简述电容式触摸屏系统设计中需要实际考虑的问题

时间:2011-08-24

 

  电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层,再在导体层外加上一块保护玻璃,双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极,在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时,由于人体电场,手指与导体层间会形成一个耦合电容,四边电极发出的电流会流向触点,而电流强弱与手指到电极的距离成正比,位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱,准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器,更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响,就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍,电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。由于电容随温度、湿度或接地情况的不同而变化,故其稳定性较差,往往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。

  电容式触摸屏虽然自iphone出现后才成为受人瞩目的触摸屏技术,但是电容式触摸屏已经20多岁了。早期美国的3M公司垄断了电容式触摸板的国际市场,数年前由于该的到期,触摸元件制造商纷纷加入开发电容式触摸屏产品中,苹果公司推出iphone、itouch等产品成了电容式触摸屏应用典范。电容式触摸屏分为表面电容式和投射电容式两大门派,投射电容式触摸屏的构造是以一层玻璃作为基层,在其上覆盖一层透明的导电薄膜层,接着在导体层上覆盖一块保护玻璃;电容式触摸屏的四边均镀上了狭长的电极,其内部形成一个低电压交流电场。在人没有与触摸屏碰触时,各个电极是同电位的。


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图1. 多点触摸屏可以接受用户的多种手势

  要评价一个设备的机械设计,必须解决几个关键问题:

  1. 防护层(触摸表面)是平面还是曲面?

  通常建议把电容式触摸屏安装在平板式触摸表面上。曲面会增加复杂性。要实现鲁棒的电容式触摸设计,透明的触摸传感器必须整齐地夹在防护层的下面。因压合不均匀而产生的任何气泡都会降低触摸性能并影响产品的美观。

  曲面防护层只能以PET(聚脂)作为触摸传感器的基底。塑料传感器可通过弯曲来适应防护层的外形。如果必须使用曲面的防护层,从反射的角度看,建议曲率不超过45度。曲率增大会增加压合工艺的难度,并可能损坏ITO(氧化铟锡)图案,进而可能会影响成品率。

  使用压敏粘合剂(PSA)来实现压合较为便宜,但它不能用于曲面防护层。要保证更好的压合完整性,可能须使用更为昂贵的UV固化粘合剂。UV粘合剂价格昂贵,但使用方便、粘合层薄,并具有非常高的光学品质(透明度大于95%)。

  2.防护层非工作区(不透明区)的边沿宽度为多少?

  对尺寸小于4英寸(10厘米)的触摸屏,触摸屏的边沿宽度,在触摸传感器尾线一侧应不窄于10mm,与尾线侧毗邻的两侧应不窄于3mm.这个边沿空间用于隐藏把透明的ITO图案链接到控制电路的非透明银质箔线并隐藏控制电路本身。对于使用玻璃基底的触摸屏,边沿的宽度或许可以做得更窄,但仍建议使用上述指导原则。图2 描述了这些指导原则。

 

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图2:对触摸屏非工作边沿区的要求

  3.保护层使用什么材料?

  在触摸屏工作区域内,保护层和任何装饰品都不能使用导电性材料。

  因为使用导电性材料会屏蔽电容传感器的电场,并极大地降低传感性能。保护层的厚度应为1mm或更薄。

  4.保护层底面与液晶显示模块(LCM)之间的距离是多少?

  由于便携通信设备外形纤巧,液晶模块(LCM)与保护层之间的间距需要重点考虑。必须有足够大的空间来安装薄的触摸屏传感器,另外还需要有足够大的气隙来避免触摸传感器受到来自LCM的电磁干扰。建议在触摸传感器基底和LCM之间至少留0.5mm的间隙。

  5.如何处理静电放电(ESD)?

