電容式觸摸屏中寄生電容原理及測(cè)量方法探討

龍玲麗 張櫻凡 何宜洋

（西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621000）

0 引言

以往電容式觸摸屏中寄生電容的大小通常都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所得，一般設(shè)定在5～15pF［1］范圍內(nèi)，但是這種基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)在實(shí)踐中會(huì)帶來(lái)觸摸精度不夠高等問(wèn)題。寄生電容的測(cè)量在以往的研究中討論得比較少，但在觸摸按鍵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確測(cè)出寄生電容的大小，就可以為觸摸按鍵的參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論計(jì)算值，并且可以對(duì)觸摸按鍵中的寄生電容值大小進(jìn)行定量更改。下文介紹并分析了一種寄生電容的測(cè)量方法。

1 寄生電容設(shè)計(jì)分析

電容式觸摸屏的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電容式觸摸屏結(jié)構(gòu)

寄生電容就是圖1中的PCB與覆銅的電極X、Y構(gòu)成的。

在觸摸按鍵的設(shè)計(jì)過(guò)程中，寄生電容的大小表達(dá)式為：

式中，ε為介電常數(shù)；s為耦合面積；d為極板間的距離。

因?yàn)殡娙莸拇笮「@3個(gè)因素有關(guān)，所以通過(guò)改變電容的這些因素，就可以改變電容值的大小。共有3種方法，分別為改變極距、改變面積和改變介質(zhì)。下面就著重討論這3種因素對(duì)電容值的影響以及這些因素的變化會(huì)對(duì)寄生電容傳感器靈敏度、線性度帶來(lái)哪些影響。

1.1 變極距型寄生電容

下面討論變極距型電容傳感器的靈敏度和非線性。平行板電容器的電容量由式（1）可知。假設(shè)兩極板間距離的初始值為d0，電容器初始電容為c0，當(dāng)極板間距有一定增量時(shí)Δd，傳感器的電容為：

可求得：

當(dāng)Δd／d0〈〈1時(shí)，上式可以展開(kāi)成級(jí)數(shù)形式：

于是靈敏度K為：

由式（5）可知，極距變化型電容式傳感器的靈敏度并非常數(shù)，只有比值Δd／d0很小時(shí)，才可認(rèn)為是近似線性關(guān)系。當(dāng)ε和s固定不變時(shí)，靈敏度K與極距d的平方成反比，極距d越小，靈敏度越高。由于靈敏度隨極距變化，這將引起該寄生電容傳感器的非線性誤差，故對(duì)于極距d的選取至關(guān)重要，太大可以增加靈敏度，但會(huì)造成非線性誤差增大。

1.2 變面積型寄生電容

設(shè)極板的初始耦合面積為s0，電容器初始電容為c0，極板耦合面積的變化為Δs時(shí)，傳感器電容為：

可求得：

靈敏度為：

由此可知，變面積型的寄生電容，其變化面積的大小不影響測(cè)量靈敏度，測(cè)量的線性度也非常好。

1.3 變介質(zhì)型寄生電容

介質(zhì)變化型電容的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。由圖2可知，電容量為：

其中：

圖2 介質(zhì)變化型電容

式中，b為寬度；ε1為空氣的介電常數(shù)；ε2為可移動(dòng)介質(zhì)的介電常數(shù)；l為極板的長(zhǎng)度。

設(shè)在極板中無(wú)ε2介質(zhì)時(shí)的電容量為：

將cA、cB帶入式（12）可得：

靈敏度為：

由上式推導(dǎo)可知，電容量c與線位移x呈線性關(guān)系。靈敏度K也是定值，只與可移動(dòng)介質(zhì)和進(jìn)入極板內(nèi)的長(zhǎng)度有關(guān)。

1.4 小結(jié)

在設(shè)計(jì)觸摸按鍵的寄生電容時(shí)，覆銅的厚度、面積大小以及PCB與電極之間的材料都會(huì)影響寄生電容的大小，也會(huì)影響寄生電容傳感器的靈敏度、非線性大小等。

電容式觸摸屏的設(shè)計(jì)中，寄生電容傳感器的設(shè)計(jì)尤其重要，其極板間距、耦合面積、極板間介質(zhì)就直接影響了觸摸的靈敏度以及傳感器的線性度。通過(guò)對(duì)寄生電容的提取測(cè)試，可以定量判斷寄生電容的大小設(shè)定是否滿足設(shè)計(jì)的需要，有非常重要的意義。

2 基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路

前面提到，寄生電容值很小，測(cè)量很不方便，因此要對(duì)寄生電容進(jìn)行測(cè)量，就需要用特殊電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面提供了一種測(cè)量寄生電容的方法。

