电容式触摸屏技术：图解工程应用技巧

1.电容式触摸屏输入技术

电容式触摸技术于30多年前诞生，电容式触摸屏与电阻式触摸屏比较采用一种截然不同的技术。电容式触摸屏可分为表面电容式触摸屏和投射电容式触摸屏两种类型，表面电容式触摸屏又可分为外表面电容式触摸屏和内表面电容式触摸屏，投射电容式触摸屏又可分为自电容（Self Capacitance）式触摸屏和交互电容（Mutual Capacitance）式触摸屏。

最初的外表面电容式触摸屏是一块4层复合玻璃层，在玻璃表面用ITO（一种透明的导电材料）制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是电极对地的电容。当手指触摸到电容式触摸屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加。

电容式触摸屏玻璃的内表面和夹层各涂有一层ITO导电层，最外层为只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层。内层ITO作为屏蔽层，以保证良好的工作环境，夹层ITO涂层作为检测定位的工作层，在4个角或4条边上引出4个电极。引出4个电极受控于控制器。电容式触摸屏的结构如图2-24所示。

图2-24 电容式触摸屏结构

电容式触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更能有效地防止外部环境因素对电容式触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确计算出触摸位置。此外，电容式触摸屏能完全粘合于显示器内，并不容易损坏。电容式触摸屏使用接合垫接合方式，具有防水功能，十分适合于恶劣环境下应用。

电容式触摸屏在触摸屏4条边均镀上狭长的电极，电压连接到4个角，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极流出的电流会流向触摸点，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收一个很小的电流。这个电流分别从触摸屏4个角上的电极中流出，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，依此控制器便会计算电流的比例及强弱，准确计算出触摸点的位置，如图2-25所示。

电容式触摸屏精确、反应快，灵敏度极高，能感知轻微快速的触摸（响应时间最快为3ms），尺寸稍大时也有较高分辨率，更耐用（抗刮擦），由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化，故其稳定性较差，往往会产生漂移现象，耦合电容方式直接受温度、湿度、手指湿润程度、人体体重、地面干燥程度影响，受外界大面积物体的干扰也非常大，带来了不稳定，并且怕外界强电场干扰。新出现的近场成像技术改良了电容式触摸屏的性能，减弱电容式触摸屏的漂移现象。

目前的透明导电材料ITO非常脆弱，触摸几下就会损坏，还不能直接用来作工作层，要靠外部增加一层非常薄的坚硬玻璃。这层玻璃显然是不导电的，为此采用高频交流信号，靠人的手指（隔着薄玻璃）与工作面形成的耦合电容来吸收交流电流，即电容式触摸屏是靠耦合电容来工作。电容式触摸屏的透光率和清晰度优于4线电阻式触摸屏，当然还不能与表面声波式触摸屏和5线电阻式触摸屏相比，如图2-26所示。

图2-25 通过4个电流比较计算出触摸点位置

图2-26 电容式触摸屏反光且透光率和清晰度不如表面声波式触摸屏示意图

2.电容式触摸屏优缺点

电容式触摸屏与传统的电阻式触摸屏有很大区别，电阻式触摸屏幕在工作时每次只能判断一个触摸点，如果触摸点在两个以上，就不能做出正确的判断，所以电阻式触摸屏仅适用于点击、拖拽等一些简单动作的判断。而投射电容式触摸屏可实现多点触摸，则可以将用户的触摸分解为采集多点信号及判断信号意义两个工作，完成对复杂动作的判断。使用两根手指的拉伸、换位即可在屏幕上完成诸如放大、旋转这样趣味十足的操作，这在投射电容式触摸屏出现之前，几乎是不可想象的。相比传统的电阻式触摸屏，电容式触摸屏的优点主要有以下几个方面：

