電容式觸摸屏設(shè)計(jì)規(guī)范精典

1、電容式觸摸屏設(shè)計(jì)規(guī)范      【導(dǎo)讀】：本文簡(jiǎn)單介紹了電容屏方面的相關(guān)知識(shí)，正文主要分為電子設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。電子設(shè)計(jì)部分包含了原理介紹、電路設(shè)計(jì)等方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分包好了外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原料用材、供應(yīng)商工藝等方面【名詞解釋】1.  V.A區(qū)：裝機(jī)后可看到的區(qū)域，不能出現(xiàn)不透明的線路及色差明顯的區(qū)域等。2. A.A區(qū)：可操作的區(qū)域，保證機(jī)械性能和電器性能的區(qū)域。 3. ITO：Indium Tin Oxide氧化銦錫。涂鍍?cè)贔ilm或Glass上的導(dǎo)電材料。4. ITO FILM：有導(dǎo)電功能的透明PET膠片。5. ITO GAL

2、SS：導(dǎo)電玻璃。6. OCA：Optically Clear Adhesive光學(xué)透明膠。7. FPC:可撓性印刷電路板。8. Cover Glass（lens）：表面裝飾用的蓋板玻璃。9. Sensor：裝飾玻璃下面有觸摸功能的部件。（Flim Sensor OR Glass Sensor） 【電子設(shè)計(jì)】一、電容式觸摸屏簡(jiǎn)介      電容式觸摸屏即Capacitive Touch Panel（Capacitive Touch Screen），簡(jiǎn)稱CTP。根據(jù)其驅(qū)動(dòng)原理不同可分為自電容式CTP和互電容式CTP，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同可分為

3、單點(diǎn)觸摸CTP和多點(diǎn)觸摸CTP。1、實(shí)現(xiàn)原理      電容式觸摸屏的采用多層ITO膜，形成矩陣式分布，以X、Y交叉分布作為電容矩陣，當(dāng)手指觸碰屏幕時(shí)，通過(guò)對(duì)X、Y軸的掃描，檢測(cè)到觸碰位置的電容變化，進(jìn)而計(jì)算出手指觸碰點(diǎn)位置。電容矩陣如下圖1所示。             圖1 電容分布矩陣 電容變化檢測(cè)原理示意簡(jiǎn)介如下所示：名詞解釋：0：真空介電常數(shù)。1 、2：不同介質(zhì)相對(duì)真空狀態(tài)下的介電常數(shù)。S1、d1、S2、d2分別為形

4、成電容的面積及間距。                              圖2 觸摸與非觸摸狀態(tài)下電容分布示意 非觸控狀態(tài)下：C=Cm1=10S1/d1觸控狀態(tài)下：C=Cm1*Cmg/(Cm1+Cmg)，Cm1=10S1/d1，Cmg=Cm1=20S2/d2電容觸摸驅(qū)動(dòng)IC會(huì)根據(jù)非觸控狀態(tài)下的電容值與觸

5、控狀態(tài)下的電容值的差異來(lái)判斷是否有觸摸動(dòng)作并定位觸控位置。 2、自電容與互電容      自電容式CTP是利用單個(gè)電極自身的電容變化傳輸電荷，由一端接地，另一端接激勵(lì)或采樣電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電容的識(shí)別（測(cè)量信號(hào)線本身的電容）。自電容式CTP的坐標(biāo)檢測(cè)是依次檢測(cè)橫向和縱向電極陣列，根據(jù)觸摸前后電容變化分別確定橫向和縱向坐標(biāo)，然后組合成平面坐標(biāo)確定觸摸位置。當(dāng)觸摸點(diǎn)只有一個(gè)時(shí)，組合后的坐標(biāo)也是唯一的一個(gè)，可以準(zhǔn)確定位；當(dāng)觸摸點(diǎn)有兩個(gè)時(shí)，橫向和縱向分別有兩個(gè)坐標(biāo)，兩兩組合后出現(xiàn)四組坐標(biāo)，其中只有兩個(gè)時(shí)真實(shí)觸摸點(diǎn)，另兩個(gè)就是屬稱的“鬼點(diǎn)”。所以自電容

