電容式觸摸屏原理及詳細(xì)

1、Contensp電阻式觸摸屏與電容式觸摸屏的對比p電容式觸摸屏原理和分類pFTS 電容式觸摸屏控制器介紹12/27/200912術(shù)語oITO-Indium Thin Oxide，氧化銦錫，一種透明的導(dǎo)電材料oTP-touch panel，觸摸屏oCTP-Capacitance touch panel，電容式觸摸屏oDITO：在玻璃雙面分別制作ITO圖形，構(gòu)成電容極板oSITO：在玻璃的單面制作ITO圖形，構(gòu)成電容極板12/27/200923術(shù)語o OCA光學(xué)膠是重要觸摸屏的原材料之一。將光學(xué)壓克力膠做成無基材，然后在上下底層，再各貼合一層離型薄膜，是一種無基體材料的雙面貼合膠帶。優(yōu)點(diǎn)：高清澈度

2、、高透光性(全光穿透率99%)、高黏著力、高耐候、耐水性、耐高溫、抗紫外線，長時(shí)間使用不會(huì)產(chǎn)生黃化 ( 黃變 )、剝離及變質(zhì)的問題o 分類：1.電阻式n 電阻式的光學(xué)膠按厚度不同又可分為50um和25umo 2.電容式n 電容式的光學(xué)膠分為100um，175um，200um12/27/200934電阻式觸屏VS電容式觸屏對比o 電阻式方案已經(jīng)非常成熟，一般都是和液晶屏打包配套，成本比較低。但由于先天結(jié)構(gòu)(原理)上的原因，使用一段時(shí)間后需要重新對觸摸屏進(jìn)行校正。低端的4線電阻式觸摸屏需要直接與指尖或筆接觸，所以在上蓋的設(shè)計(jì)上會(huì)有一個(gè)開孔，對外界的各種干擾(灰塵、濕氣、ESD等等)都缺乏有效的防護(hù)

3、，所以可靠性和耐用性較差。高端的5線式電阻式觸摸屏可以通過改善結(jié)構(gòu)解決這個(gè)問題，但成本上已經(jīng)和電容式持平。且對一些復(fù)雜的手勢(特別是多點(diǎn)觸摸)缺乏有效的支持，而這恰恰就是電容式觸摸屏最大的賣點(diǎn)。 11/3/20215電阻式觸屏VS電容式觸屏對比o 電容式方案的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理和電阻式完全不一樣，主要是根據(jù)接觸區(qū)域的電容量來判斷手指的位置，所以目前只能通過手指來感應(yīng)，并且可以對多點(diǎn)觸摸等復(fù)雜的手勢可以提供完善的支持。由于對外界的感應(yīng)需要通過一層不導(dǎo)電的介電質(zhì)(塑膠、玻璃等)，觸摸屏需要貼合在上蓋背面，所以對外界的抗干擾能力較強(qiáng)，可靠性和耐用性高?！暗牵S之而來的問題是對供應(yīng)商的制造和組裝能力(貼

4、合)提出了較高的要求，因此目前整體成本居高不下。”陳元指出。11/3/20216電阻式觸屏VS電容式觸屏對比11/3/2021電容式觸摸屏基本原理和分類12/27/200978Capacitance touch panel overviewo 用ITO材料制作透明電極的電容陣列o 手指觸摸到電容式觸摸屏表面，改變觸摸屏的固有電容o 觸摸屏電容控制器（IC）檢測到電容的變化，并通過電容陣列的電容變化率，計(jì)算出觸摸發(fā)生的坐標(biāo)，強(qiáng)度等信息12/27/200989Electronic Field Capacitive Sensorn通過檢測電容傳輸?shù)哪芰縼頇z測電容n振蕩器輸出正弦波加到電容一端n信號檢

5、測處理電路接電容另一端n根據(jù)接收點(diǎn)信號電平高低判斷電容的大小振蕩器Sensing and Filter12/27/2009910Relaxation Oscillator Capacitive Sensorn通過檢測張弛振蕩器頻率來檢測電容n一個(gè)恒流源給電容充電n一個(gè)受反饋控制的開關(guān)給電容放電n遲滯比較器把電容電壓變化整形方波12/27/20091011Charge Transfer Device Capacitive Sensorn首先，感應(yīng)電容充電n其次，把感應(yīng)電容的電荷轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電容n通過檢測電荷轉(zhuǎn)移量來檢測電容的大小12/27/20091112Detect Method: Self-

