單層ITO多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計
孫楊，張永棟，朱燕林
(天馬微電子股份有限公司，深圳518118，E-mail：yang_sun@tianma.cn)

 

摘要：提出了一種單層ITO結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電容式觸摸屏的設(shè)計方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)／多點(diǎn)觸摸功能。討論了單層ITO玻璃不同圖案設(shè)計對觸摸功能的影響，對產(chǎn)生的原因進(jìn)行初步分析，并提出了改善的方法。

關(guān)鍵詞：ITO電容式觸摸屏；圖案設(shè)計

中圖分類號：TN27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

    目前電容式觸摸屏已經(jīng)廣地應(yīng)用于彩色和黑白TFT—LCD顯示屏，具有可靠性高、耐用性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于通訊、消費(fèi)類電子、儀器儀表等應(yīng)用領(lǐng)域。但目前電容式觸摸屏大多使用多層ITO結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜。因此，單層1TO電容式觸摸屏，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)觸摸的電容式觸摸屏，成為電容式觸摸屏的一個研究方向。本文提出了一種單層ITO結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電容式觸摸屏的設(shè)計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)單點(diǎn)／多點(diǎn)觸摸功能。

2 電容式觸摸屏的基本結(jié)構(gòu)

    電容式觸摸屏的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。Lens材質(zhì)是玻璃或者PMMA／PC等材料，具有較高的表面硬度以及一定的機(jī)械強(qiáng)度，用于提高觸摸屏的可靠性；Sensor一般是單層或多層ITO膜層結(jié)構(gòu)，基板為玻璃或PET材料；中間是貼合層，用于將Lens和Sensor貼合，一般為0CA光學(xué)膠膜或者UV膠進(jìn)行貼合。

 

圖1電容式觸摸屏結(jié)構(gòu)
 

    電容式觸摸屏中Sensor的電極設(shè)計尤為關(guān)鍵，目前流行的主要有菱形圖案、系狀圖案以及網(wǎng)狀圖案等設(shè)計，如圖2所示。其中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)必須為雙層IT0膜；條狀、菱形圖案可以制造成單層ITo膜，但需要搭橋方式連接X方向或y方向的電極。

 

 

 

圖2各種電極圖形
 

    多層方式會降低透過率且工藝復(fù)雜。搭橋方式，因絕緣層膜厚與IT0或者金屬膜厚差別較大，容易產(chǎn)生斷裂問題。因此本文提出一種新型設(shè)計，用來改善以上情況。

3．1原理

    電容式觸摸屏的工作原理是設(shè)計出一組特殊的電極走線，將“邊緣場”引到手指能夠得到的有效感應(yīng)區(qū)域，把手指放在邊緣電場的附近將增加電容式系統(tǒng)的導(dǎo)電表面積。由手指所產(chǎn)生的額外電荷積聚電容被稱為手指電容Cf。在本文中，無手指觸摸時的傳感器電容用G表示，它代表寄生電容。這兩個電容為觸摸屏的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

    根據(jù)平行板電容公式，電容量與面積成正比，因此可以設(shè)計一組三角形電極‘11，實(shí)現(xiàn)二維方向的感應(yīng)，如圖3所示。

 

圖3單層電極圖形
 

    其中Cn代表第n組電極的Cp。n代表電極的組數(shù)，L是電極寬，D是一組電極的高。其X坐標(biāo)的計算是通過左側(cè)通道的感應(yīng)值加和與右側(cè)通道感應(yīng)值加和的比例來計算的。y是通過同一行的左右兩通道感應(yīng)值的加和與上下行的感應(yīng)值加和的比例來計算的。具體計算方法由式(1)確定：

 

    式中z7P。代表右側(cè)電極的Cr，xp。代表左側(cè)電極的Cf。此種單層ITO設(shè)計可以實(shí)現(xiàn)二維方向的坐標(biāo)識別。但是此種設(shè)計只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)式設(shè)計。對于兩個手指同時觸摸的情況下，在X方向則無法分辨。因此本文又提出一種改進(jìn)的圖形設(shè)計，使其能夠識別兩個手指的觸摸感應(yīng)。

3．2多點(diǎn)觸摸設(shè)計

    多點(diǎn)觸摸的設(shè)計關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觸摸功能的同時，也能檢測兩個手指觸摸的位置。如圖4所示，改進(jìn)后的電極設(shè)計增加多組菱形設(shè)計，使用導(dǎo)線將其引出。

 

圖4多點(diǎn)觸摸電極圖形
 

   其中Ca(n)代表第押組電極口的G，其余電極記法相同。Ca(n)、C'a(n)、Cb(n)、C'b(n)為一組感應(yīng)電極。

    單點(diǎn)工作方式與上述坐標(biāo)計算方法相同，X坐標(biāo)的計算是通過左側(cè)兩通道的感應(yīng)值加和與右側(cè)兩通道感應(yīng)值加和的比例來計算的。y是通過同一行的左右4通道感應(yīng)值的加和與上下行的感應(yīng)值加和的比例來計算的。具體計算方法由式(2)確定：

    多點(diǎn)工作方式，需要引入Z坐標(biāo)，Z代表手指與觸摸屏感應(yīng)電極接觸面積的大小，也能代表手指輸人壓力的大小。具體計算方法由式(3)確定：

    式中x'Pa(n)、x'Pb代表該右側(cè)電極a、b的C1；x'Pa(n)、x'Pb代表該左側(cè)電極a、b的Cf。

    設(shè)Zth為雙手指操作時Z的閾值。Z值超過Zth則為雙手指操作。

    Ca(n)、Cb(n)為第一組感應(yīng)電極，Cb(n)、C'b(n)為第二組感應(yīng)電極，C'b(n)、C'a(n)為第三組感應(yīng)電極，分別感應(yīng)X。、Xz、X。范圍內(nèi)坐標(biāo)點(diǎn)的位置。具體坐標(biāo)計算方法與上述類似。設(shè)計中需要注意X，、Xz、Xs每組電極的寬度應(yīng)與手指接觸面積的寬度相當(dāng)，如寬度不足則需要增加菱形電極，否則手指接觸在相同區(qū)域內(nèi)無法識別兩個感應(yīng)點(diǎn)。

3．3結(jié)果驗(yàn)證

    實(shí)際電極設(shè)計中，每對感應(yīng)單元設(shè)計為多組電極，并根據(jù)Lens的厚度設(shè)計電極面積以及間隙大小[2q]。間隙過大會導(dǎo)致線縫可見，因此使用假電極進(jìn)行填充使線縫在30肛m以內(nèi)則可以避免上述問題。經(jīng)過實(shí)際測試，在實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觸控基本功能的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)兩點(diǎn)觸控，滿足設(shè)計要求。操作效果如圖5所示。

 

圖5操作效果照片
 

4 結(jié)論

    通過詳細(xì)分析電容式觸摸屏的結(jié)構(gòu)以及電極設(shè)計，為電容式觸摸屏提供了一種單層膜ITO實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸的設(shè)計方案。實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果表明，在單手指觸摸和兩根手指觸摸的情況下，所設(shè)計的觸摸屏能夠準(zhǔn)確報出坐標(biāo)點(diǎn)。所提出的方案為低成本電容式觸摸屏提供了一種簡單的設(shè)計思路及方法。

參考文獻(xiàn)：
[1]翁小平．觸摸感應(yīng)技術(shù)及英應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：72—75
[2]Seguine R，Lee M．Cypress PSoc CapSense布局指南AN2292(ZH)[EB／OL]．[2005—10—31]
[3]Chang J．Sitronix STl232／1332 capacitive touch sensor controller specification[EB／OL]．[2009一10—23]．