6、式CTP無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)觸摸。      互電容式CTP失利用兩個(gè)電極進(jìn)行傳輸電荷，一端接激勵(lì)，另一端接采樣電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電容的識(shí)別（測(cè)量垂直相交的兩個(gè)信號(hào)之間的電容）?；ル娙菔紺TP坐標(biāo)檢測(cè)也是檢測(cè)橫向和縱向電極陣列，不同的是它是由橫向依次發(fā)送激勵(lì)而縱向同時(shí)接收信號(hào)，這樣可以得到所有橫向和縱向交匯點(diǎn)的電容值，根據(jù)電容值的變化可以計(jì)算出每一個(gè)觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)，這樣即使有多個(gè)觸摸點(diǎn)也能計(jì)算出每個(gè)觸摸點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。所以互電容式CTP可以實(shí)現(xiàn)真實(shí)多點(diǎn)觸控。      自電容的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、計(jì)算量小，缺點(diǎn)是單點(diǎn)

7、、速度慢；互電容的優(yōu)點(diǎn)是真實(shí)多點(diǎn)、速度快，缺點(diǎn)是復(fù)雜、功耗大、成本高。 3、結(jié)構(gòu)及材料使用 二、驅(qū)動(dòng)IC簡(jiǎn)介      電容屏驅(qū)動(dòng)IC是電容屏工作處理的主體，是采集觸摸動(dòng)作信息和反饋信息的載體，IC采用電容屏工作的原理采集觸摸信息并通過(guò)內(nèi)部MPU對(duì)信息進(jìn)行分析處理從而反饋終端所需資料進(jìn)行觸摸控制。IC與外部連接是通過(guò)對(duì)外的引腳進(jìn)行的，電容屏驅(qū)動(dòng)IC廠家眾多，各自的設(shè)計(jì)也不盡相同，但是基本原理也是大同小異，因此個(gè)驅(qū)動(dòng)IC的芯片引腳也比較類似，只有個(gè)別引腳是各自功能中特殊的設(shè)計(jì)，如下對(duì)電容屏驅(qū)動(dòng)IC的引腳做一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明。驅(qū)動(dòng)信

8、號(hào)線：即Driver或TX，是電容屏的電容驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出腳。感應(yīng)信號(hào)線：即Sensor或RX，是電容屏的電容感應(yīng)信號(hào)輸入腳。電源電壓：分模擬電源電壓和數(shù)字電源電壓。模擬電壓范圍一般為2.6V3.6V，典型值為2.8V和3.3V；數(shù)字電壓即電平電壓為1.8V3.3V，由主板端決定。電容屏設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)為單電源和雙電源兩種模式，目前以單電源供電為主（可以減少接口管腳數(shù)）。GND：也分為模擬地和數(shù)字地兩種，一般兩種地共用，特殊情況下需將兩種地分開(kāi)以減少兩種地之間的串?dāng)_現(xiàn)象。I2C接口：I2C接口包括I2C_SCL和I2C_SDA。I2C_SCL為時(shí)鐘輸入信號(hào)，I2C_SDA為數(shù)據(jù)輸入輸出信號(hào)。SPI接口

9、：SPI接口包括SPI_SSEL、SPI_SCK、SPI_SDI、SPI_SDO。SPI_SSEL為片選信號(hào)，低電平有效；SPI_SCK為時(shí)鐘輸入信號(hào)；SPI_SDI為數(shù)據(jù)輸入信號(hào)；SPI_SDO為數(shù)據(jù)輸出信號(hào)。RESET：芯片復(fù)位信號(hào)，低電平有效。WACK：芯片喚醒信號(hào)。TEXT_EN：測(cè)試模式使能信號(hào)。GPIO0N：綜合功能輸入輸出IO口。VREF：基準(zhǔn)參考電壓。VDD5：內(nèi)部產(chǎn)生的5V工作電壓。以上引腳定義沒(méi)有包含全部的驅(qū)動(dòng)IC的功能，如LED、Sensor_ID、Key_Sensor等特殊功能作用的管腳，這些管腳需根據(jù)具體IC確認(rèn)其具體作用及用法。  三、ITO圖形