6、capacitance VS. Mutual-Capacitancen自電容 利用單個(gè)電極自身的電容一端接地，另一端激勵(lì)或采樣電路n互電容利用兩個(gè)電極傳輸電荷通常一端接激勵(lì)，另一端接采樣電路12/27/20091213n自電容self-capacitor測量信號線本身的電容優(yōu)點(diǎn)：簡單，計(jì)算量小缺點(diǎn)：虛擬兩點(diǎn)，速度慢n互電容-mutual capacitor測量垂直相交的兩根信號之間的電容優(yōu)點(diǎn)：真實(shí)多點(diǎn)，速度快缺點(diǎn)：復(fù)雜，功耗大，成本高Ghost point12/27/20091314Panel Processo 玻璃雙面（DITO）n ITO圖案做在玻璃的上下表面，分別為x軸和Y軸，上表面加L

7、enso 玻璃單面（SITO）n ITO圖案做在玻璃的上表面 ，下表面為shieldingo 玻璃單面架橋，X軸與Y軸交匯處采用架橋o 玻璃單面雙層，使用SiO2隔離o Filmn 二層，分別為X軸，Y軸12/27/20091415DITO12/27/20091516SITO12/27/20091617Film12/27/20091718Panel Pattern：Two Layers Self-capacitance or Mutual capacitance Paneln兩層ITOn分別與地或手指構(gòu)成自電容（人體接地）n自電容有M+N個(gè)電容n互電容有MN個(gè)電容n需要M+N條線連到控制芯片M

8、 ROWN Column12/27/20091819Two Layers Mutual Capacitorn兩層ITOn相互重疊構(gòu)成電容n有MN個(gè)電容n需要M+N條線連到控制芯片n手指觸摸影響相互電容12/27/200919FTS電容式觸摸屏控制器簡介12/27/20092021FTS 電容式觸摸屏控制器方案特點(diǎn)o 自主專利的方案o 互電容o 提供業(yè)內(nèi)頂尖級的性能n多點(diǎn)觸摸檢測，最多達(dá)到5點(diǎn)n高信噪比n抗RF干擾n高精度n高分辨率n高線性度n自校正，避免溫度，濕度的影響o 本地化的服務(wù)12/27/20092122Multi-toucho 多點(diǎn)觸摸是一個(gè)趨勢n 正在競標(biāo)的某國際大公司2011年項(xiàng)

9、目要求10點(diǎn)n 正在design in的多個(gè)case要求真實(shí)兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上n 隨著apple tablet PC上市，多點(diǎn)應(yīng)用會(huì)逐漸涌現(xiàn)并普及n 能自主安裝應(yīng)用軟件是為了的一個(gè)趨勢，系統(tǒng)硬件應(yīng)該為將來性能提升提供準(zhǔn)備o FTS方案能提供真實(shí)的5點(diǎn)觸摸檢測，為將來的應(yīng)用提升提供硬件支持12/27/20092223SNRo 在觸摸屏行業(yè)，SNR定義為信號幅度與噪聲幅度比（噪聲取絕對值）。o SNR的傳統(tǒng)定義為信號功率與噪聲功率比n SNRP=PS/PN=VS2/VN2=SNRV2n 如果采用這個(gè)定義的SNR，則信噪比能達(dá)到數(shù)千。o SNR是一個(gè)基本參數(shù)，決定系統(tǒng)的大部分性能n SNRV50，系統(tǒng)能

10、穩(wěn)定工作n SNRV100，系統(tǒng)性能優(yōu)良n FTS方案配合相應(yīng)的TP，SNRV15012/27/20092324Anti-RF interferenceo 抗RF干擾時(shí)CTP系統(tǒng)一個(gè)關(guān)鍵性能n 抗RF干擾能力差是之前CTP case失敗的關(guān)鍵因素o 抗RF干擾包括GSM，CDMA，WIFI，微波爐等射頻干擾o FTS方案采用跳頻等技術(shù)，提供優(yōu)異的RF干擾抑制能力12/27/20092425找出電容最大值和對應(yīng)的列 用以最大電容值列最大電容值列為中心的三列求出其加權(quán)平均，即橫坐標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算-Center Point algorithmiPi1111) 1(*) 1(*iiiiiiPPPiPiPiP

