表面电容式触摸屏技术解析

表面电容式触摸屏面板是一片涂布均匀的ITO层，面板的4个角落各有一条出线（UR、UL、LR、LL）与表面电容式触摸屏控制器相连接。为了能够检测触摸点的确切位置，表面电容式触摸屏控制器必须先在表面电容式触摸屏面板上建立一个均匀的电场，这部分工作是由IC内部的驱动电路对面板进行充电来达到。当手指触及屏幕时，会引发微量电流流动。此时IC内的检测电路会分别解析4条联机线上的电流量，表面电容式触摸屏面板与控制器的原理框图如图2-31所示，依据图2-31中的公式将触摸点的X、Y坐标推算出来。为了克服干扰的影响，可以利用硬件滤波器或软件滤波器对推算出的坐标值进行处理。

图2-31 SCT面板与控制器的原理框图

表面电容式触摸屏技术，是利用具有金属边缘的平板铟锡氧化物ITO，通过电场感应方式检测屏幕表面的触摸行为。由于电场几乎布满整个铟锡氧化物表面，当手指触压屏幕时，它会从面板侧发出电荷，由于电荷检测是由四处同时进行，因此表面电容式触摸屏不用使用高精度的铟锡氧化物模板，就能完成整个触摸点的触发、定位、输出等程序。Microtouch公司（目前为3M公司）拥有的电容式触摸屏专利，这种类型的触摸屏是William Pepper发明，并于1978年申请取得专利。

表面电容式触摸屏并非完美的触摸屏解决方案，虽然表面电容式触摸屏不须使用高精度的铟锡氧化物模板，而且也有电阻式触摸屏没有的近侧感应效果，但实际上，电容式触摸屏却有手影效应问题存在。所谓手影效应是指当操作者在表面电容感应式触摸屏进行操作时，若操作者将手腕与手指一同靠近屏幕表面，会使得铟锡氧化物模板表层、面板侧发出过多电荷，使电容产生耦合导致大量检测错误。

在这种状况下，会使真正的检测触摸点信号与错误的检测触摸点信号产生混淆，让真实的触摸点信号与错误的信号同时出现在3个信号区间，错误的信号致使真实触摸点检测无法被正确识别出来，若错误信号无法有效抑制，将使整个触摸、检测、输出坐标信息过程出现许多出乎意料的信息状态。

在触摸检测时，表面电容式触摸屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式，相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向，然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标，最后组合成触摸点的坐标。

如果是单点触摸，则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的。如果在触摸屏上有两点触摸，并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，则在X和Y方向分别有两个投影，则组合出4个坐标。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的手影，如图2-32所示。因此，表面电容式触摸屏无法实现真正的多点触摸。

图2-32 表面电容式触摸屏产生手影机理

除手影效应外，表面电容式触摸屏也有一些应用上的限制，由于是通过屏幕表面电场变化进行触摸点检测，使用环境若电磁干扰问题较多，就会因此影响检测触摸点的精确度，而长时间应用后，触摸点检测也容易产生偏移，因此需要定时或是经常性校准。

比较新颖的做法是，虽然同样也是利用透明电极与人体间结合产生的电容变化，从而产生的诱导电流进行检测触摸点，但通过面板感应区4个角落产生，在面板表面形成均匀电场，手指触摸时电场引起的电流由控制器检测4处电流强弱比例，换算出触点位置，通过控制器强化错误信号抑制技术，将表面电容式触摸屏技术的实用性大幅强化。

表面电容式触摸屏技术，由于不用使用高精密度的铟锡氧化物模板，制造成本低，利用电场感应可以在触摸者接近屏幕前，即处理近侧感应检测。由于表面电容式触摸屏检测没有电阻式触摸屏的机械结构，因此不会有磨损、ITO层出现类似机械疲乏的触摸屏灵敏度下降问题，利用控制器即可调整面板对于触压信号的处理灵敏度，对面板的使用寿命也有强化效果。