10、設(shè)計(jì)ITO可蝕刻成不同的圖形，不過(guò)造價(jià)師相同的，而且很難講哪個(gè)圖像比其他圖形工作效率高，因?yàn)橛|摸屏必須與電子間配合才能發(fā)揮作用。I-phone采用的圖形是最簡(jiǎn)單的一種，即在ITO在玻璃一面為橫向電極，在另一面為縱向電極，此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單巧妙但幾何學(xué)要求特別的工藝電能來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)確的焦點(diǎn)。                   圖3 I-phone Pattern       閉路

11、鎖合的鉆石形Pattern是最常見(jiàn)的ITO圖形，45°角的軸線組成菱形塊，每個(gè)菱形塊通過(guò)小橋連接，此圖形用于兩片玻璃，一片是橫向菱形排，另一片是縱向的菱形列，導(dǎo)電圖形在玻璃內(nèi)側(cè)，行與列對(duì)應(yīng)鎖定后貼合。菱形圖形大小不一，取決于制造商，但基本在4-8mm之間，幾乎所有電子控制器（CTP控制IC）都可用于此圖形。             圖4 菱形Pattern       復(fù)雜圖形的ITO圖形需要專用的電子控制器，有時(shí)需

12、要購(gòu)買許可。一些IC廠會(huì)根據(jù)自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)特定的Pattern，且為避免濫用或保護(hù)權(quán)利會(huì)申請(qǐng)圖形專利。目前基礎(chǔ)ITO Pattern有Diamond、Rectangle、Diamond& Rectangle、Hexagon等。 四、布局設(shè)計(jì)要求      根據(jù)驅(qū)動(dòng)IC的放置位目前可分為COF、COB兩種方式。      COF即Chip on FPC，作為終端導(dǎo)向方式被廣泛應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)方式可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果和市場(chǎng)變化在不更改主板的情況下更換電容屏設(shè)計(jì)方案，可兼容多種電容屏驅(qū)動(dòng)

13、IC設(shè)計(jì)方案。缺點(diǎn)是前期和后期調(diào)試工作量大，備料周期長(zhǎng)。      COB即Chip on Board，將驅(qū)動(dòng)IC融合在主板端帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是主板和電容屏驅(qū)動(dòng)IC方案確定后不能隨意更改設(shè)計(jì)方案，因?yàn)殡娙萜硫?qū)動(dòng)IC基本都不是PIN to PIN兼容的，更換方案意味著重新布局相關(guān)的主板設(shè)計(jì)。COB方案的優(yōu)點(diǎn)成本降低，交期短，方便備料，前期設(shè)計(jì)和后期調(diào)試工作量小。無(wú)論是COF或COB方案都需要在布局走線時(shí)注意相關(guān)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)IC原廠建議以及供應(yīng)商的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)如下設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：1、關(guān)鍵器件布局    &

14、#160; 各組電源對(duì)應(yīng)的濾波電容需靠近芯片引腳放置，走線盡量短，如下為IC周圍元件布局示意圖：             圖5 元件布局示意圖       電容屏與主板連接端口周圍不要走高速信號(hào)線。對(duì)于COB方案，觸控IC盡量靠近Host IC。觸控IC及FPC出線路徑要求遠(yuǎn)離FM天線、ADV天線、DTV天線、GSM天線、GPS天線、BT天線等。與觸控IC相關(guān)器件盡量放進(jìn)屏蔽罩中，且盡可能采用單獨(dú)的屏蔽罩。觸控IC附近有開(kāi)關(guān)電