11、KX其中，K為映射系數(shù)12/27/20092526Accuracyo Accuracy（精度）是指實(shí)際觸摸位置與TP上報(bào)觸摸坐標(biāo)的誤差，包括邊沿精度與非邊沿精度n邊沿指TP AA區(qū)外側(cè)3mm左右的邊框部分n非邊沿指TP AA區(qū)外側(cè)3mm左右的邊框以內(nèi)的部分o 坐標(biāo)計(jì)算通常都是采用重心算法，因此精度的關(guān)鍵是SNR和TP的PitchnSNR越高則參數(shù)的置信位數(shù)越高;計(jì)算的結(jié)果越可靠則精度越高n合適的Pitch能提高精度。Pitch的選擇主要與手指的大小有關(guān)。一個(gè)典型的Pitch為5mm。o FTS整合TP設(shè)計(jì)與算法，提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的TP觸摸精度n邊沿2mm，非邊沿1mm12/27/20092627R

12、esolutiono Resolution（分辨率）指單位長度TP能觸摸的點(diǎn)數(shù)或者TP能上報(bào)的點(diǎn)數(shù)o 與精度一樣，分辨率的關(guān)鍵是SNR和TP的Pitchn 分辨率與精度是同一個(gè)問題，不同的描述角度o 針對手機(jī)應(yīng)用，F(xiàn)TS的方案能提供最多1280768的分辨率。形象的說，就是能把顯示屏上的每個(gè)點(diǎn)觸摸出來12/27/20092728Linearityo Linearity（線性度）是指在TP上畫對角直線時(shí)，實(shí)際曲線與理想直線最大的距離o FTS的方案能實(shí)現(xiàn)線性度達(dá)1mm12/27/20092829Adaptive process algorithmo 環(huán)境（溫度、濕度等）變化會(huì)造成TP失效n 溫度

13、適應(yīng)能力差事之前CTP失敗的重要原因o 材料老化也會(huì)造成TP失效o 自適應(yīng)處理算法能根據(jù)環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)TP參數(shù)設(shè)置，使TP工作在最佳狀態(tài)。o 自適應(yīng)處理算法還能補(bǔ)償材料老化對TP造成的影響12/27/20092930Scan rateo 控制IC以一定速率對TP進(jìn)行掃描o 互電容VS自電容n互電容以幀為單位上報(bào)觸摸屏的事件。即每次掃描，均立即上報(bào)該次掃描的結(jié)果，包括觸摸點(diǎn)數(shù)，每點(diǎn)的坐標(biāo)n自電容僅能針對單點(diǎn)觸摸上報(bào)真實(shí)坐標(biāo)。對多的觸摸時(shí)，使用十分復(fù)雜的虛擬算法計(jì)算坐標(biāo)，效率低，容易出錯(cuò)。因此，定義了一個(gè)Point/S（點(diǎn)/秒）的參數(shù)來定義上報(bào)速率。o 60Hz是足夠的，并且是現(xiàn)實(shí)的n從體驗(yàn)的

14、角度看，60Hz與80Hz幾乎沒有區(qū)別n隨著頻率的上升，CPU消耗的資源超過臨界點(diǎn)后會(huì)急劇上升o FTS最大能支持80Hz的掃描速率12/27/20093031Power managemento FTS CTP系統(tǒng)提供完善的功耗管理o FTS CTP系統(tǒng)提供3個(gè)功耗模式n Active：全速模式, 可以產(chǎn)生觸摸中斷/INT, 可以讀取觸摸數(shù)據(jù). n Monitor：觸摸監(jiān)測模式, 低速掃描, 不能產(chǎn)生觸摸中斷/INT. 有觸摸發(fā)生后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到Active n Hibernate：系統(tǒng)休眠，需要硬件觸發(fā)喚醒12/27/20093132手勢集成與自定義o FTS方案能集成目前所有手勢，包括單點(diǎn)點(diǎn)擊

