电容式触摸感应技术中的电容物理学

电容式触摸屏设计制造技术是材料物理与电子技术相结合的产物。材料特征参数、三维结构(stackup)和二维版图形状 (layout) 决定了触摸屏的全部电学特性。这些电学特性可以用等效的分布式阻抗电路来描述，并可以与电容感应拾取电路一起在电路仿真系统中进行完整的系统模拟。

　　在上述的系统设计流程中，两个最重要的环节是， 第一， 正确全面的获得电阻、电容及其拓扑结构的信息， 第二， 正确区分手指触摸后的感应电容和寄生电容。这些往往与所选用的电容感应电路有着极为密切的联系，而其中对于各种电容性质的正确认识是最基本也是至关重要的。由于电容式触摸屏技术中涉及到众多的电容类型，如何得到正确的电容特性成为大多数工程教育背景的开发人员所面临的一个难点问题。本文将运用电力线基本原理，对分布在触摸屏上的不同电容特性进行分析。

　　基本概念

　　这里的核心物理问题是，什么叫电容?电容是一种电荷储存器件。对这个概念的一种错误理解经常是：电容是净电荷的积累。事实上，电容可以进一步描述成等量的正负电荷在两个电极分布的一种储存结构，这里的两个关键词是：等量，两极。我们可以用物理中的电力线概念将这两个关键词联系在一起：电力线从正电荷出发终止于负电荷。电力线的存在决定了电容的存在，电力线的路径和密度决定了电容的性质和大小。

　　触摸屏寄生电容物理模型

　　先看一下最简单的平板电容， 如图1所示。虚线是电力线。众所周知的平板电容表达式为：



　　这个公式成立的前提假设是：W>>d，L>>d。其物理含义是：全部电力线平行的分布在两个平板之间。



　　对比一条状金属与平板之间的电容。先画出它的电力线分布图，如图2所示。

　　在这种情况下，显而易见电力线不再是平行分布在条状金属与平板之间，所以平板电容公式不再适用。



　　第三种情况是在两条平行线之间的电容。在触摸屏中常出现的电容形式是在同一或不同平面上的两个薄板之间的电容 (fringing capacitance, or sidewall capacitance)，可以抽象为这种电容。

　　具体表现在实际触摸屏中，以常见的三层ITO为例，如图4所示。最下面接近液晶屏的屏蔽层与第二层ITO之间是一类电容;第一层与第二层的边缘电容是二类电容;第一层与第二层的交叉点，根据不同的工艺，可能是一类或二类电容。

　　触摸屏感应电容物理模型

　　人体电路模型的最简单描述为“接地的导体”。按照前面对电容的定义，手指是作为接地的电极来影响触摸屏本身的电容分布的。



　　以触摸电容按键(CapSense Button)为例，手指的感应电容可分为以下两种情况。第一种是新生电容。如图5所示，激励信号源连接悬空的金属按键，手指的靠近增加了其间的电场强度，电力线密度随之上升，感应电容也就随之增加。



　　另外，手指还会对已有电容的分布进行调制，尤其是对上述二类电容的调制。在触摸电容按键的设计中，常常在金属按键周围布上环状地平面。手指的接近，如图6所示，改变了电力线的分布，调制了金属按键的电容。

　　结语

　　本文通过电场电力线的基本原理分析了电容触摸屏的本身电容类型分布，以及人体触摸行为产生的新电容及对已有电容的调制。本文采用的分析方法是这项技术的物理基础。随着电容触摸技术的发展和市场的快速增长，毫不夸张的讲，新材料新结构的触摸屏在日新月异。具有牢固的基本概念才会从本质上把握住新技术的要领和发展的脉搏。