內(nèi)嵌式電容觸摸屏的時分復(fù)用技術(shù)研究

婁貝貝 閃賽 李莎 白碩

摘 要：內(nèi)嵌式電容觸摸面板因具有結(jié)構(gòu)簡單、輕薄、低成本等特點(diǎn)，逐漸成為顯示領(lǐng)域的主流。分時復(fù)用技術(shù)是內(nèi)嵌式觸摸屏的基礎(chǔ)?；诖?，本文主要介紹內(nèi)嵌式電容觸摸屏的原理和分類、分時復(fù)用技術(shù)的原理及分時復(fù)用技術(shù)在內(nèi)嵌式觸摸屏中的具體應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：電子產(chǎn)品；內(nèi)嵌；觸摸屏；分時復(fù)用

中圖分類號：TN873 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0053-03

Technologies of Time Division Multiplexing in In-cell Touch Screen

LOU Beibei SHAN Sai LI Sha BAI Shuo

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， SIPO，ZhengZhou Henan 450000）

Abstract： Because of its simple structure， light weight and low cost， the embedded capacitance touch panel has gradually become the mainstream of the display field. Technology of time division multiplexing is the base of in-cell touch screen. Based on this， this paper mainly discussed the basic principle of in-cell touch screen， the basic principle of time division multiplexing， and the application of time division multiplexing in in-cell touch screen.

Keywords： electronic terminal；in-cell；touch screen；time division multiplexing

1 嵌入式電容觸摸屏簡介

觸摸顯示屏按照組成結(jié)構(gòu)可以分為外掛式觸摸屏（Add on Mode Touch Panel）、覆蓋表面式觸摸屏（On Cell Touch Panel）及內(nèi)嵌式觸摸屏（In Cell Touch Panel）[1]。其中，內(nèi)嵌式觸摸屏將觸摸屏的觸控電極內(nèi)嵌在顯示屏內(nèi)部，可以減薄模組整體的厚度，又可以大大降低觸摸屏的制作成本，受到各大面板廠家的青睞。通常情況下，觸摸屏按照觸摸方式不同又可以分為電容式、電磁式、電阻式、聲波式和光學(xué)式等類型[2]。其中，電容式觸摸屏的應(yīng)用范圍最廣。嵌入式電容觸摸屏可以分為自電容觸摸屏和互電容觸摸屏。與自電容觸摸屏相比，互電容觸摸屏具有抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、多點(diǎn)觸控及識別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是多點(diǎn)觸控的常用選擇。

2 嵌入式電容觸摸屏的原理

電容觸摸屏利用互電容的原理實(shí)現(xiàn)檢測手指觸摸位置[3]，具體為：在玻璃表面制作橫向電極與縱向電極，兩組電極交叉的地方將會形成電容，而這兩組電極分別構(gòu)成了電容的兩極。當(dāng)手指觸摸到互電容觸摸屏?xí)r，影響觸摸點(diǎn)附近兩個電極之間的耦合，從而改變這兩個電極之間的電容量。當(dāng)檢測電容大小時，橫向的電極依次發(fā)出激勵信號，縱向的所有電極同時接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點(diǎn)的電容值大小，即可以得到整個互電容觸摸屏的二維平面的電容大小。根據(jù)觸摸屏二維電容變化量數(shù)據(jù)，可以計算出每個觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。即使觸摸屏上有多個觸摸點(diǎn)，也能計算出每個觸摸點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

嵌入式電容觸摸屏利用電容的原理將驅(qū)動電極和感測電極嵌入到顯示器中，顯示器的結(jié)構(gòu)不同，觸摸電極的嵌入方式也不相同。對于LCD來說，其中的公共電極、數(shù)據(jù)線、柵極線和黑矩陣等可以作為驅(qū)動電極或者感測電極來使用；對于OLED來說，其中的陰極層可以作為驅(qū)動電極或者感測電極來使用。當(dāng)觸摸電極嵌入到顯示器中時，顯示器中公共電極、數(shù)據(jù)線、柵極線、黑矩陣和陰極層既要執(zhí)行顯示功能，又要執(zhí)行觸摸功能。為了使顯示功能和觸摸功能都正常實(shí)現(xiàn)，一般需要采用分時復(fù)用技術(shù)?，F(xiàn)在對該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

3 分時復(fù)用技術(shù)

現(xiàn)有內(nèi)嵌式觸摸屏的觸摸設(shè)計方案所采用的分時復(fù)用技術(shù)是將原有顯示屏的顯示時間單元（如一幀時間）分成兩部分，其中一部分時間內(nèi)（Display Time，即顯示時間）顯示屏用于顯示圖像，另一部分時間內(nèi)（Touch Time，即觸控時間）顯示屏用于實(shí)現(xiàn)觸控偵測功能（即顯示的時候觸摸功能不工作，觸摸功能工作時不顯示）。