15、，雙擊，平移，放大縮小等o FTS方案能根據(jù)客戶的需求，集成客戶定義的手勢o FTS方案能上報(bào)絕對坐標(biāo)，由Host來分析觸摸類型并作出相應(yīng)的處理12/27/20093233系統(tǒng)接口端口名稱電平極性描述串行接口2.83.3V串行接口為CTPM和Host之間的數(shù)據(jù)通信通道. FT5201構(gòu)成的CTPM支持SPI, I2C這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口之一. /INT2.83.3VLOWCTPM發(fā)送給Host的中斷信號/WAKE*2.83.3VLOW從HIBERNATE當(dāng)中喚醒CTPM的信號. CTPFT5201MCUCTP ModuleHost/INT串行接口RXTX/WAKE12/27/20093334觸摸

16、數(shù)據(jù)讀取模式o 支持中斷模式與查詢模式n 中斷模式為觸摸屏系統(tǒng)檢測到觸摸發(fā)生時(shí)，主動(dòng)發(fā)出中斷給Host，讓Host來讀取觸摸發(fā)生數(shù)據(jù)n 查詢模式為觸摸屏系統(tǒng)定時(shí)檢測觸摸，觸摸發(fā)生時(shí)，僅僅準(zhǔn)備好觸摸數(shù)據(jù)，被動(dòng)等待Host來讀取數(shù)據(jù)12/27/20093435OSo CTP系統(tǒng)是一種普通外設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI、I2C接口，與OS無必然關(guān)系n SPI與I2C可以通過硬件接口連接，也可以通過軟件模擬方式連接o OS與CTP的關(guān)系主要體現(xiàn)在對觸摸輸入的支持上，包括單點(diǎn)，多點(diǎn)，手勢等o 通過在OS中加入驅(qū)動(dòng)來解釋協(xié)議n FTS可以給各個(gè)OS的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提供幫助12/27/20093536Design In

17、flowo 聯(lián)調(diào)前的準(zhǔn)備n 確定TP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括TP，F(xiàn)PC，元件區(qū)，出pin位置等n 確定TP系統(tǒng)提供的功能n 確定接口類型，連接方式，信號電平o 聯(lián)調(diào)內(nèi)容n 根據(jù)協(xié)議編寫OS驅(qū)動(dòng)-FTS提供協(xié)助n 連接TP進(jìn)行調(diào)試n 測試TP功能與性能o 整機(jī)測試12/27/20093637生產(chǎn)集成o TP生產(chǎn)o Firmware 寫入o TP出廠檢測o 與手機(jī)集成（無需校正）o 整機(jī)測試12/27/20093738懸空觸摸失效問題o 把手機(jī)至于懸空狀態(tài)，比如放置于空盒子之上，沒有與其他系統(tǒng)有電連接。這時(shí)，手機(jī)發(fā)生觸摸失效的現(xiàn)象稱之為觸摸懸空觸摸失效問題o 根據(jù)我們的研究，懸空觸摸失效問題主要與TP的

18、結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前僅有使用DITO的apple iPhone完全解決了這個(gè)問題，其他公司產(chǎn)品多少存在這個(gè)問題o 觸摸懸空失效還與系統(tǒng)信噪比有關(guān)12/27/20093839本地化的服務(wù)o 電容式觸摸屏是一個(gè)新事物，還沒有標(biāo)準(zhǔn)化o 非標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，根據(jù)客戶需求實(shí)行個(gè)性化服務(wù)時(shí)成功的關(guān)鍵o 國際大的IC廠都在給國際大的手機(jī)廠進(jìn)行個(gè)性化服務(wù)o FTS能給大陸，臺灣地區(qū)的終端客戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)12/27/20093940FTS方案基本參數(shù)：FT5201+C8051F921ItemsParameterMin.Typ.Max.Scan rate( single touch or 5 touch）6080Resp

19、onse time25mSSensitivity （diameter）（touch area）6mmAccuracy（Non-border）1mmAccuracy（border）2mmLinearity1mmAnti-noise1VvppMulti-touch distance10mmPower（5 touch，60Hz）7.5mA41FTS方案與其他公司方案比較參數(shù)FTS方案其他方案多點(diǎn)觸摸特性真實(shí)多點(diǎn)單點(diǎn)+兩點(diǎn)手勢信噪比1501050抗RF干擾優(yōu)一般集成難度易難環(huán)境噪聲校正不需要需要服務(wù)本地化，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)直接支持FAE支撐42功能框圖-FT5201n該芯片僅為模擬前端，需要MCU提供計(jì)算功能

