電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)對全織物投射式電容觸摸墊觸摸性能的影響

東華大學紡織學院， 上海 201620

近年來，隨著科技的發(fā)展，有關柔性電容觸摸裝置在智能紡織品中應用的研究，得到了越來越多的關注，主要包括織物開關、織物鍵盤、織物電容觸摸墊等[1]。前兩種觸摸裝置的研究已經(jīng)比較成熟，但織物電容觸摸墊因其性能受干擾因素較多，仍在研發(fā)階段。

織物電容觸摸墊分為織物表面式電容觸摸墊和織物投射式電容觸摸墊，而且電容觸摸墊的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響觸摸效果的重要因素，諸如極板尺寸、形狀及極板間相互位置、介質(zhì)介電常數(shù)等。蔣晶晶等[1]、HELLER等[2]、HAMDAN等[3]研究了矩形電極對實際操作過程中織物表面式電容觸摸墊的分辨率和線性度的影響，發(fā)現(xiàn)在觸摸墊有效使用范圍內(nèi)，其分辨率和線性度都較高，但在靠近觸摸墊邊緣處較低，響應速度較慢。KANG等[4]采用相互垂直的條形電極，JOSUE等[5-6]采用相互垂直的菱形電極，研究觸摸位置對織物投射式電容觸摸墊的電容變化的影響，發(fā)現(xiàn)織物投射式電容觸摸墊的電容變化與中間介質(zhì)層的厚度、介電性能、表面粗糙度有關。SERGIOM等[7]把條狀導電織物作為電極并以相互垂直的方式分布在泡沫隔離板的兩側(cè)，上下行列交叉的導電織物形成電容陣列，構(gòu)成觸摸墊，其像素為(24×16)dpi，電極間距為8.000 mm，在該觸摸墊上進行按壓形成圖像，發(fā)現(xiàn)圖像的清晰度與導電織物表面粗糙度、織物厚度不勻及織物表面尺寸有關，并提出可利用降噪算法及增大信號方法改善圖像清晰度和邊界效應，驗證了此導電織物用作電容觸摸裝置的可行性。TAKAMATSU等[8]4485以聚噻吩涂層導電針織物為電極、PDMS(聚二甲基硅氧烷)為中間介電層，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)電容陣列，證實了導電針織物形成電容觸摸裝置的可行性。顯然，這些研究表明電極材料及結(jié)構(gòu)、介電層材料等因素都會影響電容觸摸墊的觸摸性能，但尚未建立這些因素與觸摸性能之間的關系。

從基本原理看，電容觸摸墊的工作原理類似于電容式陣列傳感器。紡織結(jié)構(gòu)電容式陣列傳感器可以分為3類：同軸皮芯結(jié)構(gòu)電容紗及織物、上下表面電極為導電紗線的多層織物、導電織物夾持不帶電織物的復合結(jié)構(gòu)。GU等[9]、GORGUTSA等[10]、GUO等[11]和ROH等[12]將導電紗線與普通紗線復合得到復合導電紗線，再根據(jù)設計的電容式陣列傳感器結(jié)構(gòu)織成織物。他們研究了復合導電紗線長度、電容器單位長度和復合導電紗線電阻等參數(shù)對電容式陣列傳感器電容變化的影響，得出復合導電紗線長度和電容單位長度較短及復合導電紗線電阻較小時，電容式陣列傳感器的電容相對變化率較大的結(jié)論。胡爽[13]研究了電容式織物傳感器的性能，發(fā)現(xiàn)導電織物的紗線原料、織物面積、織物經(jīng)密、紗線細度均對電容式織物傳感器的性能有一定的影響，傳感器的電容值隨著織物面積和織物經(jīng)密增大而增加，隨著紗線細度增加而下降。已有學者從傳感性能角度探討了電容式陣列結(jié)構(gòu)及材料對織物電容觸摸墊性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過改善傳感器的走線長度、傳感器電極之間的間距、傳感器之間的干擾等，能提升織物電容觸摸墊的靈敏度[14]。

