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(jī)、平板電腦、電腦觸摸板等。其原理基于電容的變化來(lái)檢測(cè)和感應(yīng)觸摸操作。以下是對(duì)電容式觸摸感應(yīng)技術(shù)原理的詳細(xì)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(guò)人體的電流感應(yīng)實(shí)現(xiàn)工作。它由四層復(fù)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(hù)。夾層ITO涂層作為工作面，并引出四個(gè)電極于四個(gè)角落，同時(shí)內(nèi)層ITO作為屏蔽層，確保良好的工作環(huán)境。當(dāng)手指觸摸金屬層時(shí)，因人體電場(chǎng)與觸摸屏表面形成耦合電容，高頻電流通過(guò)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^(guò)精確計(jì)算這些電流比例，從而確定觸摸點(diǎn)的位置。

此外，電容屏實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控的原理在于增加互電容電極。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將屏幕劃分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域設(shè)置一組獨(dú)立工作的互電容模塊。這樣，電容屏能獨(dú)立檢測(cè)各區(qū)域的觸控情況，并經(jīng)處理后實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能。

一、電容的基本概念

電容是指電荷存儲(chǔ)和分布的能力，是電場(chǎng)中電荷存儲(chǔ)量的度量。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體之間存在電場(chǎng)時(shí)，它們之間會(huì)形成一個(gè)電容。電容的大小取決于導(dǎo)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(lái)檢測(cè)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(gè)或多個(gè)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?chē)⑴c電容感應(yīng)電路連接。這些電極形成了一個(gè)電場(chǎng)，當(dāng)觸摸發(fā)生時(shí)，電場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。

2. 觸摸操作與電容變化

當(dāng)用戶觸摸觸摸面板上的某個(gè)位置時(shí)，人體或物體會(huì)作為一個(gè)導(dǎo)體進(jìn)入傳感電極的感應(yīng)范圍。由于人體或物體具有導(dǎo)電性，它們會(huì)改變觸摸位置周?chē)碾妶?chǎng)分布，從而導(dǎo)致該位置的電容發(fā)生變化。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)手指接近或接觸觸摸屏?xí)r，會(huì)形成一個(gè)新的電容耦合路徑，這個(gè)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(cè)

電容感應(yīng)電路會(huì)不斷地測(cè)量和監(jiān)測(cè)傳感電極與接地之間的電容變化。當(dāng)有觸摸操作發(fā)生時(shí)，觸摸位置的電容變化會(huì)導(dǎo)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(hào)。

4. 信號(hào)處理和定位

電容感應(yīng)電路將測(cè)量到的電容變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，通過(guò)信號(hào)處理器進(jìn)行處理。處理器會(huì)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(gè)過(guò)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(guò)復(fù)雜的算法處理，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別出觸摸點(diǎn)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(jiàn)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(gè)引腳并測(cè)量該引腳和電源地之間的電容。當(dāng)手指放在傳感器上時(shí)，系統(tǒng)的電容會(huì)增加，因此其電壓也會(huì)增加。通過(guò)實(shí)測(cè)電壓的變化即可檢測(cè)是否有手指進(jìn)行觸摸。這種技術(shù)一般用于單點(diǎn)觸摸或滑條等簡(jiǎn)單應(yīng)用。

2. 互電容感應(yīng)

互電容感應(yīng)技術(shù)使用兩個(gè)電容：一個(gè)為發(fā)送電極(TX)，一個(gè)為接收電極(RX)。TX引腳提供數(shù)字電壓并測(cè)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(gè)電極間的互電容成正比。當(dāng)手指放在TX和RX電極之間時(shí)，互電容會(huì)降低，因此RX電極上接收到的電荷也會(huì)降低。通過(guò)檢測(cè)RX電極上的電荷變化可以判斷觸摸/無(wú)觸摸狀態(tài)以及觸摸點(diǎn)的位置。這種技術(shù)支持多點(diǎn)觸控和更復(fù)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(dāng)人體部分接觸到屏幕時(shí)，會(huì)改變屏幕下的電容分布，進(jìn)而產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)觸控，為用戶帶來(lái)了便捷且直觀的操作體驗(yàn)。同時(shí)，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(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)。

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(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，它與觸摸屏表面之間會(huì)形成一個(gè)耦合電容。由于電容的容抗與信號(hào)頻率成反比，即頻率越高，阻抗越小，因此高頻電流會(huì)流過(guò)這個(gè)電容。此時(shí)，手指觸摸的動(dòng)作會(huì)從觸摸點(diǎn)吸走微小的電流，而屏幕上的控制器會(huì)檢測(cè)到這種微小的電流變化，從而識(shí)別出觸摸動(dòng)作并確定觸摸的坐標(biāo)。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(dú)特的應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。

