電容式觸摸屏原理及詳細(xì)課件

1、Contens電阻式觸摸屏與電容式觸摸屏的對比電容式觸摸屏原理和分類FTS 電容式觸摸屏控制器介紹12/27/20091Contens12/27/20091術(shù)語ITO-Indium Thin Oxide，氧化銦錫，一種透明的導(dǎo)電材料TP-touch panel，觸摸屏CTP-Capacitance touch panel，電容式觸摸屏DITO：在玻璃雙面分別制作ITO圖形，構(gòu)成電容極板SITO：在玻璃的單面制作ITO圖形，構(gòu)成電容極板12/27/20092術(shù)語ITO-Indium Thin Oxide，氧化銦錫，一術(shù)語OCA光學(xué)膠是重要觸摸屏的原材料之一。將光學(xué)壓克力膠做成無基材，然后在上下底

2、層，再各貼合一層離型薄膜，是一種無基體材料的雙面貼合膠帶。優(yōu)點(diǎn)：高清澈度、高透光性(全光穿透率99%)、高黏著力、高耐候、耐水性、耐高溫、抗紫外線，長時(shí)間使用不會產(chǎn)生黃化 ( 黃變 )、剝離及變質(zhì)的問題分類：1.電阻式 電阻式的光學(xué)膠按厚度不同又可分為50um和25um 2.電容式 電容式的光學(xué)膠分為100um，175um，200um12/27/20093術(shù)語OCA光學(xué)膠是重要觸摸屏的原材料之一。將光學(xué)壓克力膠做成電阻式觸屏VS電容式觸屏對比電阻式方案已經(jīng)非常成熟，一般都是和液晶屏打包配套，成本比較低。但由于先天結(jié)構(gòu)(原理)上的原因，使用一段時(shí)間后需要重新對觸摸屏進(jìn)行校正。低端的4線電阻式觸摸

3、屏需要直接與指尖或筆接觸，所以在上蓋的設(shè)計(jì)上會有一個(gè)開孔，對外界的各種干擾(灰塵、濕氣、ESD等等)都缺乏有效的防護(hù)，所以可靠性和耐用性較差。高端的5線式電阻式觸摸屏可以通過改善結(jié)構(gòu)解決這個(gè)問題，但成本上已經(jīng)和電容式持平。且對一些復(fù)雜的手勢(特別是多點(diǎn)觸摸)缺乏有效的支持，而這恰恰就是電容式觸摸屏最大的賣點(diǎn)。 9/25/2022電阻式觸屏VS電容式觸屏對比電阻式方案已經(jīng)非常成熟，一般都是電阻式觸屏VS電容式觸屏對比電容式方案的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理和電阻式完全不一樣，主要是根據(jù)接觸區(qū)域的電容量來判斷手指的位置，所以目前只能通過手指來感應(yīng)，并且可以對多點(diǎn)觸摸等復(fù)雜的手勢可以提供完善的支持。由于對外界的感

4、應(yīng)需要通過一層不導(dǎo)電的介電質(zhì)(塑膠、玻璃等)，觸摸屏需要貼合在上蓋背面，所以對外界的抗干擾能力較強(qiáng)，可靠性和耐用性高?！暗?，隨之而來的問題是對供應(yīng)商的制造和組裝能力(貼合)提出了較高的要求，因此目前整體成本居高不下。”陳元指出。9/25/2022電阻式觸屏VS電容式觸屏對比電容式方案的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)原理和電阻電阻式觸屏VS電容式觸屏對比9/25/2022電阻式觸屏VS電容式觸屏對比9/24/2022電容式觸摸屏基本原理和分類12/27/20097電容式觸摸屏基本原理和分類12/27/20097Capacitance touch panel overview用ITO材料制作透明電極的電容陣列手指觸