基于上述分析發(fā)現(xiàn)，已有研究證實了以織物作為電極制備電容觸摸墊的可行性，但缺少織物電容觸摸墊的電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)對電容變化量的影響的研究。本文針對全織物投射式電容觸摸墊，研究電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)與觸摸墊的電容相對變化率之間的關系。

1 投射式電容觸摸墊的結(jié)構(gòu)、工作原理及評價標準

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

投射式電容觸摸墊由相互垂直的行電極和列電極組成，每個電極與芯片連接，從而控制行電極的激發(fā)與列電極脈沖信號的感應。每條行電極和列電極的交叉處形成一個節(jié)點電容。當手指觸摸到電容觸摸墊時，觸摸點附近的行、列電極之間的電容量發(fā)生變化，故而芯片通過識別電容量發(fā)生變化的位置檢測觸摸方位。利用交叉點掃描技術(shù)檢測整個電容觸摸墊的互電容量，在觸摸位置所發(fā)生的互電容量變化即為觸摸信號值。當互電容量變化越大時，電容觸摸墊的靈敏度越高。

全織物投射式電容觸摸墊整體采用織物組成，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包括5個部分：表層和底層為覆蓋層，其不導電；中間層為介質(zhì)層，其上層為行電極、下層為列電極，行、列電極之間相互垂直交叉排列。全織物投射式電容觸摸墊的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1(b)所示，分別是同一層上的電極間隙、電極寬度及觸摸墊厚度。

(a) 結(jié)構(gòu)

(b) 結(jié)構(gòu)參數(shù)

觸摸墊中存在互電容Cm和自電容CP?；ル娙葜鸽姌O之間產(chǎn)生的電容，包括行、列電極之間產(chǎn)生的電容及同一層上相鄰電極之間產(chǎn)生的電容；自電容指電極與地之間產(chǎn)生的電容?；ル娙萘靠梢杂闷桨咫娙莸臉藴时磉_式給出：

(1)

式中：ε為織物的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；s為行、列電極之間的正對面積，m2；d為行、列電極之間的間距，m；k為靜電力常數(shù)，k=8.988 0×109N·m2/C2。

圖2所示為單個觸摸點觸摸前后的等效電路圖，可以看出，在行電極上施加一定電壓，列電極便接收信號，每個列電極的信號傳遞給芯片。在手指觸摸情況下，手指與上電極之間產(chǎn)生的耦合電容和手指與下電極之間產(chǎn)生的耦合電容增加，下電極接收的信號將顯著減小。織物是柔性物體，受到手指觸摸時會產(chǎn)生形變，使得行、列電極之間的間距d發(fā)生變化，而且由于織物結(jié)構(gòu)改變，電極織物的介電常數(shù)ε發(fā)生變化。這些因素相互作用，使得觸摸墊的電容發(fā)生變化[15]27-28。

(a) 觸摸前

(b) 觸摸后

1.2 評價標準

靈敏度為評價觸摸墊觸摸性能的基本指標，它指的是觸摸墊受到手指觸摸時產(chǎn)生的最大信號(即觸摸信號)與設定的手指閾值的比值，即靈敏度=觸摸信號/手指閾值。手指閾值又叫臨界值，低于此閾值的觸摸信號不能識別。顯然，觸摸信號越大，靈敏度越大；手指閾值越低，靈敏度也越大。但手指閾值不能設置得太低或太高，太低會導致誤觸發(fā)，太高會降低靈敏度，一般確定為手指觸摸時產(chǎn)生的最大信號的1/2左右[15]4。

2 全織物投射式電容觸摸墊的制備

2.1 材料準備

上、下覆蓋層和中間介質(zhì)層選用棉織物，行、列電極采用鍍銀導電織物(其電阻為0.17 Ω)。為了討論電極寬度和電極間隙對觸摸信號的影響，選擇5種電極寬度(3.000、 4.000、 5.000、 6.000、 7.000 mm)和3種電極間隙(2.000、 3.000、 4.000 mm)。

