【《静电力触觉增强机理分析》6600字】

静电力触觉增强机理分析目录TOC\o"1-3"\h\u15777静电力触觉增强机理分析 1226291.1静电力触觉增强效应的起源 1144651.2理想三明治电容静电力推导 359301.3假想“人体—触屏”多层复合电容物理模型 534951.3.1“人体—触屏”复合电容模型的建立 511411.3.2“人体—触屏”复合电容中静电力推导 672101.4静电力触觉增强效应中的界面摩擦机制 7327351.4.1接触界面假设 8139991.4.2电场分布下的摩擦力推导 813171.4.3有限尺寸效应 111.1静电力触觉增强效应的起源1950年夏天的一天，华盛顿大学的Mallinckrodt在更换灯泡时意外发现：当灯泡亮起时，如果用手触摸灯泡的黄铜开关，本来很光滑的黄铜表面上会产生一种粗糙的、带有细微振动的、仿佛轻拂过糖浆的触感。随后他对此进行了深入研究与实验，初步发现这是因为灯泡亮起时黄铜开关连接到了电源的火线端，因为漏电而产生的独特触感。如果将连接灯泡开关的插头在插座中旋转180度再连接，这种特殊的触感便消失了，原因是黄铜开关由连接火线变为了连接地线。其触觉原理如图1.1所示。图1.1灯泡中的静电力触觉增强效应Mallinckrodt还注意到，当他把皮鞋换成胶底鞋，或者赤脚从木地板走到砖地板，此特殊触感都大大减弱。此外，该触觉效应陆续在许多不同的触摸场景里再现：上了清漆的黄铜门把手、涂了漆的啤酒易拉罐和水分蒸干的煮蛋器里的鸡蛋。实验显示，对于一端连接火线的相同物体，不同人对该效应的触觉敏感度大不相同，并且在手指的不同区域也会产生不同的触感。Mallinckrodt进一步设计了相关实验，他将一块铝板的一端通过限流电阻，并接上了频率为60Hz、幅值为110V的交变电压，铝板的另一面则被环氧树脂漆覆盖。实验者被要求站在绝缘树脂上，右手触碰铝板，左手接地。当实验者的手指拂过涂漆的一面时，奇特的粗糙触感出现了；当实验者轻拂过未涂漆的一面时，奇特触感并未产生。实验所用限流电阻值为22mΩ，当手指接触涂漆面时人体电流约为1mA，此时有触感；当手指接触未涂漆面时人体电流约为4mA，此时无特殊触感。此外，当人体不接地（完全绝缘）时，奇特的粗糙触感仍然可被感知，此时通过人体—大地电容的交变电流幅值小于0.1mA。采用直流电重复上述实验没有任何触觉效应产生。 这些数据和结果揭示了经过人体感知器官的电流并非产生该触觉效应的根本原因。另一方面，如果用鼻子的薄皮肤接触铝板的未绝缘面，一阵间歇的刺痛感将被人体感受。这是一个直接用电流刺激皮肤内感觉神经末梢的例子，与没有电荷流经人体时所产生的摩擦树脂样触感完全不同。摩擦树脂样触感也可以再触摸铝板非绝缘面时产生，但前提是手指要保持足够干燥。在这种情况下，手指最外层的角质层充当了具有高阻抗的绝缘层。 为了证明皮肤内触觉感受器能够检测出上述情形下因电荷间吸引力而引发的皮肤机械振动，Mallinckrodt制作了一个中间夹带着一张褶皱面巾纸的双层薄铝板电容。使电容的一端连接电源火线，当手指轻轻放在另一端的接地极板上，这种静电力引发的振动可以在基板间距恰当的位置处产生并被触觉受体感受。与前述实验不同的是，此时没有电流流经人体，无论实验人员的手指是否轻拂接触表面，此类静电振动都可以被感知。 Mallinckrodt通过观察得到了对该效应的解释。手指最外层干燥的角质层，充当了复合电容中间的绝缘层，且金属板和人体内部的导电液充当了复合电容的两个极板。当在金属板施加交变电压时，皮肤和金属板之间会产生间歇的静电吸引力。当实验人员手指保持静止时，由于皮肤的弹性模量很大，变形很小，因此手指真皮层内的触觉感受器无法感受到周围组织的运动，因此也就没有触觉。然而，当人用手指轻拂过金属板时，手指角质层与极板间的摩擦力在复合电容充放电时增大，因此会对手指外侧皮肤产生一个时而拉、时而释放的作用力，这种作用效果激发了触觉感受器的响应并通让人感受到一种粗糙的摩擦树脂样触感。当手指湿润时，这种触觉效应没有显现，因为此时人体皮肤的阻抗会降低；此时穿过漆料层的交变静电力产生与金属极板和水层之间，手指与金属板表面之间的摩擦力并不会被金属—水层电容的充放电过程显著影响。 综上所述，对于该触觉效应的显现，手指与接触表面的摩擦运动贡献了绝大部分能量；在此过程中触觉感受器被激发而产生的摩擦触感，却受到了交变静电力的影响与调控。