3.1 內(nèi)嵌式電容觸摸液晶屏的分時復(fù)用技術(shù)

液晶顯示裝置（Liquid Crystal Display，LCD）以其輕薄等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為發(fā)展最為迅速的平板顯示器之一。近年來，液晶顯示裝置整合了觸摸屏形成觸摸屏液晶顯示裝置，用戶的指令可通過設(shè)置于液晶顯示裝置上的觸摸屏直接輸入，使操作更加簡單方便。

3.1.1 液晶顯示裝置的結(jié)構(gòu)。液晶顯示裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。液晶顯示裝置自下而上包括：下偏光片、下玻璃基板、TFT器件層、液晶層、公共電極層、彩膜層、上玻璃基板及上偏光片。其中，TFT器件層包括掃描線以及與掃描線相交的數(shù)據(jù)線，掃描線和數(shù)據(jù)線限定的像素區(qū)域內(nèi)形成有TFT；彩膜層包括黑矩陣。

3.1.2 公共電極的分時復(fù)用。圖1中液晶顯示裝置中設(shè)置有多條觸控電極，多條感測觸控電極以彼此平行的方式，沿第二方向設(shè)置于彩膜層遠(yuǎn)離TFT器件層的一側(cè)。公共電極層分割成以彼此平行沿第一方向進(jìn)行排列的多個公共電極。公共電極層既作為公共電極，又作為觸控電極，具體工作方法為：在每一幀開始時，所述內(nèi)嵌式觸摸液晶屏先進(jìn)入顯示模式，此時，由驅(qū)動電容向公共電極層提供公共電壓Vcom，實(shí)現(xiàn)正常顯示。當(dāng)內(nèi)嵌式觸摸液晶屏隨后工作在觸控模式時，公共電極層和觸摸電極一起實(shí)現(xiàn)觸摸功能，其中一個作為驅(qū)動電極，一個作為感測電極，采用互電容的方式實(shí)現(xiàn)位置檢測。

新設(shè)的觸控電極可以是單獨(dú)設(shè)置的一層電極，也可以是位于彩膜層上的黑矩陣。在第二種情況下，所述黑矩陣包括沿第一方向的多條第一黑矩陣條和沿第二方向的多條第二黑矩陣條，所述第一方向與所述第二方向相互垂直，至少一條所述第一黑矩陣條導(dǎo)電，將其作為觸控時的感應(yīng)線或驅(qū)動線，并與公共電極配合實(shí)現(xiàn)觸摸檢測。

3.1.3 數(shù)據(jù)線和/或柵極線的分時復(fù)用。圖1中液晶顯示裝置中再設(shè)置有多條觸控感測電極，多條感測觸控電極以彼此平行的方式，沿第二方向設(shè)置于彩膜層遠(yuǎn)離TFT器件層的一側(cè)。感測驅(qū)動電極是直接使用設(shè)置在TFT器件層中像素陣列的多條數(shù)據(jù)線或者柵極線，來與感測觸控電極共同執(zhí)行觸控感應(yīng)操作。在此架構(gòu)下，當(dāng)使用一觸控裝置，如一手指或筆接觸觸控式顯示面板時，此觸控裝置功能上是作為一接地源，用以與感測觸控電極形成感測電容，來改變感測觸控電極與感測驅(qū)動電極之間的電容，以檢測觸碰位置。

感測觸控電極可以是單獨(dú)設(shè)置的一層電極，也可以是位于彩膜層上的黑矩陣。在第二種情況下，所述黑矩陣包括沿第一方向的多條第一黑矩陣條和沿第二方向的多條第二黑矩陣條，所述第一方向與所述第二方向相互垂直，至少一條所述第一黑矩陣條導(dǎo)電，將其作為觸控時的感應(yīng)線或驅(qū)動線。

觸控顯示面板現(xiàn)有的柵線和數(shù)據(jù)線相互交叉設(shè)置，形成呈矩陣排列的多個像素單元，柵線有至少一部分兼當(dāng)觸控驅(qū)動線與觸控感應(yīng)線的其中之一，數(shù)據(jù)線有至少一部分兼當(dāng)觸控驅(qū)動線與觸控感應(yīng)線的其中另一。在圖像顯示階段，柵線與數(shù)據(jù)線用于接收圖像掃描信號和數(shù)據(jù)信號，以進(jìn)行圖像顯示；在觸控檢測階段，柵線與數(shù)據(jù)線用于接收觸控驅(qū)動信號和輸出觸控感應(yīng)信號，以進(jìn)行觸控檢測，其中圖像顯示階段與觸控檢測階段交替進(jìn)行。該方法中采用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)線和柵極線進(jìn)行分時復(fù)用的方式來實(shí)現(xiàn)顯示和觸控功能，從而無需額外在顯示面板內(nèi)再設(shè)置兩層用于觸控檢測的電極。

