電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代觸摸屏設(shè)備中的技術(shù)，如智能手機、平板電腦、電腦觸摸板等。其原理基于電容的變化來檢測和感應(yīng)觸摸操作。以下是對電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理的詳細闡述，旨在以清晰、結(jié)構(gòu)化的方式呈現(xiàn)相關(guān)信息。

電容式觸摸屏技術(shù)通過人體的電流感應(yīng)實現(xiàn)工作。它由四層復合玻璃屏組成，內(nèi)表面和夾層均覆蓋一層ITO，外層則由薄層矽土玻璃保護。夾層ITO涂層作為工作面，并引出四個電極于四個角落，同時內(nèi)層ITO作為屏蔽層，確保良好的工作環(huán)境。當手指觸摸金屬層時，因人體電場與觸摸屏表面形成耦合電容，高頻電流通過該電容被手指吸走，形成微小電流。這些電流從觸摸屏四角電極流出，比例與手指到四角的距離成正比?？刂破魍ㄟ^精確計算這些電流比例，從而確定觸摸點的位置。

此外，電容屏實現(xiàn)多點觸控的原理在于增加互電容電極。簡單來說，就是將屏幕劃分為多個區(qū)域，每個區(qū)域設(shè)置一組獨立工作的互電容模塊。這樣，電容屏能獨立檢測各區(qū)域的觸控情況，并經(jīng)處理后實現(xiàn)多點觸控功能。

一、電容的基本概念

電容是指電荷存儲和分布的能力，是電場中電荷存儲量的度量。當兩個導體之間存在電場時，它們之間會形成一個電容。電容的大小取決于導體之間的距離、面積以及介質(zhì)的介電常數(shù)。在電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)中，這種電容的變化被用來檢測和定位觸摸操作。

二、電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的原理

1. 傳感電極陣列

在電容式觸摸感應(yīng)中，觸摸屏或觸摸面板上布置了一個或多個傳感電極。這些傳感電極通常被安裝在觸摸面板的下方或周圍，并與電容感應(yīng)電路連接。這些電極形成了一個電場，當觸摸發(fā)生時，電場會發(fā)生變化。

2. 觸摸操作與電容變化

當用戶觸摸觸摸面板上的某個位置時，人體或物體會作為一個導體進入傳感電極的感應(yīng)范圍。由于人體或物體具有導電性，它們會改變觸摸位置周圍的電場分布，從而導致該位置的電容發(fā)生變化。具體來說，當手指接近或接觸觸摸屏時，會形成一個新的電容耦合路徑，這個路徑與原有的電容系統(tǒng)并聯(lián)，使得總電容增加。

3. 電容變化檢測

電容感應(yīng)電路會不斷地測量和監(jiān)測傳感電極與接地之間的電容變化。當有觸摸操作發(fā)生時，觸摸位置的電容變化會導致電容感應(yīng)電路中的電壓或電荷發(fā)生變化。這種變化被電容感應(yīng)電路捕捉并轉(zhuǎn)化為電信號。

4. 信號處理和定位

電容感應(yīng)電路將測量到的電容變化轉(zhuǎn)化為電信號后，通過信號處理器進行處理。處理器會分析電容變化的模式和特征，以確定觸摸的位置和相關(guān)的觸摸參數(shù)。這個過程通常包括濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)以及算法處理等步驟。通過復雜的算法處理，系統(tǒng)能夠準確地識別出觸摸點的位置、大小、形狀以及觸摸的力度等信息。

三、電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)的類型

電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)根據(jù)感應(yīng)方式的不同可以分為多種類型，其中最常見的是自電容感應(yīng)和互電容感應(yīng)。

1. 自電容感應(yīng)

自電容感應(yīng)技術(shù)使用一個引腳并測量該引腳和電源地之間的電容。當手指放在傳感器上時，系統(tǒng)的電容會增加，因此其電壓也會增加。通過實測電壓的變化即可檢測是否有手指進行觸摸。這種技術(shù)一般用于單點觸摸或滑條等簡單應(yīng)用。

2. 互電容感應(yīng)