  为防止在触摸表面上发生静电放电事件,必须设置一条贯穿整个设备的低阻抗接地路经。应使用放置在防护层非工作边界区中的接地环来保护触摸传感器。

  接地环可以是简单的金属箔。必须保证在接地环和设备的系统地之间存在可靠连接。

  在完成了机械评估之后,必须为触摸屏选择一个合适的基底。图3 显示了投射式电容触摸屏的一个典型ITO图案。


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图3:典型的ITO图案(红蓝表示两个不同的层)

  投射式电容触摸屏基底的两种主要材料是玻璃和PET(聚酯)。这两种材料各有优点,如果设备的机械设计对基底选择没有特殊要求,则应根据你的营销策略选择适合你的产品的基底。表1给出了两种基底的特性对比。


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表1:玻璃基底和PET基底的特性对比

  玻璃基底通常用于对光学性能和环境耐受力要求高的应用系统。在大多数应用中,玻璃基底触摸传感器与反射系数接近的钢化玻璃保护层搭配使用。另外,通常用防炫目、防反射和防划擦涂层对保护层进行处理,降低反射量并进一步提高光学性能。透明度用于定义通过某种材料的光线量。反射系数用于度量光线反射量。

  所有投射式触摸屏都包含图案状的透明ITO导体。理想情况下,ITO图案的反射率等于没有ITO图案的箔线间隙的反射率,这样能保证导电的ITO箔线不可见。玻璃触摸传感器和保护层也可以通过化学处理来提高抗跌落冲击的能力。同PET相比,玻璃基底的投射式电容系统通常更昂贵。

  使用PET基底的主要好处是薄、压合成品率高且结构更轻。当然,PET触摸屏系统的成本大大低于类似的玻璃基底方案。薄膜基底通常与相对便宜的PMMA保护膜配合,这种保护膜强度低,表面易于被划伤。

  为了了解在PET和玻璃触摸传感器之间的成本差异,有必要考察两者在不同制造阶段的成品率。在触摸传感器的制造过程中,ITO被喷覆在玻璃/PET基底上,在基底表面形成细密的ITO沉积薄层。然后,需要制造一个用于生成ITO图案的光掩膜,为下一个处理阶段做准备。

  在蚀刻工艺中使用光掩膜来清除不要的ITO,产生所要求的ITO图案。对于双基底投射式电容触摸屏来说,坏情况下的制造成品率由下列方程给出。

  成品率投射式=喷覆成品率x蚀刻(X)成品率x喷覆成品率x蚀刻(Y) 成品率+压合成品率

  生产经验表明:

  喷覆成品率(PET)>喷覆成品率(玻璃)

  蚀刻成品率(PET)>蚀刻成品率(玻璃)

  压合成品率(PET)>压合成品率(玻璃)

  另外,为提高玻璃触摸传感器的机械强度而进行的化学处理工艺也将潜在地影响其成品率,而基于PET的方案则不涉及这个问题。

  电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏,当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。电容屏反光严重,而且,电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀,存在色彩失真的问题,由于光线在各层间的反射,还造成图像字符的模糊。

  电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用,当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时,流走的电流就足够引起电容屏的误动作。   我们知道,电容值虽然与极间距离成反比,却与相对面积成正比,并且还与介质的的绝缘系数有关。因此,当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作,在潮湿的天气,这种情况尤为严重,手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。 电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应,这是因为增加了更为绝缘的介质。

  电容屏更主要的缺点是漂移:当环境温度、湿度改变时,环境电场发生改变时,都会引起电容屏的漂移,造成不准确。例如:开机后显示器温度上升会造成漂移:用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移;电容触摸屏附近较大的物体搬移后回漂移,你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移;电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足,环境电势面(包括用户的身体)虽然与电容触摸屏离得较远,却比手指头面积大的多,他们直接影响了触摸位置的测定。

  此外,理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性,如:体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的,而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系,电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点,漂移后控制器不能察觉和恢复,而且,4个A/D完成后,由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点,电容屏的漂移是累积的,在工作现场也经常需要校准。 电容触摸屏外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好,但是怕指甲或硬物的敲击,敲出一个小洞就会伤及夹层ITO,不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层,电容屏就不能正常工作了。

 


  
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