15、源電路、RF電路或其它邏輯電路時(shí)，需注意用地線隔離保護(hù)觸控IC、芯片電源、信號(hào)線等。      RF是手機(jī)中最大的干擾信號(hào)，因此對(duì)芯片與RF天線間的間距有一定要求：在頂部要求間距20mm，在底部要求間距10mm。適用于COF和COB方案。 2、布線      1）電源線盡量短、粗，寬度至少0.2mm，建議0.3mm。驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)信號(hào)線走線盡量短，減小驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)走線的環(huán)路面積。      驅(qū)動(dòng)IC未使用的驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)通道需懸空，不能接地或電源

16、。      對(duì)于COB方案，主板上的信號(hào)線走線盡量短，盡量接近與屏體的連接接口。建議將IC周圍的驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)信號(hào)按比例預(yù)留測(cè)試點(diǎn)，方便量產(chǎn)測(cè)試，最少需要各留兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)。I2C、SPI、INT、RESET等接口預(yù)留測(cè)試點(diǎn)，方便Debug。      2）用地線屏蔽驅(qū)動(dòng)通道，避免驅(qū)動(dòng)通道對(duì)Vref等敏感信號(hào)或電壓造成干擾。             圖6 驅(qū)動(dòng)通道的地線屏蔽 

17、0;      3）信號(hào)線（驅(qū)動(dòng)通道和感應(yīng)通道）建議平行走線，避免交叉走線。對(duì)于不同層走線的情況，避免兩面重合的平行走線方式（FPC的兩面重合平行走線會(huì)形成電容），相鄰的驅(qū)動(dòng)通道和感應(yīng)通道平行走線之間以寬度0.2mm的地線隔離，如下圖所示：             圖7 正確走線方式             圖8 錯(cuò)誤走線方式&

18、#160;      由于結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)通道必須交叉走線時(shí)，盡量減少交叉的面積（降低因走線而產(chǎn)生的結(jié)點(diǎn)電容，形成的電容與面積有關(guān)），強(qiáng)制建議交叉進(jìn)行垂直交叉走線，特別注意避免多次交叉。同時(shí)驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)走線寬度使用最小走線寬度（0.070.08mm）。               圖9 推薦走線方式（完全垂直）         &

19、#160;   圖10 錯(cuò)誤走線方式（非垂直走線）      對(duì)于COB方案的多層方案，建議驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)通道采用分層走線，且中間以地線屏蔽。      4）信號(hào)線（驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)通道）必須避免和通訊信號(hào)線（如I2C、SPI等）相鄰、近距離平行或交叉，以避免通訊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)造成干擾。對(duì)于距離較近的通訊信號(hào)線，需要用地線進(jìn)行屏蔽             圖11 平行

20、走線下地線屏蔽隔離             圖12 錯(cuò)誤走線方式（交叉）       5）地線及屏蔽保護(hù)      芯片襯底必須接地，襯底上需放置可靠的地線過(guò)孔，建議過(guò)孔數(shù)量48個(gè)。驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)通道壓合點(diǎn)兩側(cè)均須放置地線壓合點(diǎn)，空間允許情況下，驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)通道走線兩側(cè)必須放置地線，建議地線寬度0.2mm。       &#

21、160;     圖13 地線保護(hù)       FPC未走線區(qū)域需要灌銅，大面積灌銅能減小GND走線電阻，屏蔽外部干擾。建議采用網(wǎng)格狀灌銅，既起到屏蔽作用又不增加驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)線對(duì)地電容。建議網(wǎng)格銅規(guī)格：Grid=0.3mm，Track=0.1mm。無(wú)論COF或COB，連接Sensor和Guitar芯片的FPC，其信號(hào)線走線背面需鋪銅，同時(shí)建議增加接地的屏蔽膜。            圖14 接地屏蔽

22、膜      與主控板接口排線盡可能設(shè)置兩根0.2mm的地線，保證電氣可靠接地。如結(jié)構(gòu)允許，補(bǔ)強(qiáng)可用鋼板，若能保證鋼板可靠接地則效果更好。      6）設(shè)計(jì)參考      FPC設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵尺寸如下圖所示：             圖15 FPC關(guān)鍵尺寸示意圖      

