基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，包括超声笔、接收模块及智能终端设备，通过在超声笔中设置压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT、超声笔控制器，以及在接收模块中设置第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，从而利用PMUT尺寸小、功耗低、价格低、性能优异、方便集成的优点，将之与笔式人机交互相结合，从而可大幅缩小设备尺寸、减小设备价格，同时提高设备性能。同时提高设备性能。同时提高设备性能。

【技术实现步骤摘要】
基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法


[0001]本专利技术涉及超声定位领域，特别是涉及一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法。

技术介绍

[0002]随着信息技术的发展，传统的人机交互方式如键盘、鼠标，已难以满足人们对于高质量人机交互的需要。笔式交互是一种重要的人机交互方式，通过类似于传统的纸笔隐喻(Metaphor)来提供给人们最大的习惯性。同时，笔式人机交互避免了对键盘、鼠标的需要，满足了现有智能终端设备小型化、便携化的要求。笔式人机交互中最关键的技术是笔的定位，目前用于笔式人机交互中的空间定位技术主要包括激光定位技术、红外光学定位技术、可见光定位技术、计算机视觉、惯性传感器定位、超声波定位技术。上述定位技术中，超声波对颜色、光强度不敏感；超声波对光线和电磁场的敏感程度低，可在黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰等环境中使用；超声波换能器构成的传感器结构实现简单、制作成本低廉、信号分析与处理简便可靠，方便实现便携化、集成化及实时性控制。因此，超声波定位技术在人机交互中得到了广泛的发展。
[0003]现有的超声笔式人机交互技术多基于传统体压电超声换能器制备，其中，体压电换能器的原理主要是利用压电陶瓷的厚度振动模式产生超声波，由于厚度模式的谐振频率只与换能器的厚度相关，在同一平面上很难制作不同谐振频率的超声换能器，且当其应用于高频时，厚度需要控制在亚微米级精度，其加工难度较高。
[0004]因此，提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，实属必要。
专利技术内容
[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统及方法，用于解决现有技术中超声笔式人机交互在应用及制备上的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统，所述二维笔式交互系统包括：
[0007]超声笔，所述超声笔包括压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT以及超声笔控制器，所述压力传感器将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器，所述超声笔控制器分别启动所述笔头PMUT及笔尾PMUT，并通过所述笔头PMUT发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT发送第二超声信号；
[0008]接收模块，所述接收模块包括第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，且所述超声笔向所述接收模块发送同步信号，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT用以接收所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接
收模块控制器进行解析，获取所述超声笔的空间位置信息；
[0009]智能终端设备，所述智能终端设备接收所述超声笔的所述空间位置信息，完成交互。
[0010]可选地，所述超声笔与所述接收模块工作于有线模式或无线模式，以进行所述同步信号的传输。
[0011]可选地，当所述超声笔与所述接收模块工作于无线模式时，所述超声笔还包括与所述超声笔控制器电连接的第一红外传感器或第一射频传感器，且对应的所述接收模块还包括与所述接收模块控制器电连接的第二红外传感器或第二射频传感器。
[0012]可选地，所述超声笔包括1～3个所述压力传感器。
[0013]可选地，所述笔式交互系统中的PMUT为由PMUT阵元所构成的PMUT阵列。
[0014]可选地，所述PMUT阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。
[0015]可选地，所述智能终端设备包括PC、智能手机及平板电脑中的一种或组合；所述接收模块与所述智能终端设备工作于有线模式或无线模式。
[0016]可选地，所述笔式交互系统还包括底板。
[0017]本专利技术还提供一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的交互方法，包括以下步骤：
[0018]通过所述压力传感器唤醒所述超声笔，且所述压力传感器将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器；
[0019]所述超声笔向所述接收模块发送同步信号，同时通过所述笔头PMUT发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT发送第二超声信号；
