基于摩擦电的柔性自供能签字板制造技术

本发明专利技术公开了一种基于摩擦电的柔性自供能签字板，包括第一柔性摩擦材料、数据获取层、第二柔性摩擦材料，柔性垫圈，第三柔性摩擦材料和写字笔；所述数据获取层包括行扫描器、顶电极、柔性介质层、列扫描器和底电极。具体地，由脉冲电压采集电路采集x,y轴上的脉冲电压信号，从而确认笔迹在签字板上划过的准确数据。本发明专利技术的基于柔摩擦电的柔性自供能签字板，对于传统的硬质结构的签字板在感应原理与签字板的结构方式上做出了改进，为签字板的存在模式提供了新的思路，由于其外形的可弯曲折叠与独特的材料选择使得柔性签字板兼具便携性与轻量性。

Flexible self energy supply signboard based on triboelectricity

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦电的柔性自供能签字板
本专利技术涉及柔性电子及签字板，具体涉及一种基于摩擦电的柔性自供能签字板。
技术介绍
目前的签字板的结构设计主要是硬质化的，其较大的面积使得其不易携带，并且，现有的签字版主要采用电磁感应原理，需要不断的能源供给。随着手机的普及，一些基于手机端的数字签字软件也不断出现，但是，其书写模式导致在手机等屏幕端的签字不够美观。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于摩擦电的柔性自供能签字板，以改善传统签字板的刚性结构设计以及目前手机端数字签字板签字字体不美观的问题，使得柔性签字板兼具高便携性和易写性。技术方案：一种基于摩擦电的柔性自供能签字板：包括第一柔性摩擦材料层、数据获取层，第二柔性摩擦材料层，第三柔性摩擦材料层，绝缘封装层和签字单元；所述数据获取层包括行扫描器和顶电极、柔性介质层、列扫描器和底电极、信息采集转换电路；所述顶电极和行扫描器电连接，位于柔性介质层的上方，所述底电极和列扫描器电连接，位于柔性介质层的下方，所述柔性介质层作为信息采集转换电路的支撑层和电绝缘层，采用柔性有机绝缘材料；签字单元和第一柔性摩擦材料层组成第一接触-分离摩擦层，第二柔性摩擦材料层和第三柔性摩擦材料层之间设有柔性垫圈，第二柔性摩擦材料层、柔性垫圈和第三柔性摩擦材料层组成第二接触-分离摩擦层；所述第一接触-分离摩擦层、第二接触-分离摩擦层分别用于获取书写轨迹的行、列信号；列扫描器和行扫描器对整个摩擦电阵列进行扫描，对于签字板二维平面位置(i,j)，顶电极的第i根输出线和底电极的第j根输出线将信号输出到信息采集转换电路，之后通过电路解算出对应柔性签字板二维平面位置(i,j)处的是否有电压输出，从而表征该位置(i,j)处是否有笔势划过，其中，1≤i≤N，1≤j≤M，，N为顶电极的数目，M为底电极的数目。进一步的，所述签字单元和第一柔性摩擦材料层采用具有正负摩擦极性差的柔性材料。所述第一柔性摩擦材料层优选采用PDMS。所述签字单元为签字笔或者手指，所述签字笔的笔尖优选采用尼龙。进一步的，所述第二柔性摩擦材料层和第三柔性摩擦材料层采用具有正负摩擦极性差的柔性材料。所述第二柔性摩擦材料层优选采用尼龙膜。所述第三柔性摩擦材料层优选采用PTFE膜。进一步的，所述顶电极/底电极采用金属材料，液态金属或者纳米导电材料。进一步的，所述柔性介质层采用高分子有机绝缘聚合物，优选为采用摩擦极性与第一柔性摩擦材料层和第二柔性摩擦材料层相同的PDMS材料，PDMS具有良好的电绝缘性。进一步的，所述柔性垫圈采用树脂材料。