投射式电容传感器在智能手机屏中的结构与原理

　　摘要随着智能手机的普及，电容式传感器技术在智能手机可触摸的屏幕上的应用得到了极大的发展，其中投射式电容传感器因其能够实现多触点这一特点而在这项技术的研究中占有极高的地位。本文简要介绍了投射式电容传感器在智能手机屏幕中的内在结构以及此结构实现触电感应的原理，并由浅入深，通过给出工作电路的等效电路更详细地给出了感应区域的电路的工作情况。
　　【关键词】电容传感器 智能手机 触屏 等效电路
　　1 结构及检测原理
　　1.1 智能手机屏幕的结构
　　如图1，最上层为电路保护层，通常为透光性好的玻璃，最下方为LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示屏，由于液晶显示屏工作时常产生噪音，故在液晶显示屏与感测层之间存在防干扰层，保护层与防干扰层之间为两个内容相同的核心感测层，这种感测层一般是由一种透明的导电材料制备的，比如真空淀积的锢锡氧化物(Indium-Tin-Oxide,ITO)，感测层通过改变电容值用来响应手指的靠近，其中一层用来确定X方向的位置，另一层确定Y方向，两个感测层使得电路得到两个坐标，进而在二维平面上确定触碰点。
　　1.2 感测层(ITO)形状以及感测原理
　　1.2.1形状
　　如图2，菱形为ITO电极设计的一种常见图案，其最早见于1980年代初，菱形图案可对暴露在手指触摸区域下的电极表面进行优化，同时把X和Y方向电极轨迹的交叉面积降至最小。这些电极的密度越高，触摸的分辨率也越高。当采用菱形图案时，对角线长通常控制在 4 到 6 毫米。电极最终通过光刻、蚀刻工艺形成多个水平和垂直方向的感应电极和驱动电极。
　　1.2.2感测原理
　　通常使用交互电容法进行对触电的探测，交互电容法以行列之间的电极耦合为初始条件，当用户触摸屏幕表面时，自身的静电会影响这个耦合电容的值，如图3，当驱动某一行电极时，感应芯片会依次扫描每一根列电极，测出每根列电极与该行电极交叉点处的交互电容。通过计算交互电容的变化值就可以确定每一个手指触摸的精确位置。
　　2 感应区电容工作原理
　　电容式传感器实现触摸点定位的工作原理中最主要的是获得每个触摸点所独有的坐标，获得此坐标的方法被称为坐标定位法，从宏观角度分析，电容触摸屏可以等效为一个由电阻组成的电路，根据等效电路可以对电容触摸屏的原理进行分析。下面以坐标与电流信号之间的关系来阐述电容传感器捕捉触点坐标的原理。
　　对于一维平面触摸屏，通常有两种模式：一种是从四个边引出触摸电流，另一种是从四个角引出触摸电流，其中从四角引出触摸电流的方式，坐标定位的换算方式更为复杂。本文以从四边引出电流的模式为代表性的实例，简要介绍电路工作的情况。如图4所示。
　　其中矩形为整个电容屏的等效形状，中间相叠的环形为触点位置，整个平面的坐标系以I1、I3交点处为零坐标，I1、I2、I3、I4为四边检测到的电流值，在捕捉触点时，给电路一个高频电压源，四边的电流与X0坐标间的定位方程为：
　　X0=L1* ；
　　坐标值可以用电流值的比例来表示，这个结果容易让人联想到电流大小与坐标呈正比例的关系，这可以由等效电路来解释，如图5所示。
　　其中最上方的电阻丝为整个电容屏在X方向上的等效，T为触点，r1与r2分别为触点左右两边电阻丝的电阻值，i1、i2为电流，ε1、ε2为电源的电压，Z为人体电阻，根据此电路由戴维宁定理可得：
　　ε1+ i1r1+(i1+i2)z=0
　　ε2+i2r2+(i1+i2)z=0
　　两式相减，并由r2=R-r1，并取ε1=ε2
　　显然可以得到R与任意一个r之间的比例关系与电流的比例之间的对应关系即r1/R=i1(i1+i2)，同时从硬件上又知道对于一个组成均匀的电阻丝来说，阻值与长度成正比即r/R=Xo/L故可得到:
　　Xo=L*i2/(i1+i2)
　　同理可得Yo，从两者的坐标算法可以看出，微观与宏观上是一致的，只需要在计算横坐标时在宏观上把坐标所在行看做微观中的电阻丝。
　　3 结束语
　　投射式电容屏传感器技术已经相当成熟，任何一个智能手机的开发人员选项中都有能使屏幕坐标可视的功能，人们可以看到智能手机屏幕工作的坐标。智能手机作为便携式设备深入到人们生活之中，有着巨大的发展前景。
　　
　　参考文献
　　[1]Hal Philipp.触摸屏设计日益简化投射式电容触摸屏前景广阔[J].中国电子商情（基础电子）,2009(09).
　　[3]陈松生.投射式电容触摸屏探究[D].江苏省:苏州大学,2011.
　　[4]李兵兵.电容式多点触摸技术的研究与实现[D].成都:电子科技大学,2011.
　　[5]郑寿云.电容与电阻的平面图和方程电容触摸屏的研究[D].广东省:汕头大学,2009.
　　
　　作者单位
　　北京林业大学理学院北京市100083