電容觸摸屏可依據(jù)其結(jié)構(gòu)和原理的不同，進(jìn)一步細(xì)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(dǎo)電膜。該膜上，通過(guò)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(dǎo)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(dǎo)電涂層的四個(gè)角落引出四個(gè)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(shí)，屏幕表面維持著一個(gè)均勻的電場(chǎng)。一旦人體手指或任何其他導(dǎo)電物體與屏表面接觸，屏上的電荷便會(huì)通過(guò)人體流入大地。為了補(bǔ)償這一電荷損失，位于屏幕四個(gè)角落的電極會(huì)開(kāi)始向觸摸點(diǎn)發(fā)送電荷。這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的電流大小與觸摸點(diǎn)到四個(gè)角落的距離成反比?？刂破魍ㄟ^(guò)監(jiān)測(cè)這些電流值，便能精準(zhǔn)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(diǎn)觸摸的識(shí)別。

4. 投射式電容觸摸屏

3.1 自電容檢測(cè)式

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

對(duì)于單點(diǎn)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(diǎn)的橫坐標(biāo)。接著掃描Y軸以確定縱坐標(biāo)，進(jìn)而得到精確的觸摸位置。而在兩點(diǎn)觸摸且這兩點(diǎn)不在同一X軸或同一Y軸上時(shí)，控制器雖然能分別獲取兩個(gè)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，但組合起來(lái)會(huì)產(chǎn)生四個(gè)可能的坐標(biāo)點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確判斷哪個(gè)是真實(shí)的觸摸點(diǎn)，即出現(xiàn)“鬼點(diǎn)”現(xiàn)象。如上圖所示，其中兩黑色點(diǎn)為真實(shí)的觸摸點(diǎn)，而紅色叉點(diǎn)則為誤判的“鬼點(diǎn)”。

自電容檢測(cè)式電容屏的結(jié)構(gòu)原理相對(duì)簡(jiǎn)單，掃描速度也相當(dāng)迅速。然而，它所測(cè)量的是單個(gè)電極的電容，而非電極交叉點(diǎn)的電容。這一局限性使得它無(wú)法準(zhǔn)確偵測(cè)多點(diǎn)觸摸的情況。

3.2 互電容檢測(cè)式

互電容檢測(cè)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(guò)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(guò)這種方式，觸摸屏在激活某一行驅(qū)動(dòng)電極后，會(huì)依次掃描每一列的感應(yīng)電極，從而檢測(cè)出與該行驅(qū)動(dòng)電極所形成的耦合電容。這樣的掃描方式意味著在整個(gè)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(cè)式不僅能夠識(shí)別多點(diǎn)觸摸，還能有效避免鬼點(diǎn)現(xiàn)象。

手指觸摸屏幕后，會(huì)使得觸摸位置電極間的部分電荷被大地吸收，進(jìn)而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電極與感應(yīng)電極之間的電容減小。控制器會(huì)檢測(cè)到這一電容的減小，這與自電容檢測(cè)式的情況正好相反?？刂破鲿?huì)進(jìn)一步處理這種互電容的減小量，從而計(jì)算出觸碰點(diǎn)的坐標(biāo)。只有當(dāng)變化量超過(guò)特定閾值時(shí)，才會(huì)被視為有效觸摸。

互電容檢測(cè)方式的電容觸摸屏，能夠真正實(shí)現(xiàn)無(wú)鬼點(diǎn)的多點(diǎn)觸控識(shí)別，但其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，功耗較高，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，并且在抗噪能力方面不及自電容。

5. 微小電容檢測(cè)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(jí)別，但其檢測(cè)精度對(duì)觸摸屏的觸摸靈敏度和準(zhǔn)確度產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(shí)間T或頻率f等易于測(cè)量的物理量進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)前，三種主流的電容變化量檢測(cè)技術(shù)包括充電傳輸測(cè)量法、張弛振蕩器法以及電荷轉(zhuǎn)移法。

4.1 充電傳輸測(cè)量法

充電傳輸測(cè)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(guò)開(kāi)關(guān)K1將感應(yīng)電極Cp與VDD相連，對(duì)其施加電壓進(jìn)行充電。之后，斷開(kāi)K1并利用開(kāi)關(guān)K2將Cp中存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移至電容值較大的采樣電容Cs中。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，可以確定感應(yīng)電極上的實(shí)際電容值。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，Cp的電容值會(huì)有所增大，通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出電壓Vout達(dá)到Vref所需的時(shí)間，即可精確測(cè)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(guò)電容的持續(xù)充放電來(lái)產(chǎn)生振蕩。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，原本由VDD通過(guò)電阻R為電容Cp充電的過(guò)程會(huì)受到影響，因?yàn)橛|摸使得Cp的電容值增大，進(jìn)而導(dǎo)致充電時(shí)間延長(zhǎng)。測(cè)量電路通過(guò)監(jiān)測(cè)輸出信號(hào)的頻率和周期的變化，可以識(shí)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(guò)電阻R進(jìn)行充電，直至其電壓達(dá)到比較器輸入?yún)⒖茧妷篤ref，這一過(guò)程所需的時(shí)間為t1。然而，當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)，由于觸摸使得電容Cp的電容值增大，進(jìn)而導(dǎo)致充電時(shí)間延長(zhǎng)，從t2開(kāi)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(guò)開(kāi)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(cè)量，因此通過(guò)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。