5、摸到電容式觸摸屏表面，改變觸摸屏的固有電容觸摸屏電容控制器（IC）檢測到電容的變化，并通過電容陣列的電容變化率，計(jì)算出觸摸發(fā)生的坐標(biāo)，強(qiáng)度等信息12/27/20098Capacitance touch panel overviElectronic Field Capacitive Sensor通過檢測電容傳輸?shù)哪芰縼頇z測電容振蕩器輸出正弦波加到電容一端信號檢測處理電路接電容另一端根據(jù)接收點(diǎn)信號電平高低判斷電容的大小振蕩器Sensing and Filter12/27/20099Electronic Field Capacitive SeRelaxation Oscillator Capacit

6、ive Sensor通過檢測張弛振蕩器頻率來檢測電容一個(gè)恒流源給電容充電一個(gè)受反饋控制的開關(guān)給電容放電遲滯比較器把電容電壓變化整形方波12/27/200910Relaxation Oscillator CapacitiCharge Transfer Device Capacitive Sensor首先，感應(yīng)電容充電其次，把感應(yīng)電容的電荷轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電容通過檢測電荷轉(zhuǎn)移量來檢測電容的大小12/27/200911Charge Transfer Device CapacitDetect Method: Self-capacitance VS. Mutual-Capacitance自電容 利用單個(gè)電極

7、自身的電容一端接地，另一端激勵(lì)或采樣電路互電容利用兩個(gè)電極傳輸電荷通常一端接激勵(lì)，另一端接采樣電路12/27/200912Detect Method: Self-capacitan自電容self-capacitor測量信號線本身的電容優(yōu)點(diǎn)：簡單，計(jì)算量小缺點(diǎn)：虛擬兩點(diǎn)，速度慢互電容-mutual capacitor測量垂直相交的兩根信號之間的電容優(yōu)點(diǎn)：真實(shí)多點(diǎn)，速度快缺點(diǎn)：復(fù)雜，功耗大，成本高Ghost point12/27/200913自電容self-capacitorGhost point1Panel Process玻璃雙面（DITO）ITO圖案做在玻璃的上下表面，分別為x軸和Y軸，上表面

8、加Lens玻璃單面（SITO）ITO圖案做在玻璃的上表面 ，下表面為shielding玻璃單面架橋，X軸與Y軸交匯處采用架橋玻璃單面雙層，使用SiO2隔離Film二層，分別為X軸，Y軸12/27/200914Panel Process玻璃雙面（DITO）12/27/2DITO12/27/200915DITO12/27/200915SITO12/27/200916SITO12/27/200916Film12/27/200917Film12/27/200917Panel Pattern：Two Layers Self-capacitance or Mutual capacitance Panel兩

9、層ITO分別與地或手指構(gòu)成自電容（人體接地）自電容有M+N個(gè)電容互電容有MN個(gè)電容需要M+N條線連到控制芯片M ROWN Column12/27/200918Panel Pattern：Two Layers Self-Two Layers Mutual Capacitor兩層ITO相互重疊構(gòu)成電容有MN個(gè)電容需要M+N條線連到控制芯片手指觸摸影響相互電容12/27/200919Two Layers Mutual Capacitor兩層IFTS電容式觸摸屏控制器簡介12/27/200920FTS電容式觸摸屏控制器簡介12/27/200920FTS 電容式觸摸屏控制器方案特點(diǎn)自主專利的方案互電容提

10、供業(yè)內(nèi)頂尖級的性能多點(diǎn)觸摸檢測，最多達(dá)到5點(diǎn)高信噪比抗RF干擾高精度高分辨率高線性度自校正，避免溫度，濕度的影響本地化的服務(wù)12/27/200921FTS 電容式觸摸屏控制器方案特點(diǎn)自主專利的方案12/27/Multi-touch多點(diǎn)觸摸是一個(gè)趨勢正在競標(biāo)的某國際大公司2011年項(xiàng)目要求10點(diǎn)正在design in的多個(gè)case要求真實(shí)兩點(diǎn)或兩點(diǎn)以上隨著apple tablet PC上市，多點(diǎn)應(yīng)用會逐漸涌現(xiàn)并普及能自主安裝應(yīng)用軟件是為了的一個(gè)趨勢，系統(tǒng)硬件應(yīng)該為將來性能提升提供準(zhǔn)備FTS方案能提供真實(shí)的5點(diǎn)觸摸檢測，為將來的應(yīng)用提升提供硬件支持12/27/200922Multi-touch多點(diǎn)