2.2 試驗設計

針對電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)兩個因素，主要考察電極寬度、電極間隙及電極寬度/電極間隙比值對觸摸墊靈敏度的影響，共設計了25組試驗，具體見表1。試驗中采用砝碼觸摸試樣，施加壓力為822 Pa[8]4486-4487。

表1 試驗設計

測試分兩種情況：一是不受干擾情況，即只測試1根上電極和1根下電極構(gòu)成的電容器；二是受周邊電極干擾情況，即在觸摸墊上取1根上電極、1根下電極進行測試。電極根數(shù)的多少會改變觸摸墊上電容器陣列數(shù)量，且電容器陣列數(shù)量影響觸摸點的電容量。采用砝碼在每個觸摸墊的同一位置上觸摸6次，分別記錄每次觸摸前和觸摸時觸摸墊的電容，計算觸摸前和觸摸時觸摸墊的電容相對變化率(定義為電容變化量ΔC與初始電容C的比值，即ΔC/C，其中ΔC=觸摸時的電容量-觸摸前的初始電容)，結(jié)果取平均值。圖3為全織物投射式電容觸摸墊的觸摸試驗示意圖。

圖3 全織物投射式電容觸摸墊的觸摸試驗示意

3 結(jié)果與討論

3.1 電極寬度對電容相對變化率的影響

從圖4能夠看出，在觸摸墊上的觸摸點較少的情況下，電容相對變化率隨電極寬度增加逐漸減小；當觸摸點增加到一定數(shù)量時，電容相對變化率隨電極寬度增加基本不發(fā)生變化。由式(1)可知電極寬度是影響互電容的關鍵因素，在其他條件不變的情況下，電極寬度增大，則電荷的接收面積擴大，因此初始電容C增加，手指觸摸時所帶走的電荷數(shù)量相應增多，即剩余電容量減少，故電容相對變化率減小。

(a) 電極間隙為2.000 mm

(b) 電極間隙為3.000 mm

3.2 電極間隙對電容相對變化率的影響

從圖5可以看到，隨著電極間隙增加，電容相對變化率無顯著變化。電極間隙增加使得相鄰節(jié)點電容之間的電場疊加作用減弱，觸摸點的初始電容減小，觸摸時電容變化幅度不大，所以電容相對變化率增加不明顯。另外，同一層上的電極根數(shù)減少，則相鄰節(jié)點電容之間疊加的電場強度下降，觸摸墊上各觸摸點的初始電容明顯減小，而砝碼觸摸時帶走的電荷數(shù)量減少不明顯，所以電容相對變化率變大。

(a) 電極寬度為4.000 mm

(b) 電極寬度為5.000 mm

3.3 電極寬度/電極間隙比值對電容相對變化率的影響

圖6所示為電容相對變化率與電極寬度/電極間隙比值的關系，可以看出，電容相對變化率受電極寬度/電極間隙比值的影響較大，當電極寬度/電極間隙比值為3/2時，電容相對變化率最大。隨著電極寬度/電極間隙比值提高，相鄰節(jié)點電容之間的電場疊加作用呈不規(guī)律變化，在電極寬度/電極間隙比值為3/2時，相鄰節(jié)點電容之間疊加的電場強度達到最大，相應的電容相對變化率最大。

圖6 電容相對變化率與電極寬度/電極間隙比值的關系

4 結(jié)論

本文采用5種不同電極寬度和3種不同電極間隙，考察電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)對全織物投射式電容觸摸墊觸摸性能的影響，以觸摸墊的電容相對變化率為評價指標，發(fā)現(xiàn)：

(1) 觸摸墊的電容相對變化率與電極寬度的關系較顯著，受電極間隙的影響較小，受電極寬度/電極間隙比值的影響較大。

(2) 觸摸墊的最佳電極寬度/電極間隙比值為3/2。

(3) 比較不同電極根數(shù)的觸摸墊的電容相對變化率，在相同電極間隙條件下，隨著電極寬度增加，電容相對變化率逐漸減小；在相同電極寬度條件下，隨著電極間隙增加，電容相對變化率基本不變。