1.外表面电容式触摸屏

外表面电容式触摸屏是在显示器外表面采用ITO层的电容式触摸屏，而由于ITO不耐刮擦，电容式触摸屏外表面的覆盖层还是很容易被损坏的。这些类型的触摸屏还需要在其面板上开窗口，以便于接触到其表面，而这种做法又使触摸屏必须采用压框以及相应的密封措施，同时也带来了相应的成本增加。

最近几年，在显示器外表面采用ITO层的电容式触摸屏已经出现，但由于受结构和驱动成本的限制，仅限于在诸如信息亭或游戏机这样的大屏幕上采用。尽管任何电容式触摸屏都消除了机械运动问题，许多早期的实现方案仍需要两层ITO，因而光的吸收问题依然存在。如果这些薄膜安装到屏幕的内表面，则容易受到人手阴影效应的影响，因为用户无意识触及的区域之外，如人手下方及其周围的区域会产生足够大的电容，从而引发严重的定位报告错误。均匀沉积的ITO还会导致图2-33所示的枕形失真，这通常要由低阻抗的边缘图案来校正。如果不采用这种边缘图案，就需要采用复杂的6阶补偿算法，并耗费相应的运算能力。由于ITO不耐刮擦，外表面的覆盖层还是很容易被损坏。

图2-33 枕形失真

外表面电容式触摸屏基本工作原理的最初想法是，人是假想的接地物（零电势体），给工作面通上一个很低的电压，当没有与屏幕接触时，各种电极是同电位的，触摸屏表面没有电流，而当用户触摸屏幕时，手指吸收一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏4个角或4条边上的电极中流出，并且理论上流经这4个电极的电流与手指到4个角的距离成比例，控制器通过对这4个电流比例的精密计算，得出触摸点的位置。

有的电容式触摸屏想通过25点校准法甚至96点校准法来解决漂移问题，其实是不可能的，漂移是电容工作这种方式决定的，即使是在控制器的单片程序上利用动态计算和经验值查表，也只能是治标不治本。多点校准法最早是大屏幕投影触摸板使用的方法，目的是消除坐标对应的线性失真。电容式触摸屏的线性失真也非常厉害，主要是因为电容式触摸屏的计算建立在4个电流量与触摸点到4个电极的距离成比例的理想状态上，实际由于受环境电容、线路寄生电容和不同人使用的影响，这种比例关系不可能是完全线性的，多点校准法只能解决局域分配的线性问题，解决不了整体的漂移。

另一个代价是表面脆弱，最外这层极薄的玻璃，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，因为它害怕氢气，哪怕有一点氢气也会结合成易脆碎的玻璃，使用中轻敲就会造成个小破洞，这对电容式触摸屏来说是致命的，而破洞周围直径5cm大小的区域不能使用。实际的真空是不可能有的，这层极薄的玻璃有5％的概率碰上有破洞的产品。

随着技术的进步，现在的外表面电容式触摸屏已经可以做在一层玻璃上，如图2-34所示。在透明玻璃表面镀上一层氧化铟锡薄膜层（ITO Layer）及保护层（Hard Coat Layer），而与液晶屏幕（LCD Monitor）间则需作防电子信号干扰处理（Shielded Layer）。其漂移量已有所减小，对于大多数场合也都是可以使用的，并且其产品的品种比较全，有普通屏、防爆屏，也有穿透式触摸屏等品种。(www.xing528.com)

2.内表面电容式触摸屏

内表面电容式触摸屏仅需要单个ITO层，成本与电阻式触摸屏相当，内表面电容式触摸屏的开发是一个突破性的成就，它也许能使小型电阻式触摸屏成为历史。它具有更高的透光率、组装更简单和廉价的优点，即使在最恶劣的环境中也具有稳定的性能，而且理论上其使用寿命是无限的，还能通过软件针对不同的应用程序和语言对显示器进行定制。图2-35给出了量研公司的QField显示器的典型结构，在显示面板的背面覆以单个ITO层的内表面电容式触摸屏。

