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電容式觸摸屏設計制造技術(shù)是材料物理與電子技術(shù)相結合的產(chǎn)物[1-3]。材料特征參數、三維結構(stackup)和二維版圖形狀 (layout) 決定了觸摸屏的全部電學(xué)特性。這些電學(xué)特性可以用等效的分布式阻抗電路來(lái)描述，并可以與電容感應拾取電路一起在電路仿真系統中進(jìn)行完整的系統模擬。 在上述的系統設計流程中，兩個(gè)最重要的環(huán)節是， 第一， 正確全面的獲得電阻、電容及其拓撲結構的信息， 第二， 正確區分手指觸摸后的感應電容和寄生電容。這些往往與所選用的電容感應電路有著(zhù)極為密切的聯(lián)系[4-5]，而其中對于各種電容性質(zhì)的正確認識是最基本也是至關(guān)重要的。由于電容式觸摸屏技術(shù)中涉及到眾多的電容類(lèi)型，如何得到正確的電容特性成為大多數工程教育背景的開(kāi)發(fā)人員所面臨的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。本文將運用電力線(xiàn)基本原理，對分布在觸摸屏上的不同電容特性進(jìn)行分析。 基本概念 這里的核心物理問(wèn)題是，什么叫電容?電容是一種電荷儲存器件。對這個(gè)概念的一種錯誤理解經(jīng)常是：電容是凈電荷的積累。事實(shí)上，電容可以進(jìn)一步描述成等量的正負電荷在兩個(gè)電極分布的一種儲存結構，這里的兩個(gè)關(guān)鍵詞是：等量，兩極。我們可以用物理中的電力線(xiàn)概念將這兩個(gè)關(guān)鍵詞聯(lián)系在一起：電力線(xiàn)從正電荷出發(fā)終止于負電荷。電力線(xiàn)的存在決定了電容的存在，電力線(xiàn)的路徑和密度決定了電容的性質(zhì)和大小。 觸摸屏寄生電容物理模型 先看一下最簡(jiǎn)單的平板電容， 如圖1所示。虛線(xiàn)是電力線(xiàn)。眾所周知的平板電容表達式為： 這個(gè)公式成立的前提假設是：W>>d，L>>d。其物理含義是：全部電力線(xiàn)平行的分布在兩個(gè)平板之間。 對比一條狀金屬與平板之間的電容。先畫(huà)出它的電力線(xiàn)分布圖，如圖2所示。 在這種情況下，顯而易見(jiàn)電力線(xiàn)不再是平行分布在條狀金屬與平板之間，所以平板電容公式不再適用。 第三種情況是在兩條平行線(xiàn)之間的電容。在觸摸屏中常出現的電容形式是在同一或不同平面上的兩個(gè)薄板之間的電容 (fringing capacitance, or sidewall capacitance)，可以抽象為這種電容。 具體表現在實(shí)際觸摸屏中，以常見(jiàn)的三層ITO為例，如圖4所示[6]。最下面接近液晶屏的屏蔽層與第二層ITO之間是一類(lèi)電容;第一層與第二層的邊緣電容是二類(lèi)電容;第一層與第二層的交叉點(diǎn)，根據不同的工藝，可能是一類(lèi)或二類(lèi)電容。 觸摸屏感應電容物理模型 人體電路模型的最簡(jiǎn)單描述為“接地的導體”。按照前面對電容的定義，手指是作為接地的電極來(lái)影響觸摸屏本身的電容分布的。 以觸摸電容按鍵(CapSense Button)為例，手指的感應電容可分為以下兩種情況。第一種是新生電容。如圖5所示，激勵信號源連接懸空的金屬按鍵，手指的靠近增加了其間的電場(chǎng)強度，電力線(xiàn)密度隨之上升，感應電容也就隨之增加。 另外，手指還會(huì )對已有電容的分布進(jìn)行調制，尤其是對上述二類(lèi)電容的調制。在觸摸電容按鍵的設計中，常常在金屬按鍵周?chē)忌檄h(huán)狀地平面。手指的接近，如圖6所示，改變了電力線(xiàn)的分布，調制了金屬按鍵的電容。 結語(yǔ) 本文通過(guò)電場(chǎng)電力線(xiàn)的基本原理分析了電容觸摸屏的本身電容類(lèi)型分布，以及人體觸摸行為產(chǎn)生的新電容及對已有電容的調制。本文采用的分析方法是這項技術(shù)的物理基礎。隨著(zhù)電容觸摸技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的快速增長(cháng)，毫不夸張的講，新材料新結構的觸摸屏在日新月異。具有牢固的基本概念才會(huì )從本質(zhì)上把握住新技術(shù)的要領(lǐng)和發(fā)展的脈搏。 |
