电容式触摸屏（利用人体的电流感应进行工作）-趣爱秀

工作原理

原理概述

电容屏要实现多点触控，靠的就是增加互电容的电极，简单地说，就是将屏幕分块，在每一个区域里设置一组互电容模块都是独立工作，所以电容屏就可以独立检测到各区域的触控情况，进行处理后，简单地实现多点触控。

电容技术触摸面板CTP（Capacity Touch Panel）是利用人体的电流感应进行工作的。电容屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO（纳米铟锡金属氧化物），最外层是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。

当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。可以达到99%的精确度，具备小于3ms的响应速度。

投射式电容面板

投射式电容面板的触控技术投射电容式触摸屏是在两层ITO导电玻璃涂层上蚀刻出不同的ITO导电线路模块。两个模块上蚀刻的图形相互垂直，可以把它们看作是X和Y方向连续变化的滑条。由于X、Y架构在不同表面，其相交处形成一电容节点。一个滑条可以当成驱动线，另外一个滑条当成是侦测线。当电流经过驱动线中的一条导线时，如果外界有电容变化的信号，那么就会引起另一层导线上电容节点的变化。侦测电容值的变化可以通过与之相连的电子回路测量得到，再经由A/D控制器转为数字讯号让计算机做运算处理取得（X，Y）轴位置，进而达到定位的目地。

操作时，控制器先后供电流给驱动线，因而使各节点与导线间形成一特定电场。然后逐列扫描感测线测量其电极间的电容变化量，从而达成多点定位。当手指或触动媒介接近时，控制器迅速测知触控节点与导线间的电容值改变，进而确认触控的位置。这种一根轴通过一套AC信号来驱动，而穿过触摸屏的响应则通过其它轴上的电极感测出来。使用者们把这称为‘横穿式’感应，也可称为投射式感应。传感器上镀有X，Y轴的ITO图案，当手指触摸触控屏幕表面时，触碰点下方的电容值根据触控点的远近而增加，传感器上连续性的扫描探测到电容值的变化，控制芯片计算出触控点并回报给处理器。

元件分类

电容式触摸屏的类型分为表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏两种。

表面式电容触摸屏

常用的是表面式电容触摸屏，它的工作原理简单、价格低廉、设计的电路简单，但难实现多点触控。

投射式电容触摸屏

投射式电容触摸屏却具有多指触控的功能。这两种电容式触摸屏都具有透光率高、反应速度快、寿命长等优点，缺点是：随着温度、湿度的变化，电容值会发生变化，导致工作稳定性差，时常会有漂移现象，需要经常校对屏幕，且不可佩戴普通手套进行触摸定位。

投射电容屏可分为自电容屏和互电容屏两种类型，较常见的互电容屏为例，内部由驱动电极与接收电极组成，驱动电极发出低电压高频信号投射到接收电极形成稳定的电流，当人体接触到电容屏时，由于人体接地，手指与电容屏就形成一个等效电容，而高频信号可以通过这一等效电容流入地线，这样，接收端所接收的电荷量减小，而当手指越靠近发射端时，电荷减小越明显，最后根据接收端所接收的电流强度来确定所触碰的点。

在玻璃表面用ITO制作成横向与纵向电极阵列,这些横向和纵向的电极分别与地构成电容,这个电容就是通常所说的自电容,也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时,手指的电容将会叠加到屏体电容上,使屏体电容量增加。

在触摸检测时,自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列,根据触摸前后电容的变化,分别确定横向坐标和纵向坐标,然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式,相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向,然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标,最后组合成触摸点的坐标。

如果是单点触摸,则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的,组合出的坐标也是唯一的如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向,则在X和Y方向分别有两个投影,则组合出4个坐标。显然,只有两个坐标是真实的,另外两个就是俗称的“鬼点”。因此,自电容屏无法实现真正的多点触摸。

互电容屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极,它与自电容屏的区别在于,两组电极交叉的地方将会形成电容,也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时,影响了触摸点附近两个电极之间的耦合,从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时,横向的电极依次发出激励信号,纵向的所有电极同时接收信号,这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小,即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据,可以计算出每一个触摸点的坐标。因此,屏上即使有多个触摸点,也能计算出每个触摸点的真实坐标。