11、觸摸是一個(gè)趨勢12/27/2009SNR在觸摸屏行業(yè)，SNR定義為信號幅度與噪聲幅度比（噪聲取絕對值）。SNR的傳統(tǒng)定義為信號功率與噪聲功率比SNRP=PS/PN=VS2/VN2=SNRV2如果采用這個(gè)定義的SNR，則信噪比能達(dá)到數(shù)千。SNR是一個(gè)基本參數(shù)，決定系統(tǒng)的大部分性能SNRV50，系統(tǒng)能穩(wěn)定工作SNRV100，系統(tǒng)性能優(yōu)良FTS方案配合相應(yīng)的TP，SNRV15012/27/200923SNR在觸摸屏行業(yè)，SNR定義為信號幅度與噪聲幅度比（噪聲取Anti-RF interference抗RF干擾時(shí)CTP系統(tǒng)一個(gè)關(guān)鍵性能抗RF干擾能力差是之前CTP case失敗的關(guān)鍵因素抗RF干擾包括G

12、SM，CDMA，WIFI，微波爐等射頻干擾FTS方案采用跳頻等技術(shù)，提供優(yōu)異的RF干擾抑制能力12/27/200924Anti-RF interference抗RF干擾時(shí)CTP系找出電容最大值和對應(yīng)的列 用以最大電容值列為中心的三列求出其加權(quán)平均，即橫坐標(biāo)坐標(biāo)計(jì)算-Center Point algorithm其中，K為映射系數(shù)12/27/200925找出電容最大值和對應(yīng)的列坐標(biāo)計(jì)算-Center Point AccuracyAccuracy（精度）是指實(shí)際觸摸位置與TP上報(bào)觸摸坐標(biāo)的誤差，包括邊沿精度與非邊沿精度邊沿指TP AA區(qū)外側(cè)3mm左右的邊框部分非邊沿指TP AA區(qū)外側(cè)3mm左右的邊框

13、以內(nèi)的部分坐標(biāo)計(jì)算通常都是采用重心算法，因此精度的關(guān)鍵是SNR和TP的PitchSNR越高則參數(shù)的置信位數(shù)越高;計(jì)算的結(jié)果越可靠則精度越高合適的Pitch能提高精度。Pitch的選擇主要與手指的大小有關(guān)。一個(gè)典型的Pitch為5mm。FTS整合TP設(shè)計(jì)與算法，提供業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的TP觸摸精度邊沿2mm，非邊沿1mm12/27/200926AccuracyAccuracy（精度）是指實(shí)際觸摸位置與TResolutionResolution（分辨率）指單位長度TP能觸摸的點(diǎn)數(shù)或者TP能上報(bào)的點(diǎn)數(shù)與精度一樣，分辨率的關(guān)鍵是SNR和TP的Pitch分辨率與精度是同一個(gè)問題，不同的描述角度針對手機(jī)應(yīng)用，F(xiàn)TS

14、的方案能提供最多1280768的分辨率。形象的說，就是能把顯示屏上的每個(gè)點(diǎn)觸摸出來12/27/200927ResolutionResolution（分辨率）指單位長度LinearityLinearity（線性度）是指在TP上畫對角直線時(shí)，實(shí)際曲線與理想直線最大的距離FTS的方案能實(shí)現(xiàn)線性度達(dá)1mm12/27/200928LinearityLinearity（線性度）是指在TP上畫Adaptive process algorithm環(huán)境（溫度、濕度等）變化會造成TP失效溫度適應(yīng)能力差事之前CTP失敗的重要原因材料老化也會造成TP失效自適應(yīng)處理算法能根據(jù)環(huán)境變化，自動調(diào)節(jié)TP參數(shù)設(shè)置，使TP工作在

