電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)中的電容物理學(xué)

何燕冬　楊　龍　彭　濤

摘要：采用不同的電路算法時(shí)，不同物理特性的電容對(duì)最終的感應(yīng)信號(hào)有不同的影響。高性能的電容觸摸技術(shù)開發(fā)要求工程師對(duì)觸摸屏的電容性質(zhì)和物理機(jī)制有透徹的理解和清醒的認(rèn)識(shí)。本文運(yùn)用電力線基本原理，對(duì)分布在觸摸屏上的不同電容特性進(jìn)行了深入的分析。

關(guān)鍵詞：電容感應(yīng)；電容；電力線

引言

電容式觸摸屏設(shè)計(jì)制造技術(shù)是材料物理與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。材料特征參數(shù)、三維結(jié)構(gòu)(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描述，并可以與電容感應(yīng)拾取電路一起在電路仿真系統(tǒng)中進(jìn)行完整的系統(tǒng)模擬。

在上述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中，兩個(gè)最重要的環(huán)節(jié)是，第一，正確全面的獲得電阻、電容及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的信息，第二，正確區(qū)分手指觸摸后的感應(yīng)電容和寄生電容。這些往往與所選用的電容感應(yīng)電路有著極為密切的聯(lián)系，而其中對(duì)于各種電容性質(zhì)的正確認(rèn)識(shí)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型，如何得到正確的電容特性成為大多數(shù)工程教育背景的開發(fā)人員所面臨的一個(gè)難點(diǎn)問題。本文將運(yùn)用電力線基本原理，對(duì)分布在觸摸屏上的不同電容特性進(jìn)行分析。

基本概念

這里的核心物理問題是，什么叫電容?電容是一種電荷儲(chǔ)存器件。對(duì)這個(gè)概念的一種錯(cuò)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(fù)電荷在兩個(gè)電極分布的一種儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，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概念將這兩個(gè)關(guān)鍵詞聯(lián)系在一起；電力線從正電荷出發(fā)終止于負(fù)電荷。電力線的存在決定了電容的存在，電力線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。虛線是電力線。眾所周知的平板電容表達(dá)式為：

這個(gè)公式成立的前提假設(shè)是：w>>d，L>>d。其物理含義是：全部電力線平行的分布在兩個(gè)平板之間。

對(duì)比一條狀金屬與平板之間的電容。先畫出它的電力線分布圖，如圖2所示。

在這種情況下，顯而易見電力線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之間的電容。在觸摸屏中常出現(xiàn)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(xiàn)在實(shí)際觸摸屏中、以常見的三層ITO為例，如圖4所示。最下面接近液晶屏的屏蔽層與第二層ITO之間是一類電容：第一層與第二層的邊緣電容是二類電容：第一層與第二層的交叉點(diǎn)，根據(jù)不同的工藝，可能是一類或二類電容。

觸摸屏感應(yīng)電容物理模型

人體電路模型的最簡(jiǎn)單描述為“接地的導(dǎo)體”。按照前面對(duì)電容的定義，手指是作為接地的電極來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(yīng)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(lì)信號(hào)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(qiáng)度，電力線密度隨之上升，感應(yīng)電容也就隨之增加。

另外，手指還會(huì)對(duì)已有電容的分布進(jìn)行調(diào)制，尤其是對(duì)上述二類電容的調(diào)制。在觸摸電容按鍵的設(shè)計(jì)中，常常在金屬按鍵周圍布上環(huán)狀地平面。手指的接近，如圖6所示，改變了電力線的分布，調(diào)制了金屬按鍵的電容。

結(jié)語

本文通過電場(chǎng)電力線的基本原理分析了電容觸摸屏的本身電容類型分布，以及人體觸摸行為產(chǎn)生的新電容及對(duì)已有電容的調(diào)制。本文采用的分析方法是這項(xiàng)技術(shù)的物理基礎(chǔ)。隨著電容觸摸技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，毫不夸張的講，新材料新結(jié)構(gòu)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。