3.1.4 像素電極的分時復(fù)用。觸摸顯示屏包括顯示區(qū)和非顯示區(qū)，陣列基板的顯示區(qū)內(nèi)設(shè)置有多組源極線和多條柵極線。多組源極線和多條柵極線交叉并將顯示區(qū)劃分為多個像素區(qū)域，像素區(qū)域內(nèi)設(shè)置有第一電極和第二電極。第一電極和第二電極相鄰且電性隔離。第一電極和第二電極分時復(fù)用為顯示用的像素電極與觸摸用的感應(yīng)電極和驅(qū)動電極。

3.2 內(nèi)嵌式電容觸摸OLED的分時復(fù)用

隨著有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)發(fā)光二極管顯示器面板已被廣泛用于電子設(shè)備，如移動電話、平板電腦和平面電視等。相較于傳統(tǒng)的液晶顯示器件（LCD），有機(jī)發(fā)光二極管顯示器件不需要背光，且相對輕薄，同時還具有寬視角和響應(yīng)時間短的優(yōu)點(diǎn)。此外，有機(jī)發(fā)光二極管顯示器裝置通常具有更高的發(fā)光效率。

3.2.1 有機(jī)發(fā)光二極管顯示裝置的具體結(jié)構(gòu)。圖2為OLED顯示屏的結(jié)構(gòu)示意圖。OLED顯示屏，由下而上依次疊設(shè)有：玻璃基板、TFT（薄膜晶體管）以及電極線層、透明陽極電極層、有機(jī)發(fā)光層和反射陰極電極層。其中，有機(jī)發(fā)光層一般由空穴注入層、空穴轉(zhuǎn)移層、有機(jī)層及電子轉(zhuǎn)移層組成。

3.2.2 陽極電極層的分時復(fù)用。在OLED顯示屏基板的下側(cè)面設(shè)置觸控感應(yīng)層，以陽極層作為觸控感應(yīng)的驅(qū)動層。具體的工作方法為：在顯示時間段，所述陽極層通過有機(jī)發(fā)光層與陰極層耦合，以獲取驅(qū)動電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示圖像。在觸摸時間段，所述陽極層作為驅(qū)動層與觸控感應(yīng)層實(shí)現(xiàn)觸摸操作，獲取觸摸位置。

3.2.3 陰極電極層的分時復(fù)用。陰極層可以被劃分成M行N列的陰極塊并且覆蓋整個顯示面板。每個陰極塊可為用于顯示圖像和具有觸摸感應(yīng)功能的觸摸電極。N列陰極塊可以基本上沿著水平軸（X方向）排列，M行陰極塊可以基本上沿著垂直軸（Y方向）排列，每一個陰極塊可對應(yīng)一部分有機(jī)發(fā)光二極管或多個有機(jī)發(fā)光二極管。所述M行N列的陰極塊可以被用于分時復(fù)用操作。在一個時間段，所述陰極塊被僅用于顯示圖像；在另一時間段，所述陰極塊也被僅用于感應(yīng)觸摸動作。每個陰極塊可被連接到一普通陰極電壓線和觸摸陰極電壓線。所述發(fā)光二極管的陽極電極也可以連接到一普通陽極電壓線。在操作時，顯示面板的有機(jī)發(fā)光二極管可以在兩種模式下工作，即顯示模式和觸摸感應(yīng)模式。在顯示模式下，所述顯示面板可只顯示圖像；在觸摸感應(yīng)模式下，所述顯示面板可以只感應(yīng)觸摸動作。

4 結(jié)語

內(nèi)嵌式觸摸屏以其集成度高、薄型、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)作為觸控技術(shù)的重要發(fā)展方向。而分時復(fù)用技術(shù)是內(nèi)嵌式觸摸屏的關(guān)鍵技術(shù)。在分時復(fù)用的過程中，顯示時間的一部分用于觸摸檢測，對顯示屏的顯示時間、顯示信號和觸摸信號的信噪比都有影響。因此，在保證顯示效果的情況下，提高觸摸檢測的精度，降低功耗是今后內(nèi)嵌式觸摸屏的主要研究方向。

參考文獻(xiàn)：

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