电容式触摸屏原理及详细

1、Contensp电阻式触摸屏与电容式触摸屏的对比p电容式触摸屏原理和分类pFTS 电容式触摸屏控制器介绍12/27/200912术语oITO-Indium Thin Oxide，氧化铟锡，一种透明的导电材料oTP-touch panel，触摸屏oCTP-Capacitance touch panel，电容式触摸屏oDITO：在玻璃双面分别制作ITO图形，构成电容极板oSITO：在玻璃的单面制作ITO图形，构成电容极板12/27/200923术语o OCA光学胶是重要触摸屏的原材料之一。将光学压克力胶做成无基材，然后在上下底层，再各贴合一层離型薄膜，是一种无基体材料的双面贴合胶带。优点：高清澈度

2、、高透光性(全光穿透率99%)、高黏著力、高耐候、耐水性、耐高温、抗紫外线，长时间使用不会產生黄化 ( 黄变 )、剥離及变质的问题o 分类：1.电阻式n 电阻式的光学胶按厚度不同又可分为50um和25umo 2.电容式n 电容式的光学胶分为100um，175um，200um12/27/200934电阻式触屏VS电容式触屏对比o 电阻式方案已经非常成熟，一般都是和液晶屏打包配套，成本比较低。但由于先天结构(原理)上的原因，使用一段时间后需要重新对触摸屏进行校正。低端的4线电阻式触摸屏需要直接与指尖或笔接触，所以在上盖的设计上会有一个开孔，对外界的各种干扰(灰尘、湿气、ESD等等)都缺乏有效的防护

3、，所以可靠性和耐用性较差。高端的5线式电阻式触摸屏可以通过改善结构解决这个问题，但成本上已经和电容式持平。且对一些复杂的手势(特别是多点触摸)缺乏有效的支持，而这恰恰就是电容式触摸屏最大的卖点。 3/7/20225电阻式触屏VS电容式触屏对比o 电容式方案的结构和实现原理和电阻式完全不一样，主要是根据接触区域的电容量来判断手指的位置，所以目前只能通过手指来感应，并且可以对多点触摸等复杂的手势可以提供完善的支持。由于对外界的感应需要通过一层不导电的介电质(塑胶、玻璃等)，触摸屏需要贴合在上盖背面，所以对外界的抗干扰能力较强，可靠性和耐用性高。“但是，随之而来的问题是对供应商的制造和组装能力(贴合

4、)提出了较高的要求，因此目前整体成本居高不下。”陈元指出。3/7/20226电阻式触屏VS电容式触屏对比3/7/2022电容式触摸屏基本原理和分类12/27/200978Capacitance touch panel overviewo 用ITO材料制作透明电极的电容阵列o 手指触摸到电容式触摸屏表面，改变触摸屏的固有电容o 触摸屏电容控制器（IC）检测到电容的变化，并通过电容阵列的电容变化率，计算出触摸发生的坐标，强度等信息12/27/200989Electronic Field Capacitive Sensorn通过检测电容传输的能量来检测电容n振荡器输出正弦波加到电容一端n信号检测处理

5、电路接电容另一端n根据接收点信号电平高低判断电容的大小振荡器Sensing and Filter12/27/2009910Relaxation Oscillator Capacitive Sensorn通过检测张弛振荡器频率来检测电容n一个恒流源给电容充电n一个受反馈控制的开关给电容放电n迟滞比较器把电容电压变化整形方波12/27/20091011Charge Transfer Device Capacitive Sensorn首先，感应电容充电n其次，把感应电容的电荷转移到另一个电容n通过检测电荷转移量来检测电容的大小12/27/20091112Detect Method: Self-cap

6、acitance VS. Mutual-Capacitancen自电容 利用单个电极自身的电容一端接地，另一端激励或采样电路n互电容利用两个电极传输电荷通常一端接激励，另一端接采样电路12/27/20091213n自电容self-capacitor测量信号线本身的电容优点：简单，计算量小缺点：虚拟两点，速度慢n互电容-mutual capacitor测量垂直相交的两根信号之间的电容优点：真实多点，速度快缺点：复杂，功耗大，成本高Ghost point12/27/20091314Panel Processo 玻璃双面（DITO）n ITO图案做在玻璃的上下表面，分别为x轴和Y轴，上表面加Lens