和现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：本专利技术基于摩擦电原理，采用摩擦电输出电压获取笔迹信号，不需要供电，具有自供能的显著优点。柔性电子下的摩擦电效应，是通过摩擦接触-分离效应，将书写的笔势转换为电压脉冲信号。基于该原理，通过阵列化的设计，以及增加阵列中xy电极的数目，可以显示书写字体的准确识别。而柔性的特性给签字板带来了全新的结构设计形式，其全硬质的模式将转变为可弯曲折叠，便携的柔性模式，会给其带来更强大的便携性和更轻的重量。附图说明图1为本专利技术的一种基于摩擦电的柔性自供能签字板的结构示意图；图2为阵列摩擦电的笔势行信号获取的摩擦电结构示意图；图3为阵列摩擦电的笔势列信号获取的摩擦电结构示意图；图4为脉冲电压采集电路图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术的技术方案做详细的说明。如图1所示，一种基于摩擦电的柔性自供能签字板，包括第一柔性摩擦材料层1、数据获取层2、第二柔性摩擦材料层3、第三柔性摩擦材料层4、封装绝缘层5和签字笔6(也可用手指代替)；签字笔和第一柔性摩擦材料层组成了第一接触-分离摩擦层；第二柔性摩擦材料层和第三柔性摩擦材料层之间，设有柔性垫圈7，其组成了第二接触-分离摩擦层，第一接触-分离摩擦层和第二接触-分离摩擦层，分别用于获取书写轨迹的行、列信号。数据获取层2包括行扫描器和顶电极21、列扫描器和底电极22、柔性介质层23和信息采集转换电路，信息采集转换电路主要包括行列选择器和脉冲电压采集电路。摩擦现象的发生需要两种材料具有不同的摩擦极性，如一种是正摩擦材料，一种是负摩擦材料，摩擦分离时，一种吸收电子，一种吸收正电荷。从而产生电压，两者对电子和电荷的吸引程度越高，输出电压越大。因此，签字笔和第一柔性摩擦材料层应为具有高摩擦极性差的柔性材料。同样的，第二柔性摩擦材料层和第三柔性摩擦材料层也是具有高摩擦极性差的柔性材料。优选的，第一柔性摩擦材料层可采用PDMS，签字笔的笔尖可采用尼龙，或者使用手指直接代替签字笔。第二柔性摩擦材料层可采用尼龙膜，第三柔性摩擦材料层可采用PTFE膜。顶电极和行扫描器电连接，位于柔性介质层的上方，底电极和列扫描器电连接，位于柔性介质层的下方，其中，顶电极和底电极可以采用金属材料，液态金属，纳米导电材料，柔性介质层采用柔性有机绝缘材料，主要作为采集电路的支撑层和电绝缘层，柔性介质层优选采用摩擦极性与第一柔性摩擦材料层和第二柔性摩擦材料层相同的PDMS材料，因为PDMS具有良好的电绝缘性。顶电极用于获取笔势划过区域的行信号(x轴信号)，底电极用于获取笔势划过的列信号(y轴信号)。柔性签字板的空间分辨率由顶电极和底电极的相对布线密度决定，布线密度越大，分辨率越高。本专利技术中，签字板的笔势感应原理为柔性摩擦电原理，其基于摩擦起电效应和静电感应效应的耦合。具体地，在压力等外力作用下或发生接触分离现象，在接触分离过程中会在分离后的上下表面积聚电荷。根据不同的电荷中和效果可分为单电极模式和双电极模式：(1)在双电极模式下，将分离的上下表面通过电阻连接起来，上下表面集聚的电荷会通过电阻实现中和，达到静电平衡，因而会在电阻上产生电压脉冲；(2)在单电极模式下，境分离的上下表面中的一个表面通过电阻与地极连接，从而使得单表面集聚的电荷通过电阻流向地极，达到最终的静电平衡，因而也可以在电阻上产生电压脉冲。一般而言，在相同的负载电阻和摩擦电材料的情况下，单电极检测到负载电阻上的电压约为双电机的一半。但是，单电极相比如双电极而言，具有灵活的电路设计。