1）投射电容式触摸屏支持多点触摸，操作更加直观、更具趣味性。

2）不易误触。由于电容式触摸屏需要感应到人体的电流，只有人体才能对其进行操作，用其他物体触摸时并不会反应，所以基本上可避免了误触的可能。

3）耐用度高。比起电阻式触摸屏，电容式触摸屏在防尘、防水、耐磨等方面有更好的表现。

4）只需触摸，无需按压操作。

5）电容式触摸屏采用玻璃面板，使用寿命比较长。

电容式触摸屏有以下缺点：

1）精度不高。由于技术原因，电容式触摸屏的精度比起电阻式触摸屏还有所欠缺，而且只能使用手指进行输入，在小屏幕上还很难实现辨识比较复杂的手写输入。

2）人体成为线路的一部分，需人体触摸，如果屏幕较小，触摸困难，因而漂移现象比较严重。

3）成本偏高。当前电容式触摸屏在触摸板贴附到LCD面板时还存在一定的技术困难，良品率并不高，所以无形中也增加了电容式触摸屏的成本。

4）电容式触摸屏反光严重，电容式触摸屏为4层复合结构，对各波长光的透光率不均匀及光线在各层间的反射，将造成色彩失真和图像字符模糊。

5）由于电容值与极间距离成反比，与相对面积成正比，并且还与介质的绝缘系数有关。因此，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容式触摸屏时就能引起电容式触摸屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手靠近显示器7cm以内或身体靠近显示器15cm以内就能引起电容式触摸屏的误动作。

6）电容式触摸屏是靠感应人体电流来测定位置的，因此当用戴手套的手指或手持不导电的物体触摸时没有反应。

7）易受环境影响。温度和湿度等环境因素发生改变时，也会引起电容式触摸屏的不稳定甚至漂移。例如，用户在使用的同时将身体靠近屏幕就可能引起漂移，造成不准确，甚至在拥挤的人群中操作也会引起漂移。这主要是由电容式触摸屏技术的工作原理所致，虽然用户的手指距离屏幕更近，但屏幕附近还有很多体积远大于手指的电场同时作用，这样就会影响到触摸位置的判断。环境电势面（包括用户的身体）虽然与电容式触摸屏离得较远，却比手指面积大得多，它们直接影响了触摸位置的测定。例如，开机后显示器温度上升会造成漂移，用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移，电容式触摸屏的漂移原因属于技术上的先天不足。

在理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性，例如，体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的，而总电流量的变化和4个分电流量的变化是非线性的关系，电容式触摸屏采用的这种4个角的自定义极坐标系没有坐标上的原点，漂移后控制器不能察觉和恢复，而且4个A-D转换完成后，由4个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点，电容式触摸屏的漂移是累积性的，在工作现场也经常需要校准。电容式触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物敲击，敲出一个小洞就会伤及夹层ITO，不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层，电容式触摸屏就不能正常工作。

8）次品率相对电阻式触摸屏较高。最外层极薄的玻璃，正常情况下防刮擦性能非常好，但工艺上要求在真空下制造，这层极薄的玻璃有5％的概率是有破洞的产品。

9）使用寿命相对电阻式触摸屏一般来说较短（电阻式触摸屏3年，电容式触摸屏2年）。

3.电容式触摸屏应用领域(www.xing528.com)

电容式触摸屏易于安装，分辨率一般为1024×1024点。其缺点是工作温度范围较窄，而且不宜戴手套操作，因而不适合用于某些工业部门。由于信号电平很低，为防止显示器内部电路和外界机电信号的干扰，必须屏蔽屏面。此外，触摸玻璃屏须置于显示器的前面，故降低了显示器的清晰度。电容式触摸屏输入分辨率高，工作寿命长、抗腐蚀、耐磨损，可紧贴显像管表面并装于显示器玻壳内，不易损坏，属高档产品。

过去电容式触摸屏技术多用于各类公共领域，皆属于表面电容式触摸屏技术应用，而iPhone让电容式触摸屏技术得以延伸至个人便携式移动通信设备，使电容式触摸屏的预期市场更加广泛，只要电容式触摸屏的成本下降、生产良品率提高，电容式触摸屏市场的未来势必威胁电阻式触摸屏目前的市场地位。目前，电容式触摸屏被广泛应用的领域有：