这种触觉效应有以下几个特点：无触电感，接触表面绝缘，机制为耦合电容型。人机交互模式主要依赖静电力导致的皮肤拖拽，作用机制属于微纳距离下的非接触型。手指的横向滑动（摩擦）是非必要条件，可在手指—触屏相对静止条件下激发。相比于直接电刺激，使用者的体验更符合自然状态。1.2理想三明治电容静电力推导 对于由静电力拉伸皮肤而导致的摩擦力变化带来的触觉效应，为了建立人体—接触面复合电容的物理模型，并进而推导出复合电容静电力表达公式，首先应对传统三明治结构（两极板加一绝缘层）电容极板间的静电力进行初步推导。对于传统三明治型电容，其极板间静电力表达式可以通过电场能守恒推导得出。 因每个极板各自独立产生的场强为E/2，即两板之间的电场强度E是由A、B两个极板共同产生的。假设在极板间放入一带电量为q的电荷，则电荷q会受到A、B两个极板共同的作用力F为：(1.1)在计算A极板受到B极板（电场）的作用力时，其自身电场对电荷的力不应计算，所以A只能受到B极板产生的场强（E/2）的作用力，即A极板受到B极板的作用力为QE/2。从电场能的角度来看，电容器带电量为Q时，极板间电场强度E为：(1.2)其中，U为极板间电压，C为电容大小，d为极板间距，S为极板面积，k为静电常数，εr(1.3)其中，Eeng电场力做功W等于：(1.4)又因为(1.5)故可推导出静电力F为：(1.6)其中，ε01.3假想“人体—触屏”多层复合电容物理模型 由前述静电力引发皮肤振动从而调控和影响摩擦力可知，这种触觉增强效应实现的前置条件是人体与触摸表面之间形成“人体—触屏”复合电容；如果使触屏端极板连接交变电压信号，人体端极板（人体内导电组织与液体）将生成感应电荷并受到交变静电力，由此引发皮肤的拉伸和振动并影响皮肤间摩擦力大小。1.3.1“人体—触屏”复合电容模型的建立 因此，构建“人体—触屏”复合电容的物理模型对静电力触觉增强效应的机理诠释至关重要。考虑到便利性与经济性，本论文采用了3M公司Microtouch系列的SCT3250电容触摸屏作为静电力激发装置，该屏幕由三层复合材料层组成。基于此，本论文建立的“人体—触屏”多层复合电容的假想物理模型如下图1.2所示：图1.2“人体—触屏”多层复合电容假想物理模型 人机交互界面的机器端由两层超薄材料沉积在一个对角线长6.7英寸的玻璃基底上制作而成。玻璃基底上的第一层为氧化铟锡层，一种大约40纳米厚的透明导电薄层。作为绝缘层的二氧化硅层沉积在玻璃基底最外层，可与人体皮肤直接接触，其电阻足够大因此不会有击穿现象等危险发生。 人体手指皮肤的最外层，或称角质层，由位于指尖处大约200毫米厚的死亡皮肤细胞构成。角质层在“人体—触屏”多层复合电容中被简化为了一个由电容和电阻并联的组成单元，如图1.2所示。电压VF是氧化铟锡导电层与角质层下人体内导电组织之间的压降，可以激发静电力。VS为外接交流电压信号，直接连在屏幕接线端，与氧化铟锡层容性耦合。因此，当评估1.3.2“人体—触屏”复合电容中静电力推导 为了确定“人体—触屏”多层复合电容中拉伸手指皮肤的静电力，1.2节中的理想三明治型电容模型需要针对手指—触屏接触界面进行推演和修正。在实际接触情形中，耦合电容中间共有三种不同的绝缘层：二氧化硅触摸板、手指与屏幕间的空气隙、指尖最外层的干燥角质层。其中，二氧化硅绝缘层厚度由触摸板制造信息已知，人体手指角质层厚度可认为空间上分布均匀，而手指与屏幕间空气隙的厚度则具有空间分布不一致的特性。三种绝缘层及其厚度分别表示为d1，d2，u(x,y)。其中，d1为二氧化硅绝缘层厚度，d图1.3“人体—触屏”复合电容间多种绝缘层的四类阻抗为了确定VF的大小，需要考虑“人体—触屏”复合电容中各组分上的分压。相较于半导体与绝缘体，导体的阻抗可忽略不计，因此本模型中主要考虑了人体指尖处角质层、手指与触摸屏间空气隙、人体与二氧化硅绝缘层四类阻抗上的分压，如图1.3所示。VF可表达为式（(1.7) 其中，ZSC，Zair，Zbody此外，还需考虑绝缘层之间还存在着少许从角质层泄漏出来的自由电荷QF(1.8)其中，Fe为“人体—触屏”多层复合电容间静电力，Ci为复合绝缘层的电容，ε1和ε 在文献[14]，[15]中，相关静电力的表达式与本文有些许出入，这些文章的作者将可由触觉感知到的静电作用表达为导体层与手指之间的静电力。