7、o 玻璃单面（SITO）n ITO图案做在玻璃的上表面 ，下表面为shieldingo 玻璃单面架桥，X轴与Y轴交汇处采用架桥o 玻璃单面双层，使用SiO2隔离o Filmn 二层，分别为X轴，Y轴12/27/20091415DITO12/27/20091516SITO12/27/20091617Film12/27/20091718Panel Pattern：Two Layers Self-capacitance or Mutual capacitance Paneln两层ITOn分别与地或手指构成自电容（人体接地）n自电容有M+N个电容n互电容有MN个电容n需要M+N条线连到控制芯片M RO

8、WN Column12/27/20091819Two Layers Mutual Capacitorn两层ITOn相互重叠构成电容n有MN个电容n需要M+N条线连到控制芯片n手指触摸影响相互电容12/27/200919FTS电容式触摸屏控制器简介12/27/20092021FTS 电容式触摸屏控制器方案特点o 自主专利的方案o 互电容o 提供业内顶尖级的性能n多点触摸检测，最多达到5点n高信噪比n抗RF干扰n高精度n高分辨率n高线性度n自校正，避免温度，湿度的影响o 本地化的服务12/27/20092122Multi-toucho 多点触摸是一个趋势n 正在竞标的某国际大公司2011年项目要求

9、10点n 正在design in的多个case要求真实两点或两点以上n 随着apple tablet PC上市，多点应用会逐渐涌现并普及n 能自主安装应用软件是为了的一个趋势，系统硬件应该为将来性能提升提供准备o FTS方案能提供真实的5点触摸检测，为将来的应用提升提供硬件支持12/27/20092223SNRo 在触摸屏行业，SNR定义为信号幅度与噪声幅度比（噪声取绝对值）。o SNR的传统定义为信号功率与噪声功率比n SNRP=PS/PN=VS2/VN2=SNRV2n 如果采用这个定义的SNR，则信噪比能达到数千。o SNR是一个基本参数，决定系统的大部分性能n SNRV50，系统能稳定工

10、作n SNRV100，系统性能优良n FTS方案配合相应的TP，SNRV15012/27/20092324Anti-RF interferenceo 抗RF干扰时CTP系统一个关键性能n 抗RF干扰能力差是之前CTP case失败的关键因素o 抗RF干扰包括GSM，CDMA，WIFI，微波炉等射频干扰o FTS方案采用跳频等技术，提供优异的RF干扰抑制能力12/27/20092425找出电容最大值和对应的列 用以最大电容值列最大电容值列为中心的三列求出其加权平均，即横坐标坐标计算-Center Point algorithmiPi1111) 1(*) 1(*iiiiiiPPPiPiPiPKX其

11、中，K为映射系数12/27/20092526Accuracyo Accuracy（精度）是指实际触摸位置与TP上报触摸坐标的误差，包括边沿精度与非边沿精度n边沿指TP AA区外侧3mm左右的边框部分n非边沿指TP AA区外侧3mm左右的边框以内的部分o 坐标计算通常都是采用重心算法，因此精度的关键是SNR和TP的PitchnSNR越高则参数的置信位数越高;计算的结果越可靠则精度越高n合适的Pitch能提高精度。Pitch的选择主要与手指的大小有关。一个典型的Pitch为5mm。o FTS整合TP设计与算法，提供业内领先的TP触摸精度n边沿2mm，非边沿1mm12/27/20092627Reso

12、lutiono Resolution（分辨率）指单位长度TP能触摸的点数或者TP能上报的点数o 与精度一样，分辨率的关键是SNR和TP的Pitchn 分辨率与精度是同一个问题，不同的描述角度o 针对手机应用，FTS的方案能提供最多1280768的分辨率。形象的说，就是能把显示屏上的每个点触摸出来12/27/20092728Linearityo Linearity（线性度）是指在TP上画对角直线时，实际曲线与理想直线最大的距离o FTS的方案能实现线性度达1mm12/27/20092829Adaptive process algorithmo 环境（温度、湿度等）变化会造成TP失效n 温度适应能

