智能人机界面（HMI）是人与电子设备之间交换信息的重要介质。触摸屏传感器作为最重要的HMI设备之一，已广泛应用于各种电子产品中，电容式传感器是触摸屏中最常用的方法，在当前的智能手机中得到广泛应用。但是，电容式传感器操作取决于手指与屏幕之间的接触，只能检测有限的手势，如触摸和滑动等，这极大地限制了人类手部动作的可能性和多功能性。如果不需要接触动作，并给人的手部动作更多的自由度，则可以识别更多种手势，同时，非接触感测方法可以改善操作体验的舒适性和手部卫生。因此，亟需具有非接触操作模式的屏幕传感器来解决常规电容式触摸屏传感器的诸多限制。

近期，郑州大学的毛彦超副教授报道一种非接触式屏幕传感器（TSS），能够通过人体自然携带的电荷在非接触模式下识别各种手势，并进一步开发了智能非接触式屏幕控制系统，通过非接触式操作模式解锁智能手机。首次提出了以人体自身摩擦电参与非接触式感应的概念，以开发用于智能电子产品的下一代屏幕传感器。它可以改变人们操作电子产品的方式，为用户带来更大的自由度，使人机之间的交互变得更加高效和引人入胜。

TSS单元的基本结构

如图1所示，研究人员通过化学气相沉积法在Cu箔上生长一层石墨烯（GR）；随后，将PMMA层旋涂在石墨烯表面；然后，将Cu箔腐蚀以形成PMMA/GR结构。

同时，将PET基板涂覆在ITO层上；通过激光蚀刻将ITO层制成正方形框；然后，通过ITO/PET吸附PMMA/GR；随后，用丙酮将PMMA层腐蚀，即可获得具有GR/ITO/PET多次结构的传感器单元。

图1. TSS制造工艺图

TSS的工作机制

由于TSS基于单层石墨烯和PET的基板，如图2所示，其轻巧、灵活和透明的特性使TSS可以轻松集成到智能个人电子设备的屏幕中。配备了TSS的智能手机可以在非接触模式下运行，图2b显示了由十个传感器单元组成的TSS装置，每个单元都具有GR/ITO/PET的多层结构。

TSS的运行方式是非接触式的，其工作原理是基于摩擦起电和静电感应。由于脚底与地面之间的摩擦起电效应，人体通常带负电荷，当手指以非接触方式在TSS顶部移动时，由于静电感应，TSS表面上的电荷分布将发生变化，然后在电路中产生信号。

图2. TSS结构和性能图

TSS的非接触式手势识别

图3、4显示了TSS可以在非接触模式下通过手指操作以生成相应的电信号，并且可以根据不同类型的手势产生相应的电信号，因此有望将识别手势的类型扩展为新一代的屏幕传感器。

图3. TSS的非接触手势识别

图4. TSS的非接触信号识别

智能非接触式屏幕控制系统

TSS的非接触式工作模式可以大大改善电子屏幕的操作体验，并使屏幕更加卫生。研究人员进一步开发了智能非接触式屏幕控制系统。如图5所示，研究人员设计了一个智能手机解锁界面，数字0–9分别对应于10个TSS传感器单元。

研究人员将密码预设为1679，当手指按顺序输入密码时，传感器单元在特定位置产生电信号，智能手机界面即可如图6所示的非接触式操作成功解锁。这表明了TSS在开发用于智能电子产品的下一代屏幕传感器方面的巨大潜力。

图5. TSS在智能非接触式屏幕控制系统中的应用

图6. 非接触操作模式解锁智能手机界面演示

本篇文章中，研究人员开发了非接触式屏幕传感器，可以通过人体电荷来识别非接触操作模式下的各种手势，并进一步开发了智能非接触式屏幕控制系统，能够通过非接触式操作实现智能手机界面的解锁。我们相信，这项技术将在智能人机交互领域得到更加广泛的应用，有望改变人们操作电子产品的方式！

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