基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路［2］如圖3所示。

圖3 基于電荷放大原理的電容測(cè)量電路

該種測(cè)量微小電容的方法在很多其他地方都有使用，觸摸屏中的寄生電容向來(lái)都是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定的，沒(méi)有一定的準(zhǔn)確性，用電荷放大電路的實(shí)質(zhì)就是將輸入信號(hào)在開(kāi)關(guān)的幾種控制狀態(tài)下經(jīng)過(guò)各級(jí)運(yùn)放得到輸出信號(hào)，通過(guò)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的關(guān)系來(lái)求出寄生電容的大小。

電路圖中Vi是激勵(lì)信號(hào)源，運(yùn)放U1、電容Cf和開(kāi)關(guān)S1構(gòu)成電荷放大器；開(kāi)關(guān)S2、S3和運(yùn)放U2、U3組成基本采樣保持器，U4為儀表放大器。

電路開(kāi)始工作時(shí)，Vi輸入初始電壓Vi1，Vi1為高，開(kāi)關(guān)S1、S2、S3閉合。因?yàn)镾1閉合，U1輸出0。在第一個(gè)時(shí)刻S1斷開(kāi)，在電荷注入效應(yīng)的作用下，注入電容Cf，U1輸出降低至VL。U2輸出隨U1輸出降低，一段時(shí)間后U2的輸出趨于穩(wěn)定。在第二個(gè)時(shí)刻，斷開(kāi)S2，U2采樣保持，U2輸出Vo2＝VL。在第三個(gè)時(shí)刻，激勵(lì)源Vi由高Vi1向低Vi2跳變，幅度為：

電壓變化使電容Cx右極板產(chǎn)生感應(yīng)正電荷，其電量為：

此時(shí)U1輸出上升為：

U3輸出隨U1輸出上升，一段時(shí)間后U3輸出趨于穩(wěn)定。在第四個(gè)時(shí)刻，S3斷開(kāi)，采樣保持電路作用下U3輸出Vo3＝VH。此時(shí)儀表放大器U4輸出為：

圖中Ca和Cb是每個(gè)電極上所有雜散電容的等效電容。由激勵(lì)源驅(qū)動(dòng)的Ca對(duì)流過(guò)被測(cè)電容的電流沒(méi)有影響。理論上，Cb始終處于兩端無(wú)電壓差的虛地狀態(tài)，但實(shí)際上在加激勵(lì)信號(hào)后，激勵(lì)電壓同時(shí)作用于Cx與Cb上，由于Cx上產(chǎn)生的激勵(lì)電荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cb產(chǎn)生的激勵(lì)電荷，Cb被大大抑制，因此測(cè)量結(jié)果也不會(huì)因?yàn)镃b存在產(chǎn)生影響。

在測(cè)試電路中只需要知道Vo、Cf、Vi1、Vi2，即可求出寄生電容的大小。測(cè)試中設(shè)定Cf的大小為5pF［2］，因此通過(guò)測(cè)得幾組數(shù)據(jù)便可求得Cx的大小。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試這種電路是否符合要求時(shí)，拿了一個(gè)容值為10pF的小電容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)比一下經(jīng)過(guò)這個(gè)電路后的測(cè)試結(jié)果，即可判斷該電容測(cè)試電路的精確度。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 電荷放大電路對(duì)已知微小電容的測(cè)試結(jié)果

由表1可知，測(cè)試結(jié)果的誤差率比較低，接近實(shí)際值，說(shuō)明該電容測(cè)試電路有效，可以用來(lái)測(cè)量微小電容的大小，且精確度較高。

4 結(jié)語(yǔ)

本文就觸摸按鍵中的寄生電容傳感器作了兩方面的討論：一是對(duì)寄生電容傳感器測(cè)量的幾種類型作了理論誤差和線性度的詳細(xì)分析，表明在設(shè)計(jì)中該電容的重要意義；二是基于觸摸按鍵中這一電容的重要性，探討了一種可以測(cè)量該寄生電容大小的電路。以往的電容式觸摸按鍵設(shè)計(jì)都是靠一些有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估計(jì)得到寄生電容大小，本研究提供的方法可以較為精確地測(cè)量出這一容值，并通過(guò)對(duì)寄生電容大小影響因素的理論探討，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)電容大小的定量更改，為以后的觸摸按鍵設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，具有很好的參考意義。

［1］田野，廖明燕.基于充放電原理的電容式觸摸按鍵設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010（10）

［2］王雷，王保良，冀海峰，等.兩相流檢測(cè)ECT高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2002（2）