15、最佳狀態(tài)。自適應(yīng)處理算法還能補(bǔ)償材料老化對TP造成的影響12/27/200929Adaptive process algorithm環(huán)境（溫Scan rate控制IC以一定速率對TP進(jìn)行掃描互電容VS自電容互電容以幀為單位上報(bào)觸摸屏的事件。即每次掃描，均立即上報(bào)該次掃描的結(jié)果，包括觸摸點(diǎn)數(shù)，每點(diǎn)的坐標(biāo)自電容僅能針對單點(diǎn)觸摸上報(bào)真實(shí)坐標(biāo)。對多的觸摸時(shí)，使用十分復(fù)雜的虛擬算法計(jì)算坐標(biāo)，效率低，容易出錯(cuò)。因此，定義了一個(gè)Point/S（點(diǎn)/秒）的參數(shù)來定義上報(bào)速率。60Hz是足夠的，并且是現(xiàn)實(shí)的從體驗(yàn)的角度看，60Hz與80Hz幾乎沒有區(qū)別隨著頻率的上升，CPU消耗的資源超過臨界點(diǎn)后會急劇上升FTS

16、最大能支持80Hz的掃描速率12/27/200930Scan rate控制IC以一定速率對TP進(jìn)行掃描12/27Power managementFTS CTP系統(tǒng)提供完善的功耗管理FTS CTP系統(tǒng)提供3個(gè)功耗模式Active：全速模式, 可以產(chǎn)生觸摸中斷/INT, 可以讀取觸摸數(shù)據(jù). Monitor：觸摸監(jiān)測模式, 低速掃描, 不能產(chǎn)生觸摸中斷/INT. 有觸摸發(fā)生后自動跳轉(zhuǎn)到Active Hibernate：系統(tǒng)休眠，需要硬件觸發(fā)喚醒12/27/200931Power managementFTS CTP系統(tǒng)提供完善的手勢集成與自定義FTS方案能集成目前所有手勢，包括單點(diǎn)點(diǎn)擊，雙擊，平移，放

17、大縮小等FTS方案能根據(jù)客戶的需求，集成客戶定義的手勢FTS方案能上報(bào)絕對坐標(biāo)，由Host來分析觸摸類型并作出相應(yīng)的處理12/27/200932手勢集成與自定義FTS方案能集成目前所有手勢，包括單點(diǎn)點(diǎn)擊，系統(tǒng)接口端口名稱電平極性描述串行接口2.83.3V串行接口為CTPM和Host之間的數(shù)據(jù)通信通道. FT5201構(gòu)成的CTPM支持SPI, I2C這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行接口之一. /INT2.83.3VLOWCTPM發(fā)送給Host的中斷信號/WAKE*2.83.3VLOW從HIBERNATE當(dāng)中喚醒CTPM的信號. 12/27/200933系統(tǒng)接口端口名稱電平極性描述串行接口2.83.3V串行接口觸摸

18、數(shù)據(jù)讀取模式支持中斷模式與查詢模式中斷模式為觸摸屏系統(tǒng)檢測到觸摸發(fā)生時(shí)，主動發(fā)出中斷給Host，讓Host來讀取觸摸發(fā)生數(shù)據(jù)查詢模式為觸摸屏系統(tǒng)定時(shí)檢測觸摸，觸摸發(fā)生時(shí)，僅僅準(zhǔn)備好觸摸數(shù)據(jù)，被動等待Host來讀取數(shù)據(jù)12/27/200934觸摸數(shù)據(jù)讀取模式支持中斷模式與查詢模式12/27/20093OSCTP系統(tǒng)是一種普通外設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI、I2C接口，與OS無必然關(guān)系SPI與I2C可以通過硬件接口連接，也可以通過軟件模擬方式連接OS與CTP的關(guān)系主要體現(xiàn)在對觸摸輸入的支持上，包括單點(diǎn)，多點(diǎn)，手勢等通過在OS中加入驅(qū)動來解釋協(xié)議FTS可以給各個(gè)OS的驅(qū)動設(shè)計(jì)提供幫助12/27/200935

