可见的图像。顶层的柔性使得在底层生成的触觉效果能够被转移到与设备交互的人手。相互交错的电极系统用于使用直接压电效应检测顶层上的触摸，并且随后使用由检测到的触摸产生的信号，从而提供该信号以致动底层[4]。

2.2 多样化触觉反馈效果

人机交互反馈主要集中在视觉和听觉。在触摸屏幕的同时提供触觉反馈，可大大提升用户的使用体验。随着智能技术的发展，触觉反馈效果也呈现多样化。下面举例说明。

CN106339169A公开了用于纹理引擎的系统和方法。致动器是压电致动器，处理器被配置成：接收包括多个像素的显示信号；从触摸敏感界面接收与在多个像素中的一组的顶部上的显示器的位置处的用户交互相关联的交互信号；部分地基于所述多个像素中的组以及所述交互信号确定包括纹理的触觉效果；传送与所述触觉效果相关联的触觉信号；致动器与处理器通信，所述致动器被配置成接收触觉信号并且输出触觉效果，其中，多个像素中的每一个包括颜色和强度，其中处理器被配置成基于所述多个像素中的组中的每个像素的颜色和强度确定触觉效果[5]。

CN105353877A公开了一种用于摩擦显示和附加触觉效果的系统和方法，触觉效果确定模块表示、分析关于触摸特征的数据，以选择要产生的复合触觉效果的程序组件。将触摸表面的某些或所有区域映射到图形用户界面，基于触摸的位置来选择不同的复合触觉效果，以便通过改变触摸表面的摩擦并提供一个或多个其他触觉输出来模拟在屏幕上显示的特征的存在，使得该特征在遇到触摸表面的被映射到包含该特征的屏幕位置的部分时被“感觉到”。致动器选用压电致动器[6]。

2.3 多功能

触觉反馈大大减小了用户对视觉或听觉的依赖，提高了人机交互的沉浸感。根据人机交互需求的增加，压电发电技术在触控显示设备中呈现多功能化。

CN106446817A公开了一种指纹识别器件、触摸显示面板和指纹识别器件驱动方法。该指纹识别器件包括超声波发生检测单元和谐振腔室。超声波发生检测单元包括依次设置的第一电极层、压电材料层和第二电极层。超声波发生检测单元和谐振腔室相对设置，用于产生初始超声波信号。初始超声波信号的频率和谐振腔室未经手指触摸时的初始固有频率相同。超声波发生检测单元还用于将经过手指的脊和谷反射后的超声波信号转换为电信号，根据电信号确定手指的纹路信息。通过在基板上集成指纹识别器件，该指纹识别器件产生超声波并向基板外传播，并感测手指的谷脊反射的超声波，根据手指的谷脊反射的超声波确定手指的纹路信息，提高了指纹识别的准确度[7]。

CN104750309A公开了摩擦增强型控件和将触摸控制面板的按钮转换成摩擦增强型控件的方法。触摸控制面板被配置为接收来自用户的输入，控制器与触摸控制面板信号通信并且被配置为控制通电装置的至少一个操作设定，触觉输出设备与控制器信号通信并且被配置为在用户提供输入时通过向用户输出摩擦效果来模拟触摸控制面板的输入按钮。触觉输出设备包括连接到触摸控制面板的表面的压电致动器。触觉输出设备包括连接到触摸控制面板的表面并且与输入按钮重合的柔性层。压电致动器被嵌入在柔性层中，并且具有与输入按钮重合的开口的刚性框架覆盖柔性层[8]。

CN107168512A公开了用于触觉表面元件的系统和方法。视频游戏中，处理器可以响应于用户的角色穿越岩石地带来确定组合触觉效果。处理器可以使触觉单元输出第一触觉效果和第二触觉效果以输出组合触觉效果。例如，处理器可以传送配置为使触觉单元的柔性层变成凸块形状的第一触觉信号。处理器还可以传送配置为进一步使触觉单元的柔性层变成具有纹理的表面的第二触觉信号。当用户用身体部位接触触觉单元时，用户可以感觉到凸起的、具有纹理的表面。用户可以将凸起的、具有纹理的表面视为组合触觉效果比如模拟岩石地带的纹理和其他特征[9]。

3 结 语

压电效应响应时间短、灵敏度高，逐渐受到研发人员的关注。触控显示设备中利用压电发电技术，可根据检测到的触摸位置和力的大小执行相应命令，同时可实现视觉和触觉的融合。通过给用户提供触觉反馈，可大大减小用户对视觉或听觉的依赖，提高用户在人机交互过程中的舒适性和安全性。触控显示设备应用领域广，触控显示设备中的压电发电技术的开发利用，将有效带动相关应用领域的发展。