互電容感應(yīng)技術(shù)使用兩個電容：一個為發(fā)送電極(TX)，一個為接收電極(RX)。TX引腳提供數(shù)字電壓并測量RX引腳上所接收到的電荷。在RX電極上接收到的電荷與兩個電極間的互電容成正比。當手指放在TX和RX電極之間時，互電容會降低，因此RX電極上接收到的電荷也會降低。通過檢測RX電極上的電荷變化可以判斷觸摸/無觸摸狀態(tài)以及觸摸點的位置。這種技術(shù)支持多點觸控和更復雜的觸摸操作。

1.電容觸摸屏的工作原理及類型概覽

電容觸摸屏，一種廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備中的輸入技術(shù)，其工作原理基于人體的電容特性。當人體部分接觸到屏幕時，會改變屏幕下的電容分布，進而產(chǎn)生電流，從而實現(xiàn)對屏幕的觸控操作。這種技術(shù)不僅響應(yīng)速度快，而且支持多點觸控，為用戶帶來了便捷且直觀的操作體驗。同時，電容觸摸屏還具有多種類型，如投射式電容觸摸屏、表面聲波觸摸屏等，每種類型都有其獨特的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。

2. 電容觸摸屏的工作原理及分類

電容觸摸屏的核心原理在于人體電流感應(yīng)與電荷轉(zhuǎn)移。當手指觸摸屏幕時，它與觸摸屏表面之間會形成一個耦合電容。由于電容的容抗與信號頻率成反比，即頻率越高，阻抗越小，因此高頻電流會流過這個電容。此時，手指觸摸的動作會從觸摸點吸走微小的電流，而屏幕上的控制器會檢測到這種微小的電流變化，從而識別出觸摸動作并確定觸摸的坐標。此外，電容觸摸屏還具有多種類型，如投射式、表面聲波式等，每種類型都有其獨特的應(yīng)用和優(yōu)勢。

電容觸摸屏可依據(jù)其結(jié)構(gòu)和原理的不同，進一步細分為表面式和投射式兩大類。其中，投射式電容屏又包含自電容式和互電容式兩種類型，二者在構(gòu)造和工作原理上有所差異，如圖所示。

3. 表面電容式觸摸屏

表面電容式觸摸屏的典型結(jié)構(gòu)是在玻璃基板上覆蓋一層高阻PVD透明導電膜。該膜上，通過絲網(wǎng)印刷銀漿工藝制成的線性圖形(常稱為總線)與透明導電薄膜相連通，而另一端則與彎曲的尾部相連。最終，這些尾部再與屏幕的控制器相接，從而構(gòu)成完整的觸摸屏系統(tǒng)。

從導電涂層的四個角落引出四個電極，并與控制器相連結(jié)，其工作原理可參考下圖所示的原理圖。

在未被觸摸時，屏幕表面維持著一個均勻的電場。一旦人體手指或任何其他導電物體與屏表面接觸，屏上的電荷便會通過人體流入大地。為了補償這一電荷損失，位于屏幕四個角落的電極會開始向觸摸點發(fā)送電荷。這個過程中產(chǎn)生的電流大小與觸摸點到四個角落的距離成反比?？刂破魍ㄟ^監(jiān)測這些電流值，便能精準地判斷出觸摸的位置。值得注意的是，表面式電容屏主要適用于單點觸摸的識別。

4. 投射式電容觸摸屏

3.1 自電容檢測式

自電容掃描方式是利用單個電極自身的電容，其中一端與激勵信號相連，另一端則接地。在ITO導電涂層上，縱橫交叉的電極結(jié)構(gòu)呈垂直排列。當手指觸碰屏幕時，會形成一個新的手指對地的電容Cf，而這個電容與原有的電極對地電容Cp是并聯(lián)關(guān)系，因此總電容會增加。在掃描過程中，系統(tǒng)會先逐個掃描橫向電極，再逐個掃描縱向電極，即完成(X+Y)次掃描，且掃描速度相當迅速。

對于單點觸摸，系統(tǒng)首先掃描X軸以找到電容變化的位置，從而確定觸摸點的橫坐標。接著掃描Y軸以確定縱坐標，進而得到精確的觸摸位置。而在兩點觸摸且這兩點不在同一X軸或同一Y軸上時，控制器雖然能分別獲取兩個點的橫縱坐標，但組合起來會產(chǎn)生四個可能的坐標點，導致無法準確判斷哪個是真實的觸摸點，即出現(xiàn)“鬼點”現(xiàn)象。如上圖所示，其中兩黑色點為真實的觸摸點，而紅色叉點則為誤判的“鬼點”。