19、OSCTP系統(tǒng)是一種普通外設(shè)，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI、I2C接口，Design In flow聯(lián)調(diào)前的準(zhǔn)備確定TP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，包括TP，F(xiàn)PC，元件區(qū)，出pin位置等確定TP系統(tǒng)提供的功能確定接口類型，連接方式，信號電平聯(lián)調(diào)內(nèi)容根據(jù)協(xié)議編寫OS驅(qū)動-FTS提供協(xié)助連接TP進(jìn)行調(diào)試測試TP功能與性能整機(jī)測試12/27/200936Design In flow聯(lián)調(diào)前的準(zhǔn)備12/27/2009生產(chǎn)集成TP生產(chǎn)Firmware 寫入TP出廠檢測與手機(jī)集成（無需校正）整機(jī)測試12/27/200937生產(chǎn)集成TP生產(chǎn)12/27/200937懸空觸摸失效問題把手機(jī)至于懸空狀態(tài)，比如放置于空盒子之上，沒有與其他系統(tǒng)

20、有電連接。這時(shí)，手機(jī)發(fā)生觸摸失效的現(xiàn)象稱之為觸摸懸空觸摸失效問題根據(jù)我們的研究，懸空觸摸失效問題主要與TP的結(jié)構(gòu)有關(guān)。目前僅有使用DITO的apple iPhone完全解決了這個(gè)問題，其他公司產(chǎn)品多少存在這個(gè)問題觸摸懸空失效還與系統(tǒng)信噪比有關(guān)12/27/200938懸空觸摸失效問題把手機(jī)至于懸空狀態(tài)，比如放置于空盒子之上，沒本地化的服務(wù)電容式觸摸屏是一個(gè)新事物，還沒有標(biāo)準(zhǔn)化非標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，根據(jù)客戶需求實(shí)行個(gè)性化服務(wù)時(shí)成功的關(guān)鍵國際大的IC廠都在給國際大的手機(jī)廠進(jìn)行個(gè)性化服務(wù)FTS能給大陸，臺灣地區(qū)的終端客戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)12/27/200939本地化的服務(wù)電容式觸摸屏是一個(gè)新事物，還沒有標(biāo)準(zhǔn)化

21、12/27FTS方案基本參數(shù)：FT5201+C8051F921ItemsParameterMin.Typ.Max.Scan rate( single touch or 5 touch）6080Response time25mSSensitivity （diameter）（touch area）6mmAccuracy（Non-border）1mmAccuracy（border）2mmLinearity1mmAnti-noise1VvppMulti-touch distance10mmPower（5 touch，60Hz）7.5mAFTS方案基本參數(shù)：FT5201+C8051F921ItemFTS

22、方案與其他公司方案比較參數(shù)FTS方案其他方案多點(diǎn)觸摸特性真實(shí)多點(diǎn)單點(diǎn)+兩點(diǎn)手勢信噪比1501050抗RF干擾優(yōu)一般集成難度易難環(huán)境噪聲校正不需要需要服務(wù)本地化，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)直接支持FAE支撐FTS方案與其他公司方案比較參數(shù)FTS方案其他方案多點(diǎn)觸摸特功能框圖-FT5201該芯片僅為模擬前端，需要MCU提供計(jì)算功能12/27/200942功能框圖-FT5201該芯片僅為模擬前端，需要MCU提供計(jì)算應(yīng)用方案FT5201雙芯片方案：FT5201+MCU與Host接口由MCU確定，可以是I2C、SPI或 UARTMCU與FT5201必須為SPI接口應(yīng)用方案FT5201雙芯片方案：FT5201+MCU單芯片