内表面电容式触摸屏的机械结构极大地简化了，单层ITO被印制到透明塑料（PET）膜上，再用透明黏合剂将此印好的塑料膜粘到显示器的玻璃或塑料前面板的内表面上，ITO膜是以一种能以高精度定位且没有手影效应的特殊图案印制的。一种可行的选择是各向异性图案，实际上就是一组由间隙分隔的水平导体条。这种图案能消除一个轴上的枕形失真，从而使得用固化在QField芯片中的二阶算法消除其他轴上的枕形失真变得相对简单。LCD显示器或其他图形设备安装在ITO层之后。由于前面板上没有开孔，也不需要压框和密封措施，同时减少了一层昂贵的ITO层，因而也节约了成本。内表面电容式触摸屏由前面板提供全面的防护，因为没有机械运动，所以免除了磨损的可能。

图2-34 外表面电容式触摸屏结构

图2-35 触摸屏系统

因为只需要单个ITO层，并且没有两层薄膜之间的气隙，这种触摸屏的透光率一般接近90％。透光率得到实质性改善，加上对比度的增加意味着可以采纳低功耗、廉价的背光系统，具有更长的电池寿命或可以使用更小、更便宜的电池，这无疑将增加更多的吸引力。内表面电容式触摸屏在其边缘周围与载有QField芯片和少量相关无源元件的印制板进行连接，可以根据需要对多种连接方法进行灵活选择。

这种技术赋予更多的自由度来创造令人赏心悦目的用户界面，与外表面电容式触摸屏相比，该技术对物理设计的限制大大减少。前面板最大厚度可以达到5mm，并且无须是平坦的，这种技术在弯曲的表面上同样能正常工作。

QField传感器芯片驱动的电荷脉冲通过ITO图案，ITO层通过显示器的前面板向外送出电场信号，而当手指接近时电荷图案会受到扰动。通过测量从ITO膜的4个角收集到的或送出的电荷变化就能检测到手指的位置，然后再使用算法来将信号处理成X、Y坐标。这种技术亦称电荷转移检测技术，它还被量研公司广泛地用于触摸按键、滑动条或滚轮传感器控制。分辨率为256×256、响应时间为20ms的样品已经在触摸屏实现中进行了实际演示。

这种技术消除了电阻式和早期电容式触摸屏中所有明显的限制，由于控制芯片能补偿漂移，因而克服了老化和环境变化带来的校准偏离。困扰着早期电容式触摸屏显示器表面的玷污积存也不再是问题。使用突发间隔很长的随机脉冲进行扩频充电的方法极大地降低了功耗、射频辐射以及电气干扰敏感性。另外，由于在薄膜层Y轴上采用多点连接，从而在空间上隔离了由触摸点处人手阴影形成的电容元件，人手阴影效应也被消除。

矩阵式内表面电容式触摸屏由两层ITO结构组成，其名称得来跟外表面相似，两层ITO层是在触摸屏内部（一层结构的其ITO层则使用非ITO面作为触摸面。因此称作内感应电容式触摸屏）。

矩阵式内表面电容式触摸屏的两层ITO，一层作行阵、一层作列阵，或者使用在基板两面镀ITO的结构。其工作原理主要是相邻两行、列之间如果通电都有如图2-36所示的一个固定的电容值C_p。如果人的手指触摸到触摸屏表面，则会产生如图2-37所示的一个电容。通过逐行、列扫描，如果电容有比较明显的变化，就被认为是有效触摸，控制器就可以根据新的寄生电容计算出手指的中心位置，从而计算出该点在屏上的X（Y）坐标，通过结合上下面的两个位置，就可以得出一个完整坐标。因为上下电极面都是由多条互不相连的透明电极组成，触摸一点并不影响其他部分，故可以同时识别多个触摸点。

图2-36 内表面电容式触摸屏工作原理

图2-37 手指电容示意图

矩阵式内表面电容式触摸屏的电气特点如下：

1）能通过多种类型和厚度的覆盖层进行感应。

2）无需校准。

3）可以基于X、Y矩阵同时识别2个或两个以上点的感应。