电容触摸屏介绍

1.电容触摸屏原理及分类

电容屏的基本原理是人体电流感应和电荷转移。如下图所示，手指触摸屏幕时，手指与触摸屏表面形成耦合电容，电容的容抗与信号频率成反比，即频率越高其阻抗越小。因此高频电流流过电容，手指触摸，即从触摸处吸走微小电流，检测此微小的电流变化来识别触摸和确定触摸坐标。

电容屏根据结构和原理差异可以分为表面式和投射式两种，投射式又分为自电容式和互电容式，如下图所示。

2.表面电容式触摸屏

其典型的触摸屏结构是在玻璃底板上沉积一层高阻PVD透明导电膜，如下图所示，用丝网印刷银浆制成的线性图形(有时也叫做总线)与透明导电薄膜相连，另一端则是与尾部相连，最后这些弯曲的尾部再与屏的控制器相连接。

从导电涂层的四角引出四个电极，与控制器相连，原理图如下图所示。

上电未触碰前，屏幕表面存在均匀电场，当人体手指或者其他导体触摸屏表面时，屏表面的电荷经由人体导向大地，为了恢复这些损失的电荷，四角的电极会向触摸发生处发送电荷，产生的电流值跟触摸点到四个角的距离成反比，控制器依此确定触摸位置。表面式电容屏只能实现单点触摸的识别。

3.投射式电容触摸屏

3.1 自电容检测式

自电容扫描方式是利用单个电极自身的电容，一端连接到激励信号，另一端接地。ITO导电涂层是垂直排列的纵横交叉的电极结构，自电容指电极对地的电容C_p，手指触碰时会增加一个手指对地的电容C_f，两电容是并联关系，总电容为二者相加，因此控制器检测到的电容会增加。扫描时，先依次扫描横向的每个电极，再依次扫描纵向的每个电极，即扫描(X+Y)次，扫描速度较快。

单点触摸时，先扫描X轴，找到电容变化处，确定触摸位置的横坐标；再扫描Y轴，由电容变化处确定触摸点纵坐标，据此得到触摸位置详细坐标。

两点触摸时，当此两点不是同一X轴或同一Y轴，控制器可以分别得到两个横纵坐标，组合会产生四个符合坐标条件的点，无法确定真实触摸点到底是其中哪两个点，即产生“鬼点”，如下图所示，两黑色点为真实触摸点，红色叉点为“鬼点”。

自电容检测式电容屏结构原理简单，扫描速度快，但其测量的是单个电极电容而不是电极交叉点的电容，这一点也导致了其无法正确侦测多点触摸。

3.2 互电容检测式

互电容检测式是利用行列电极交叉处形成的耦合电容，横向电极作为耦合电容的上极板，纵向电极作为耦合电容的下极板。扫描时，横向电极、纵向电极分为作为驱动电极和感应电极。对于X行，Y列的互电容检测式触摸屏，激活某一行驱动电极后，依次扫描每一列感应电极，检测全部感应电极与该行驱动电极形成的耦合电容，因此扫描全屏共需扫描(X*Y)次，如下图所示，互电容检测式可以识别多点触摸，且无鬼点。

手指触摸后，将触摸位置电极间的部分电荷转移到大地，会使驱动电极与感应电极之间的电容减小，因此控制器检测到的电容是减小的，这一点与自电容检测式恰好相反。控制器处理互电容减小的变化量来提取计算触碰点坐标，变化量大于一定值(称为阈值）的位点才认为发生有效触摸。

互电容检测方式的电容触摸屏，可以实现无鬼点的真正多点识别,但结构较复杂，功耗较大，扫描时间较长，且抗噪能力不如自电容。

4.微小电容检测技术

触摸引起的触摸屏Sensor互电容变化量是很微小的，这种pF级别的电容变化量检测技术是触摸屏控制系统的核心技术之一。检测技术精确度对触摸屏触摸灵敏度准确度影响巨大。对于电容，通常是将其转换为电压V、电流I、或者周期时间T、频率f等可测性较强的物理量来测量。

目前，有三种主要的检测电容变化量的技术：充电传输测量法，张弛振荡器法，电荷转移法。

4.1 充电传输测量法

充电传输法应用的原理是电荷保持，基本原理示意图如下图所示。开关K1连接到 VDD，施加电压到感应电极C_p上对其充电，K1断开，开关K2将C_p存储的电荷释放到电容值较大的采样电容C_s中，多次测量，确定感应电极上的电容。手指触摸使C_p电容值增大，监测输出电压V_out达到V_ref的时间来测量触摸屏电容的变化值。

4.2 弛张振荡器法

弛张振荡器由比较器和外部电阻构成，通过电容的不断充放电过程达到振荡，基本原理示意图如下图所示。测量电路根据输出信号的频率、周期的变化来识别有无有效触摸发生。VDD通过电阻R为电容C_p充电，充电时间的长短由R值和C_p值乘积决定。手指接触触摸屏使电容值C_p变大，因此其充电时间变长。

如下图所示，没有触摸时，V_out达到比较器输入参考电压 V_ref需要的时间为t1；有手指触摸时，充电时间为(t3-t2)。触摸发生后电容充电时间变长，周期性不断充电放电构成张弛振荡器。

4.3 电荷转移法

电荷转移法是将触摸屏感应电容上的电荷，通过开关控制转移到外部电容上。外部电路的电容方便测量，通过测量外部电路上电容两端电压值有无变化，即可判断是否有手指触摸。

如下图所示，Tx为驱动电极，由矩形激励脉冲激活，Rx为Sensor接收端，接收触摸屏返回的感应信号。C1为驱动电极、感应电极之间的互电容，手指触摸屏幕会引起C1减小；C3为驱动电极对地电容；C4为感应电极对地电容，电荷转移法测量电路是将电容变化转换为电压值变化来进行测量。

预备状态：开关K闭合，运放虚短原理得Vout=0，Tx输出高电平激励对C1充电至稳定，其电荷Q= C1U1；

测量状态：开关K断开，虚断原理得电荷泄放至C2，稳定后U2= Q/C2，若U2=U1，则Vout 等于激励电压；

触摸状态：手指触摸后，互电容C1减小，电荷Q减小，C2不变，则输出 Vout减小。检测输出电压即可检测电容变化。

运放上跨接的电容C2对检测精度作用十分重要。