單層ITO多點電容觸摸屏的設計
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)實現(xiàn)電容式觸摸屏的設計方法，該方法可以實現(xiàn)單點／多點觸摸功能。討論了單層ITO玻璃不同圖案設計對觸摸功能的影響，對產(chǎn)生的原因進行初步分析，并提出了改善的方法。
關(guān)鍵詞：ITO電容式觸摸屏；圖案設計
中圖分類號：TN27 文獻標識碼：A
1 引言
目前電容式觸摸屏已經(jīng)廣地應用于彩色和黑白TFT—LCD顯示屏，具有可靠性高、耐用性好等優(yōu)點，非常適合于通訊、消費類電子、儀器儀表等應用領(lǐng)域。但目前電容式觸摸屏大多使用多層ITO結(jié)構(gòu)，制造工藝復雜。因此，單層1TO電容式觸摸屏，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)多點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)實現(xiàn)電容式觸摸屏的設計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)單點／多點觸摸功能。
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械強度，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光學膠膜或者UV膠進行貼合。
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，因此可以設計一組三角形電極‘11，實現(xiàn)二維方向的感應，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坐標的計算是通過左側(cè)通道的感應值加和與右側(cè)通道感應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值的加和與上下行的感應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設計可以實現(xiàn)二維方向的坐標識別。但是此種設計只能實現(xiàn)單點式設計。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的圖形設計，使其能夠識別兩個手指的觸摸感應。
3．2多點觸摸設計
多點觸摸的設計關(guān)鍵在于實現(xiàn)單點觸摸功能的同時，也能檢測兩個手指觸摸的位置。如圖4所示，改進后的電極設計增加多組菱形設計，使用導線將其引出。
圖4多點觸摸電極圖形
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)為一組感應電極。
單點工作方式與上述坐標計算方法相同，X坐標的計算是通過左側(cè)兩通道的感應值加和與右側(cè)兩通道感應值加和的比例來計算的。y是通過同一行的左右4通道感應值的加和與上下行的感應值加和的比例來計算的。具體計算方法由式(2)確定：
多點工作方式，需要引入Z坐標，Z代表手指與觸摸屏感應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)為第一組感應電極，Cb(n)、C'b(n)為第二組感應電極，C'b(n)、C'a(n)為第三組感應電極，分別感應X。、Xz、X。范圍內(nèi)坐標點的位置。具體坐標計算方法與上述類似。設計中需要注意X，、Xz、Xs每組電極的寬度應與手指接觸面積的寬度相當，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)無法識別兩個感應點。
3．3結(jié)果驗證
實際電極設計中，每對感應單元設計為多組電極，并根據(jù)Lens的厚度設計電極面積以及間隙大小[2q]。間隙過大會導致線縫可見，因此使用假電極進行填充使線縫在30肛m以內(nèi)則可以避免上述問題。經(jīng)過實際測試，在實現(xiàn)單點觸控基本功能的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)兩點觸控，滿足設計要求。操作效果如圖5所示。
圖5操作效果照片
4 結(jié)論
通過詳細分析電容式觸摸屏的結(jié)構(gòu)以及電極設計，為電容式觸摸屏提供了一種單層膜ITO實現(xiàn)多點觸摸的設計方案。實際驗證結(jié)果表明，在單手指觸摸和兩根手指觸摸的情況下，所設計的觸摸屏能夠準確報出坐標點。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計思路及方法。
參考文獻：
[1]翁小平．觸摸感應技術(shù)及英應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，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]．