[0020]所述接收模块接收到所述超声笔发送的同步信号后，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT用以接收所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接收模块控制器进行解析，获取所述超声笔的空间位置信息；
[0021]所述接收模块将所述超声笔的空间位置信息发送至所述智能终端设备，完成交互。
[0022]可选地，获取所述超声笔的空间位置信息包括所述超声笔的坐标信息以及姿态角信息，包括以下步骤：
[0023]以所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的连线中心作为原点，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的连线作为x轴，垂直x轴的直线为y轴，建立坐标系，其中，所述第一接收PMUT的坐标为(x
r1
，0)，所述第二接收PMUT的坐标为(x
r2
，0)，所述笔头PMUT的坐标为(x
t1
，y
t1
)，所述笔尾PMUT的坐标为(x
t2
，y
t2
)；
[0024]以所述超声笔发送的同步信号为基准，所述笔头PMUT(x
t1
，y
t1
)所发射的所述第一超声信号到达所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的时间分别为t1和t2，所述笔尾PMUT(x
t2
，y
t2
)所发射的所述第二超声信号到达所述第一接收PMUT及第二接收PMUT的时间分别为t3和t4，设定超声波的传播速度为c，则得到下述方程：
[0025][0026][0027][0028][0029]通过求解上述方程，即可求得所述笔尾PMUT(x
t2
，y
t2
)及笔头PMUT(x
t1
，y
t1
)的坐标信息；
[0030]由所述笔尾PMUT及笔头PMUT之间的距离为d1，所述笔头PMUT及笔尖之间距离为d2，所述超声笔与水平面的姿态角为θ，结合下述方程：
[0031][0032]设笔尖坐标为(x，y)，则通过
[0033](x
‑
x
t2
)2+(y
‑
y
t2
)2＝((d1+d2)
×
cosθ)2[0034][0035]即可求得所述笔尖坐标(x，y)和所述姿态角θ，获取所述超声笔的坐标信息以及姿态角信息。
[0036]如上所述，本专利技术的基于压电微机械超声换能器的二维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统，其特征在于，所述笔式交互系统包括：超声笔，所述超声笔包括压力传感器、笔头PMUT、笔尾PMUT以及超声笔控制器，所述压力传感器将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器，所述超声笔控制器分别启动所述笔头PMUT及笔尾PMUT，并通过所述笔头PMUT发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT发送第二超声信号；接收模块，所述接收模块包括第一接收PMUT、第二接收PMUT及接收模块控制器，且所述超声笔向所述接收模块发送同步信号，所述第一接收PMUT及第二接收PMUT用以接收所述第一超声信号及第二超声信号，且所述第一接收PMUT及第二接收PMUT将接收的所述第一超声信号及第二超声信号分别转换成电信号，并传输给所述接收模块控制器，通过所述接收模块控制器进行解析，获取所述超声笔的空间位置信息；智能终端设备，所述智能终端设备接收所述超声笔的所述空间位置信息，完成交互。2.根据权利要求1所述的笔式交互系统，其特征在于：所述超声笔与所述接收模块工作于有线模式或无线模式，以进行所述同步信号的传输。3.根据权利要求2所述的笔式交互系统，其特征在于：当所述超声笔与所述接收模块工作于无线模式时，所述超声笔还包括与所述超声笔控制器电连接的第一红外传感器或第一射频传感器，且对应的所述接收模块还包括与所述接收模块控制器电连接的第二红外传感器或第二射频传感器。4.根据权利要求1所述的笔式交互系统，其特征在于：所述超声笔包括1～3个所述压力传感器。5.根据权利要求1所述的笔式交互系统，其特征在于：所述笔式交互系统中的PMUT为由PMUT阵元所构成的PMUT阵列。6.根据权利要求5所述的笔式交互系统，其特征在于：所述PMUT阵元的压电层包括AlN压电层、ZnO压电层、PZT压电层及压电陶瓷层中的一种或组合。7.根据权利要求1所述的笔式交互系统，其特征在于：所述智能终端设备包括PC、智能手机及平板电脑中的一种或组合；所述接收模块与所述智能终端设备工作于有线模式或无线模式。8.根据权利要求1所述的笔式交互系统，其特征在于：所述笔式交互系统还包括底板。9.一种权利要求1～8中任一所述基于压电微机械超声换能器的二维笔式交互系统的交互方法，其特征在于，包括以下步骤：通过所述压力传感器唤醒所述超声笔，且所述压力传感器将接收到的压力信号转换成电信号，并传输给所述超声笔控制器；所述超声笔向所述接收模块发送同步信号，同时通过所述笔头PMUT发送第一超声信号，通过所述笔尾PMUT发送第二超声信号；所述接收模块接收到所述超声笔发送的同步信号后，所述第一接收PMUT及...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄亮，吴志鹏，黄帅，张麟伟，刘洋，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：