13、力差事之前CTP失败的重要原因o 材料老化也会造成TP失效o 自适应处理算法能根据环境变化，自动调节TP参数设置，使TP工作在最佳状态。o 自适应处理算法还能补偿材料老化对TP造成的影响12/27/20092930Scan rateo 控制IC以一定速率对TP进行扫描o 互电容VS自电容n互电容以帧为单位上报触摸屏的事件。即每次扫描，均立即上报该次扫描的结果，包括触摸点数，每点的坐标n自电容仅能针对单点触摸上报真实坐标。对多的触摸时，使用十分复杂的虚拟算法计算坐标，效率低，容易出错。因此，定义了一个Point/S（点/秒）的参数来定义上报速率。o 60Hz是足够的，并且是现实的n从体验的角度看

14、，60Hz与80Hz几乎没有区别n随着频率的上升，CPU消耗的资源超过临界点后会急剧上升o FTS最大能支持80Hz的扫描速率12/27/20093031Power managemento FTS CTP系统提供完善的功耗管理o FTS CTP系统提供3个功耗模式n Active：全速模式, 可以产生触摸中断/INT, 可以读取触摸数据. n Monitor：触摸监测模式, 低速扫描, 不能产生触摸中断/INT. 有触摸发生后自动跳转到Active n Hibernate：系统休眠，需要硬件触发唤醒12/27/20093132手势集成与自定义o FTS方案能集成目前所有手势，包括单点点击，双击

15、，平移，放大缩小等o FTS方案能根据客户的需求，集成客户定义的手势o FTS方案能上报绝对坐标，由Host来分析触摸类型并作出相应的处理12/27/20093233系统接口端口名称电平极性描述串行接口2.83.3V串行接口为CTPM和Host之间的数据通信通道. FT5201构成的CTPM支持SPI, I2C这2个标准串行接口之一. /INT2.83.3VLOWCTPM发送给Host的中断信号/WAKE*2.83.3VLOW从HIBERNATE当中唤醒CTPM的信号. CTPFT5201MCUCTP ModuleHost/INT串行接口RXTX/WAKE12/27/20093334触摸数据读

16、取模式o 支持中断模式与查询模式n 中断模式为触摸屏系统检测到触摸发生时，主动发出中断给Host，让Host来读取触摸发生数据n 查询模式为触摸屏系统定时检测触摸，触摸发生时，仅仅准备好触摸数据，被动等待Host来读取数据12/27/20093435OSo CTP系统是一种普通外设，采用标准的SPI、I2C接口，与OS无必然关系n SPI与I2C可以通过硬件接口连接，也可以通过软件模拟方式连接o OS与CTP的关系主要体现在对触摸输入的支持上，包括单点，多点，手势等o 通过在OS中加入驱动来解释协议n FTS可以给各个OS的驱动设计提供帮助12/27/20093536Design In flo

17、wo 联调前的准备n 确定TP系统结构图，包括TP，FPC，元件区，出pin位置等n 确定TP系统提供的功能n 确定接口类型，连接方式，信号电平o 联调内容n 根据协议编写OS驱动-FTS提供协助n 连接TP进行调试n 测试TP功能与性能o 整机测试12/27/20093637生产集成o TP生产o Firmware 写入o TP出厂检测o 与手机集成（无需校正）o 整机测试12/27/20093738悬空触摸失效问题o 把手机至于悬空状态，比如放置于空盒子之上，没有与其他系统有电连接。这时，手机发生触摸失效的现象称之为触摸悬空触摸失效问题o 根据我们的研究，悬空触摸失效问题主要与TP的结构有