自電容檢測式電容屏的結(jié)構(gòu)原理相對簡單，掃描速度也相當迅速。然而，它所測量的是單個電極的電容，而非電極交叉點的電容。這一局限性使得它無法準確偵測多點觸摸的情況。

3.2 互電容檢測式

互電容檢測式的工作原理是利用行列電極交叉所形成的耦合電容。在掃描過程中，橫向電極被設(shè)定為耦合電容的上極板，而縱向電極則作為下極板。通過這種方式，觸摸屏在激活某一行驅(qū)動電極后，會依次掃描每一列的感應(yīng)電極，從而檢測出與該行驅(qū)動電極所形成的耦合電容。這樣的掃描方式意味著在整個屏幕上完成一次掃描需要(X*Y)次操作。值得一提的是，互電容檢測式不僅能夠識別多點觸摸，還能有效避免鬼點現(xiàn)象。

手指觸摸屏幕后，會使得觸摸位置電極間的部分電荷被大地吸收，進而導致驅(qū)動電極與感應(yīng)電極之間的電容減小。控制器會檢測到這一電容的減小，這與自電容檢測式的情況正好相反?？刂破鲿M一步處理這種互電容的減小量，從而計算出觸碰點的坐標。只有當變化量超過特定閾值時，才會被視為有效觸摸。

互電容檢測方式的電容觸摸屏，能夠真正實現(xiàn)無鬼點的多點觸控識別，但其結(jié)構(gòu)相對復雜，功耗較高，掃描時間較長，并且在抗噪能力方面不及自電容。

5. 微小電容檢測技術(shù)

觸摸屏Sensor的互電容變化量因觸摸而引發(fā)，這種變化量微小至pF級別，但其檢測精度對觸摸屏的觸摸靈敏度和準確度產(chǎn)生深遠影響。為此，觸摸屏控制系統(tǒng)需掌握這一核心技術(shù)。電容通常被轉(zhuǎn)換為電壓V、電流I、周期時間T或頻率f等易于測量的物理量進行測量。當前，三種主流的電容變化量檢測技術(shù)包括充電傳輸測量法、張弛振蕩器法以及電荷轉(zhuǎn)移法。

4.1 充電傳輸測量法

充電傳輸測量法基于電荷保持原理，其基本原理示意圖如下。該方法通過開關(guān)K1將感應(yīng)電極Cp與VDD相連，對其施加電壓進行充電。之后，斷開K1并利用開關(guān)K2將Cp中存儲的電荷轉(zhuǎn)移至電容值較大的采樣電容Cs中。經(jīng)過多次測量，可以確定感應(yīng)電極上的實際電容值。當手指觸摸屏幕時，Cp的電容值會有所增大，通過監(jiān)測輸出電壓Vout達到Vref所需的時間，即可精確測量觸摸屏電容的變化量。

4.2 弛張振蕩器法

弛張振蕩器，主要由比較器和外部電阻組成，其工作原理是通過電容的持續(xù)充放電來產(chǎn)生振蕩。當手指觸摸屏幕時，原本由VDD通過電阻R為電容Cp充電的過程會受到影響，因為觸摸使得Cp的電容值增大，進而導致充電時間延長。測量電路通過監(jiān)測輸出信號的頻率和周期的變化，可以識別出是否發(fā)生了有效的觸摸操作。

在未受到觸摸的情況下，電容Cp由VDD通過電阻R進行充電，直至其電壓達到比較器輸入?yún)⒖茧妷篤ref，這一過程所需的時間為t1。然而，當手指觸摸屏幕時，由于觸摸使得電容Cp的電容值增大，進而導致充電時間延長，從t2開始到t3結(jié)束。這種周期性的充電和放電行為，就構(gòu)成了弛張振蕩器的工作原理。

4.3 電荷轉(zhuǎn)移法

電荷轉(zhuǎn)移法是一種通過開關(guān)控制，將觸摸屏感應(yīng)電容上的電荷轉(zhuǎn)移到外部電容上的技術(shù)。由于外部電路的電容易于測量，因此通過觀察外部電路上電容兩端電壓值的變化，可以判斷是否有手指觸摸。