20、12/27/20094243應(yīng)用方案FT5201o 雙芯片方案：FT5201+MCUo 與Host接口由MCU確定，可以是I2C、SPI或 UARTo MCU與FT5201必須為SPI接口44單芯片方案功能框圖-FT5202o 增加了MCU，提供豐富靈活的計(jì)算與處理o 在原有SPI接口基礎(chǔ)上，增加了UART，I2C45FTS芯片應(yīng)用o FT5201+C8051F921n 主要用于手機(jī)，MID等對RF干擾有非常強(qiáng)抑制能力的產(chǎn)品，并且尺寸4.3o FT5202n 主要用于手機(jī)，MID等對RF干擾有非常強(qiáng)抑制能力的產(chǎn)品，并且尺寸4.312/27/20094546Chip packageo QFN48

21、 6mm6mmo BGA49 5mm5mm12/27/200946容晟光電有限公司是一家專業(yè)的電容式觸摸屏生產(chǎn)商，專注于消費(fèi)類電子市場，集研發(fā)，制造，銷售，服務(wù)于一體，產(chǎn)品主要用于手機(jī)，車載導(dǎo)航（GPS），數(shù)碼相機(jī)，MP4MP5等。12/27/20094748產(chǎn)品開發(fā)歷程o 在產(chǎn)品開發(fā)過程中，由于互電容的IC 當(dāng)時(shí)僅有兩家出品并且不對外開放，所以我們在09年5 月前都集中開發(fā)基于自電容IC 的觸摸屏，在開發(fā)過程中有幾個(gè)問題比較難：n 結(jié)構(gòu)問題n自電容要求X 軸與Y 軸離LENS 表面的距離差不能太大，如果太大，X 軸與Y 軸的信號強(qiáng)度會(huì)相差很遠(yuǎn)，運(yùn)用時(shí)幾乎不能實(shí)現(xiàn)。于是不能采用IPHONE 手

22、機(jī)上采用的結(jié)構(gòu)(DITO) ，只能采用SITO 結(jié)構(gòu)和FILM 結(jié)構(gòu)。nSITO 結(jié)構(gòu)在制程上比較簡單，但是在做靜電測試時(shí)，其搭橋的底端幾乎很難通過6K 的靜電，較易被靜電擊傷，造成缺功能，產(chǎn)品的一致性沒有保障。盡管先用高壓靜電測試功能片，合格的才用來裝機(jī)，仍有一定比例的產(chǎn)品在使用過程中斷橋。所以此種結(jié)構(gòu)雖然可以配合自電容和互電容兩種IC，制程也簡單，但對于高品質(zhì)要求的產(chǎn)品不適用。12/27/20094849產(chǎn)品開發(fā)歷程nFILM 結(jié)構(gòu)在制程上也比較簡單，幾乎所有做電阻屏的廠家都可以制作。這種結(jié)構(gòu)適用于自電容和互電容兩種IC，但有幾個(gè)問題與材料有較大關(guān)系。第一， 用高電阻FILM 很難實(shí)現(xiàn)IC 需要的電阻范圍。用低電阻FILM 可以實(shí)現(xiàn)IC 需要的電阻范圍，但字影（ITO 的影子）會(huì)很嚴(yán)重。第二， 透過率會(huì)較低。最好的FILM 的透過率約90%，在制作過程中約需要三層FILM. 第三， 由于電極引線只能用印刷方式，所以功能片邊緣離功能區(qū)要比較寬才可以，這對手機(jī)設(shè)計(jì)上有較多制約，而大屏幕手機(jī)大都要求邊很窄。第四， 制程中的小缺陷（小劃傷、小臟點(diǎn)）較難避免nDITO 結(jié)構(gòu)：制程較復(fù)雜。主要問題是制作過程中的保護(hù)，所以工序特別多；對位精度要求特別高，需要至少5 微米。另外的難點(diǎn)是保證兩面都要十分潔凈。經(jīng)過長期的摸索后，現(xiàn)在可以穩(wěn)定量產(chǎn)。12/27/20094950