18、关。目前仅有使用DITO的apple iPhone完全解决了这个问题，其他公司产品多少存在这个问题o 触摸悬空失效还与系统信噪比有关12/27/20093839本地化的服务o 电容式触摸屏是一个新事物，还没有标准化o 非标准化的产品，根据客户需求实行个性化服务时成功的关键o 国际大的IC厂都在给国际大的手机厂进行个性化服务o FTS能给大陆，台湾地区的终端客户提供优质的服务12/27/20093940FTS方案基本参数：FT5201+C8051F921ItemsParameterMin.Typ.Max.Scan rate( single touch or 5 touch）6080Respons

19、e time25mSSensitivity （diameter）（touch area）6mmAccuracy（Non-border）1mmAccuracy（border）2mmLinearity1mmAnti-noise1VvppMulti-touch distance10mmPower（5 touch，60Hz）7.5mA41FTS方案与其他公司方案比较参数FTS方案其他方案多点触摸特性真实多点单点+两点手势信噪比1501050抗RF干扰优一般集成难度易难环境噪声校正不需要需要服务本地化，设计团队直接支持FAE支撑42功能框图-FT5201n该芯片仅为模拟前端，需要MCU提供计算功能12/

20、27/20094243应用方案FT5201o 双芯片方案：FT5201+MCUo 与Host接口由MCU确定，可以是I2C、SPI或 UARTo MCU与FT5201必须为SPI接口44单芯片方案功能框图-FT5202o 增加了MCU，提供丰富灵活的计算与处理o 在原有SPI接口基础上，增加了UART，I2C45FTS芯片应用o FT5201+C8051F921n 主要用于手机，MID等对RF干扰有非常强抑制能力的产品，并且尺寸4.3o FT5202n 主要用于手机，MID等对RF干扰有非常强抑制能力的产品，并且尺寸4.312/27/20094546Chip packageo QFN48 6m

21、m6mmo BGA49 5mm5mm12/27/200946容晟光电有限公司是一家专业的电容式触摸屏生产商，专注于消费类电子市场，集研发，制造，销售，服务于一体，产品主要用于手机，车载导航（GPS），数码相机，MP4MP5等。12/27/20094748产品开发历程o 在产品开发过程中，由于互电容的IC 当时仅有两家出品并且不对外开放，所以我们在09年5 月前都集中开发基于自电容IC 的触摸屏，在开发过程中有几个问题比较难：n 结构问题n自电容要求X 轴与Y 轴离LENS 表面的距离差不能太大，如果太大，X 轴与Y 轴的信号强度会相差很远，运用时几乎不能实现。于是不能采用IPHONE 手机上采

22、用的结构(DITO) ，只能采用SITO 结构和FILM 结构。nSITO 结构在制程上比较简单，但是在做静电测试时，其搭桥的底端几乎很难通过6K 的静电，较易被静电击伤，造成缺功能，产品的一致性没有保障。尽管先用高压静电测试功能片，合格的才用来装机，仍有一定比例的产品在使用过程中断桥。所以此种结构虽然可以配合自电容和互电容两种IC，制程也简单，但对于高品质要求的产品不适用。12/27/20094849产品开发历程nFILM 结构在制程上也比较简单，几乎所有做电阻屏的厂家都可以制作。这种结构适用于自电容和互电容两种IC，但有几个问题与材料有较大关系。第一， 用高电阻FILM 很难实现IC 需要的电阻范围。用低电阻FILM 可以实现IC 需要的电阻范围，但字影（ITO 的影子）会很严重。第二， 透过率会较低。最好的FILM 的透过率约90%，在制作过程中约需要三层FILM. 第三， 由于电极引线只能用印刷方式，所以功能片边缘离功能区要比较宽才可以，这对手机设计上有较多制约，而大屏幕手机大都要求边很窄。第四， 制程中的小缺陷（小划伤、小脏点）较难避免nDITO 结构：制程较复杂。主要问题是制作过程中的保护，所以工序特别多；对位精度要求特别高，需要至少5 微米。另外的难点是保证两面都要十分洁净。经过长期的摸索后，现在可以稳定量产。12/27/20094950