23、;       FPC走線禁止直角或折線，折彎處需倒圓??；元件擺放區(qū)必須予以補(bǔ)強(qiáng)，方便貼片或焊接；所有過(guò)孔盡量打在補(bǔ)強(qiáng)板區(qū)域，F(xiàn)PC彎折區(qū)及附近不能有過(guò)孔；設(shè)計(jì)圖上必須標(biāo)注補(bǔ)強(qiáng)區(qū)位置及總FPC厚度，彎折區(qū)及附近不能有補(bǔ)強(qiáng)；彎折區(qū)與元件區(qū)過(guò)渡的圓角要達(dá)到R=1.0mm，并建議在拐角處加銅線以補(bǔ)充強(qiáng)度，減少撕裂風(fēng)險(xiǎn)。             圖16 彎折區(qū)與元件區(qū)過(guò)渡之圓角在FPC設(shè)計(jì)中還要注意元件區(qū)空間的大小，特別是在結(jié)構(gòu)圖確認(rèn)中，要充分

24、考慮元件區(qū)大小預(yù)留結(jié)構(gòu)空間。五、ESD防護(hù)      ESD性能是電子產(chǎn)品都需要關(guān)注的基本性能，ESD性能直接影響了電子產(chǎn)品的電氣性能甚至使用壽命。在CTP設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意ESD防護(hù)，建議參考事項(xiàng)：1）FPC邊緣與機(jī)殼開(kāi)孔或縫隙的距離3mm，避免ESD直接對(duì)FPC放電。2）機(jī)殼設(shè)計(jì)時(shí)，建議選用有接地的金屬外殼或無(wú)金屬結(jié)構(gòu)件的塑膠外殼，提供ESD能力。3）部分IC可增加防ESD的TVS管等器件，如Focaltech，可提供抗ESD能力。4）FPC設(shè)計(jì)中，增加網(wǎng)格的GND屏蔽（必要時(shí)增加接地屏蔽膜），保護(hù)I2C信號(hào)，放置ESD干擾串入主板。5）減小

25、VDD與GND距離，提高抗輻射的ESD干擾能力。6）ITO Sensor周圍進(jìn)行圍地保護(hù)，避免ESD直接干擾Sensor。7）隔離地線保護(hù)，IC工作電源地與FPC周圍保護(hù)地分離，在IC外圍進(jìn)行充分連接，防止ESD直接打到IC上。六、技術(shù)展望      隨著電容屏的廣泛應(yīng)用及其市場(chǎng)潛力的開(kāi)發(fā)，電容屏技術(shù)越來(lái)越受到大家的關(guān)注和肯定。      在市場(chǎng)整合方面，電容屏的標(biāo)準(zhǔn)化、共用性是電容屏供應(yīng)商急需努力和實(shí)施的市場(chǎng)技術(shù)要求。      在技術(shù)方面，也

26、有幾個(gè)不同的發(fā)展方向。1、驅(qū)動(dòng)IC方面，在提高驅(qū)動(dòng)IC性能的同時(shí)，將LCM驅(qū)動(dòng)和CTP驅(qū)動(dòng)融合在一起是一種方向。2、在玻璃面板方面，輕薄是未來(lái)努力的主要方向。一種是在LCD玻璃表面做CTP的ITO Sensor，將LCM與CTP融合到一起；一種是in-cell，即直接將CTP Sensor融合在LCD玻璃里面，即LCD玻璃本身帶有CTP功能?！窘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)】一、結(jié)構(gòu)及材料使用      1、結(jié)構(gòu)      GF結(jié)構(gòu)        結(jié)構(gòu)：cover glass+film sensor。特點(diǎn)：此結(jié)構(gòu)用單層film sensor，ITO為三角形結(jié)構(gòu)，只支持單點(diǎn)，可做到虛擬兩點(diǎn)手勢(shì)。優(yōu)點(diǎn)：開(kāi)模成本很低，性價(jià)比高，單價(jià)屬電容TP中最低的結(jié)構(gòu)，總厚度可做薄，透光性