23、方案功能框圖-FT5202增加了MCU，提供豐富靈活的計(jì)算與處理在原有SPI接口基礎(chǔ)上，增加了UART，I2C單芯片方案功能框圖-FT5202增加了MCU，提供豐富靈活的FTS芯片應(yīng)用FT5201+C8051F921主要用于手機(jī)，MID等對RF干擾有非常強(qiáng)抑制能力的產(chǎn)品，并且尺寸4.3FT5202主要用于手機(jī)，MID等對RF干擾有非常強(qiáng)抑制能力的產(chǎn)品，并且尺寸4.312/27/200945FTS芯片應(yīng)用FT5201+C8051F92112/27/2Chip packageQFN48 6mm6mmBGA49 5mm5mm12/27/200946Chip packageQFN48 6mm6mm12

24、/27容晟光電有限公司是一家專業(yè)的電容式觸摸屏生產(chǎn)商，專注于消費(fèi)類電子市場，集研發(fā)，制造，銷售，服務(wù)于一體，產(chǎn)品主要用于手機(jī)，車載導(dǎo)航（GPS），數(shù)碼相機(jī)，MP4MP5等。12/27/200947容晟光電有限公司是一家專業(yè)的電容式觸摸屏生產(chǎn)商，專注于消費(fèi)類產(chǎn)品開發(fā)歷程在產(chǎn)品開發(fā)過程中，由于互電容的IC 當(dāng)時(shí)僅有兩家出品并且不對外開放，所以我們在09年5 月前都集中開發(fā)基于自電容IC 的觸摸屏，在開發(fā)過程中有幾個(gè)問題比較難：結(jié)構(gòu)問題自電容要求X 軸與Y 軸離LENS 表面的距離差不能太大，如果太大，X 軸與Y 軸的信號強(qiáng)度會相差很遠(yuǎn)，運(yùn)用時(shí)幾乎不能實(shí)現(xiàn)。于是不能采用IPHONE 手機(jī)上采用的結(jié)構(gòu)

25、(DITO) ，只能采用SITO 結(jié)構(gòu)和FILM 結(jié)構(gòu)。SITO 結(jié)構(gòu)在制程上比較簡單，但是在做靜電測試時(shí)，其搭橋的底端幾乎很難通過6K 的靜電，較易被靜電擊傷，造成缺功能，產(chǎn)品的一致性沒有保障。盡管先用高壓靜電測試功能片，合格的才用來裝機(jī)，仍有一定比例的產(chǎn)品在使用過程中斷橋。所以此種結(jié)構(gòu)雖然可以配合自電容和互電容兩種IC，制程也簡單，但對于高品質(zhì)要求的產(chǎn)品不適用。12/27/200948產(chǎn)品開發(fā)歷程在產(chǎn)品開發(fā)過程中，由于互電容的IC 當(dāng)時(shí)僅有兩家產(chǎn)品開發(fā)歷程FILM 結(jié)構(gòu)在制程上也比較簡單，幾乎所有做電阻屏的廠家都可以制作。這種結(jié)構(gòu)適用于自電容和互電容兩種IC，但有幾個(gè)問題與材料有較大關(guān)系。

26、第一， 用高電阻FILM 很難實(shí)現(xiàn)IC 需要的電阻范圍。用低電阻FILM 可以實(shí)現(xiàn)IC 需要的電阻范圍，但字影（ITO 的影子）會很嚴(yán)重。第二， 透過率會較低。最好的FILM 的透過率約90%，在制作過程中約需要三層FILM. 第三， 由于電極引線只能用印刷方式，所以功能片邊緣離功能區(qū)要比較寬才可以，這對手機(jī)設(shè)計(jì)上有較多制約，而大屏幕手機(jī)大都要求邊很窄。第四， 制程中的小缺陷（小劃傷、小臟點(diǎn)）較難避免DITO 結(jié)構(gòu)：制程較復(fù)雜。主要問題是制作過程中的保護(hù)，所以工序特別多；對位精度要求特別高，需要至少5 微米。另外的難點(diǎn)是保證兩面都要十分潔凈。經(jīng)過長期的摸索后，現(xiàn)在可以穩(wěn)定量產(chǎn)。12/27/200949產(chǎn)品開發(fā)歷程FILM 結(jié)構(gòu)在制程上也比較簡單，幾乎所有做電阻產(chǎn)品開發(fā)歷程抗干擾問題我們用