1）金融商业系统，ATM银行柜员机、自动提款机、投资交易Kiosk等。

2）零售及餐饮业，贩卖机、点餐系统、购物、购票公共查询、车上卫星导航系统等。

3）医学、实验室及无尘室内的医学监察、药单认可、医疗纪录使用。完全不受血液及任何化学物质污染而影响操作。

4）公共导览、户政查询系统及导览系统等。

5）工厂自动化控制系统，防眩光、强光干扰型电容式触摸屏是工厂自动化系统应用的最佳选择。

6）智能手机、移动电话、多媒体播放器、MP3、计算机、PDA、GPS、数码相框、游戏机等。

4.电容式触摸屏原理

电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，其输入是利用排列的透明电极与人体间的静电相结合产生出电容变化量，从所产生的诱导电流来检测其坐标，如图2-27所示。电容式触摸屏必须解决指状物因带静电所产生杂波信号的影响，故在电路与结构设计上有一定的技术难度。

电容式触摸屏的感应机理是以电压作用在屏幕感应区的4个角并形成一固定电场，当手指触摸屏幕时，可使电场产生出电流，按电流距4个角比例的不同便可算出其触摸的位置，计算公式如下式：

I＝i₁＋i₂＝i₃＋i₄ （2-13）

式中，a与b分别表示触摸屏的长与宽。

图2-27 电容式触摸屏的等效电路图

图2-28所示为电容式触摸屏的组件组装图，在玻璃基板上镀一层透明导电层，再制作电极层，最后在表层覆盖一层保护膜，即制成电容式触摸屏，因其仅在单片玻璃上制作电极和传导层，无须像4线电阻式触摸屏那样需叠合上下板的ITO传导层，而影响整块触摸屏的透光性，故电容式触摸屏的透光率较电阻式的高，高达90％以上。

图2-29所示为用于CRT监视器的电容式触摸输入屏衰减器的标准结构。采用32个衰减器结构时，将11行2列的衰减器配置于10个状态衰减器的顶部。而便携式液晶平板显示器的触摸输入屏可配置75个衰减器。

图2-28 电容式触摸屏的组件组装图

图2-29 电容式触摸屏输入衰减器的配置结构

5.电容式触摸屏分类

电容式触摸屏分为表面电容式和投射电容式两大类，投射电容式触摸屏的构造是以一层玻璃作为基层，在其上覆盖一层透明的导电薄膜层，接着在导体层上覆盖一块保护玻璃，而表面电容式触摸屏则是没有投射电容式触摸屏表面的保护玻璃。

矩阵式内表面电容式触摸屏与表面电容式触摸屏相比，可以穿透较厚的覆盖层，而且不需要校正。矩阵式内表面电容式触摸屏在两层ITO涂层上蚀刻出不同的ITO模块，需要考虑模块的总阻抗、模块之间的连接线的阻抗、两层ITO模块交叉处产生的寄生电容等因素，而且为了检测到手指触摸，ITO模块的面积应该比手指面积小，当采用菱形图案时，对角线长度通常控制在4～6mm。矩阵式内表面电容式触摸屏检测到的触摸位置对应于感应到最大电容变化值的交叉点，对于X轴或Y轴来说，则是对不同ITO模块的信号量取加权平均得到位置量，系统然后在触摸屏下面的LCD上显示出触摸点或轨迹。

投射电容式触摸屏结构如图2-30所示，在图中，绿色和蓝色的ITO模块位于两层ITO涂层上，可以把它们看做是X和Y方向连续变化的滑条，需要对X和Y方向上不同的ITO模块分别扫描以获得触摸点的位置和触摸的轨迹。两层ITO涂层之间是PET或玻璃隔离层，后者透光性更好，可以承受更大的压力，成品率更高，而且通过特殊工艺可以直接镀在LCD表面。这层隔离层越薄，透光性越好，但是两层ITO之间的寄生电容也越大。

图2-30 投射电容式触摸屏结构

另外，触摸屏下面是LCD显示屏，它的表面也具有传导性，这样就会与靠近的ITO涂层的ITO模块产生寄生电容，通常还需要在这两层之间保留一定的空气层，以降低寄生电容的影响。

投射电容式触摸屏与表面电容式触摸屏两者最大差异在于，投射电容式触摸屏可实现多点触摸（Multi-touch），而表面电容式触摸屏仅能实现单点触摸（Single-touch）。依此看来，投射电容式触摸屏似乎优于表面电容式触摸屏，但是事实上并非全然如此。表面电容式触摸屏与投射电容式触摸屏的参数性能对比见表2-2。

表2-2 表面电容式触摸屏与投射电容式触摸屏的参数性能对比