本实施例采用单电极模式：签字笔和第一柔性摩擦材料层组成的第一接触-分离摩擦层用于获取书写轨迹的行电极信号，第二柔性摩擦材料层、柔性垫圈、第三柔性摩擦材料层组成的第二接触-分离摩擦层用于获取书写轨迹的列信号。笔势划过区域的行信号(x轴信号)由图2所示的摩擦电结构获取，其上下电极层的接触-分离具体以以下形式存在，当笔尖或手划过到摩擦材料2上(x,y)点的时候，在划到和划过之后，形成了解除分离现象，此时摩擦材料2在(x,y)出会出现集聚电荷。同样的，笔势划过区域的列信号(y轴信号)由图3所示的摩擦电结构获取，其上下电极层的接触-分离具体以以下形式存在，当笔尖或手划过到摩擦材料2上(x,y)点的时候，点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦电的柔性自供能签字板，其特征在于：包括第一柔性摩擦材料层、数据获取层，第二柔性摩擦材料层，第三柔性摩擦材料层，绝缘封装层和签字单元；/n所述数据获取层包括行扫描器和顶电极、柔性介质层、列扫描器和底电极、信息采集转换电路；所述顶电极和行扫描器电连接，位于柔性介质层的上方，所述底电极和列扫描器电连接，位于柔性介质层的下方，所述柔性介质层作为信息采集转换电路的支撑层和电绝缘层，采用柔性有机绝缘材料；/n签字单元和第一柔性摩擦材料层组成第一接触-分离摩擦层，第二柔性摩擦材料层和第三柔性摩擦材料层之间设有柔性垫圈，第二柔性摩擦材料层、柔性垫圈和第三柔性摩擦材料层组成第二接触-分离摩擦层；所述第一接触-分离摩擦层、第二接触-分离摩擦层分别用于获取书写轨迹的行、列信号；/n列扫描器和行扫描器对整个摩擦电阵列进行扫描，对于签字板二维平面位置(i,j)，顶电极的第i根输出线和底电极的第j根输出线将信号输出到信息采集转换电路，之后通过电路解算出对应柔性签字板二维平面位置(i,j)处的是否有电压输出，从而表征该位置(i,j)处是否有笔势划过，其中，1≤i≤N，1≤j≤M，，N为顶电极的数目，M为底电极的数目。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦电的柔性自供能签字板，其特征在于：包括第一柔性摩擦材料层、数据获取层，第二柔性摩擦材料层，第三柔性摩擦材料层，绝缘封装层和签字单元；
所述数据获取层包括行扫描器和顶电极、柔性介质层、列扫描器和底电极、信息采集转换电路；所述顶电极和行扫描器电连接，位于柔性介质层的上方，所述底电极和列扫描器电连接，位于柔性介质层的下方，所述柔性介质层作为信息采集转换电路的支撑层和电绝缘层，采用柔性有机绝缘材料；
签字单元和第一柔性摩擦材料层组成第一接触-分离摩擦层，第二柔性摩擦材料层和第三柔性摩擦材料层之间设有柔性垫圈，第二柔性摩擦材料层、柔性垫圈和第三柔性摩擦材料层组成第二接触-分离摩擦层；所述第一接触-分离摩擦层、第二接触-分离摩擦层分别用于获取书写轨迹的行、列信号；
列扫描器和行扫描器对整个摩擦电阵列进行扫描，对于签字板二维平面位置(i,j)，顶电极的第i根输出线和底电极的第j根输出线将信号输出到信息采集转换电路，之后通过电路解算出对应柔性签字板二维平面位置(i,j)处的是否有电压输出，从而表征该位置(i,j)处是否有笔势划过，其中，1≤i≤N，1≤j≤M，，N为顶电极的数目，M为底电极的数目。


2.根据权利要求1所述的一种基于摩擦电的柔性自供能签字板，其特征在于：所述签字单元和第一柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，段升顺，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32