然而，我的观点是静电力触觉增强效应激发的独特触感主要由人体手指表皮与真皮之前的触觉感受器以及触觉小体感知，这些触觉感受器是分布在指尖角质层内边缘以内的，因此本论文使用了角质层与导体层之间的压降作为触觉增强静电力激发源。1.4静电力触觉增强效应中的界面摩擦机制在实际接触中，影响两个固体之间的交互作用有很多种，例如范德华力（适用于全部种类的固体）、毛细力（生物组织接触时产生），以及静电力。这些力的共同作用可以统称为粘附力，儿粘附力的产生最终将影响固体间界面摩擦特性。对于静电力触觉增强效应中的摩擦力性质研究，相比于静电力，其它种类力的大小相对小得多，因此本节只考虑静电力的作用效果并以此作为影响皮肤与接触面间摩擦力的重要因素。1.4.1接触界面假设 如图1.4中所示，一个具有多尺度粗糙表面的弹性体（人体手指皮肤）位于一个刚体（触摸屏幕）上方。该刚体的外表面是平且光滑的。两类固体均为导电材料且二者表面均各覆盖了一层绝缘体（角质层与二氧化硅）。这里定义等效绝缘层厚度h0=d图1.4“人体—触屏”复合电容间三种绝缘层及其厚度 两类固体间可发生原子级接触，接触范围可由实际接触面积A比上公称接触面积A0衡量（图1.4中A=0）。二者间的非接触区域充满着空气，考虑到空气的相对介电常数（εair=1.000591.4.2电场分布下的摩擦力推导 现在假设连接屏幕导电层的外接电位为Φt(1.9) 上方固体底部绝缘层外表面的电场强度Ez(1.10) 则上方固体下表面的平均主应力为：(1.11) 上式中P(p,u)是关于界面间距u的随机概率密度分布，它与接触界面间的压应力p有关。 假设对上方弹性体施加一个大小为F0的力使其挤压下方固体，当电势施加在上下方固体之间，会出现一个额外的与F0同向的静电吸引力作用在二者上。因此，最简单的考虑方法是：将静电吸引产生的应力(1.12) 上式中p0 为了计算静电应力pa=σzz，我们需要知道概率密度分布P(p,u)的确切表达。对于具备粗糙随机性的表面，根据Persson接触力学理论，当该随机分布满足小坡估计时（(1.13) 其中P1(1.14) 结合式（1.12）和（1.11），我们可以得到在时间尺度上的有效平均接触应力为：(1.15) 根据上式，接触界面间电势可以表达为：(1.16) 对于一个均质弹性体，相对接触面积A/A0(1.17)上式中是h'是两固体间接合面粗糙度轮廓的均方根斜率。E∗=E/(1−v2)，其中E是弹性体的杨氏模量，(1.18) 由于人体皮肤本质上属于层状材料，因此静电触觉增强场景下的h'不是粗糙度轮廓的均方根斜率，而是一个依赖于表面粗糙度功率谱、表面弹性模量与弹性体层厚度的量。此外，对于极为干燥的皮肤，当手指与触屏接触时可能会发生塑性变形，此时式（1.17）与（1.(1.19) 其中，摩擦切应力τf与摩擦接触压力p∗=pA/A0相互独立，只要p∗在Mpa级别以下。对于人体皮肤，当滑移速度为1.4.3有限尺寸效应根据前人对于电黏性的理论，我注意到对于干燥皮肤来说，静电力触觉增强效应强烈依赖于“有限尺寸效应”。当具有较大弹性模量和较大表面粗糙度的固体被挤压接触时，粗糙接触区域中的局部压力会变得很高，以至于较软的材料会塑性地屈服。当公称接触压力较小时，固体仅在几个大不规则接触区域中进行接触。在这种情况下，在计算界面分离的分布时，需要考虑“有限尺寸效应”[17]。如图1.5所示，当“有限尺寸效应”起作用时，具有粘附力的接触面积曲线A(P0)（蓝色曲线）几乎与没有粘附力的接触面积曲线（黑色曲线）平行。这与“有限尺寸效应”的影响可以忽略不计，并且接触面积随载荷的变化（对于较小的施加载荷），图1.5中绿线所示的特点大不相同。在这种情况下，图1.5手指-触屏间摩擦压应力在有无“有限尺寸效应”时相对接触面积变化的不同趋势所谓“有限尺寸效应”是指具有随机粗糙表面的无限实体具有无限大的粗糙度。实际上，这种固体的表面粗糙度具有高斯概率密度分布。但是，实际实体是有限的，其表面始终具有全局粗糙度峰值，并且当两个实体之间的间距足够大时，实体之间将不会发生接触。如果将两个弹性固体挤压在一起的力足够大，只要其中一个表面的粗糙度功率谱具有长波峰速降区（类似于大多数表面），二者接触界面就会发生许多宏观粗糙接触，例如人类皮肤之类的高分子弹性体。在这种情况下，具有粗糙且具有相同统计特性的粗糙表面，它们