互电容屏的优点是布线较少,而且能同时识别和区分多个触点之间的差异,自电容屏也可感测多个触点,不过由于信号本身模糊,故不能区分。此外,互电容屏的感应方案还有速度快和功耗低的优势,因为其能同时测量一条驱动线路上的所有节点,所以可减少50%的采集周期数。这种双电极式结构具有自我屏蔽外部噪声的功能,在一定功率级上可提高信号稳定性。

在任何情况下,触摸位置都是通过测量X电极和Y电极之间信号改变量的分配来确定的,随后会使用数学算法处理这些己改变的信号电平,以确定触摸点的XY坐标。

结构组成

基本结构

电容式触摸屏的基本结构是：基板为一个单层有机玻璃，在有机玻璃的内外表面分别均匀的锻上一层透明导电薄膜，分别在外表面的透明导电薄膜的四个角上锥上一个狭长的电极。其工作原理是：当手指触摸电容式触摸屏时，在工作面接通高频信号，此时手指与触摸屏工作面形成一个耦合电容，这相当于导体，因为工作面上有高频信号，手指触摸时在触摸点吸走一个小电流，这个小电流分别从触摸屏的四个角上的电极流出，流经四个电极的电流与手指到四角的直线距离成比例，控制器通过对四个电流比例的计算，即可得出接触点坐标值。

电容式触控屏可以简单地看成是由四层复合屏构成的屏体：最外层是玻璃保护层，接着是导电层，第三层是不导电的玻璃屏，最内的第四层也是导电层。最内导电层是屏蔽层，起到屏蔽内部电气信号的作用，中间的导电层是整个触控屏的关键部分，四个角或四条边上有直接的引线，负责触控点位置的检测。

其中最上面的覆盖层是钢化玻璃或者聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。PET的优势在于触摸屏可以做到更薄,另一方面也比现有的塑料和玻璃材质更加便宜。绝缘层是玻璃(0.4～1mm)、有机薄膜(10～100um)、粘合剂、空气层。其中最重要的一层是氧化铟锡（ITO）层，ITO的典型厚度50～100nm,其方块电阻大约100～300欧姆范围。ITO的工艺三维结构对电容式触摸屏的影响很大，它直接关系到触摸屏的2个重要电容参数:感应电容(手指与上层ITO)和寄生电容(上下层ITO之间,下层ITO与显示屏幕之间)。

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，同时透光率更高，也能更好地支持多点触控。

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反比，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。

由于电容随接触面积、介质的介电的不同而变化，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。

技术指标

精确度：99%的准确度。

材质：完全防刮玻璃材质（莫氏硬度7H），不易受尖物刮伤及磨损，不受常见污染源的影响，如水、火、辐射、静电、灰尘或油污等。兼具护目镜之护眼功能。

灵敏度：小于两盎司的施力即可感应，小于3ms的快速回应。

清晰度：三种表面处理（Polish，Etch，Industrial）可供选择。SMT控制器的MTBF大于572，600小时（每MILHANDBOOK-217-F1）。

触摸寿命：任何一点可承受大于5，000万次的触摸，一次校正后游标不飘移。

电容触控技术是利用手指近接电容触控面板时所产生电容变化的触控技术。电容触控有两个重要电容参数，其一是手指和上层感测材质（例如ITO）之间的感应电容，其二是感测材质之间（例如ITO上下层）或感测材质与光学面板之间（例如ITO和LCD）的寄生电容。

导体与导体之间会产生寄生电容，而当手指导体接近不同电压的感测导体时，也会产生感应电容变化。电容感测效应便是如何在较大的寄生电容值（30pico Farad；pF）下，侦测到0。1～2个pF单位微小的感应电容变化。电容触控技术较为稳定、可靠度高，藉由人体该身就是一个电容体的特性，在接触触控面板时所产生的电容变化达到感测触控效果。Atmel市场总监Christopher Ard指出，传感器设计可以是单面ITO图形，用于最低功能性接口，例如单触摸点用于大型虚拟按钮、滑块等应用，不过更常见的实施方案是两层设计（单独的X和Y层），这便需要复杂度更高的性能和精准度。

数据处理过程

电容式触摸屏接收到触摸信号之后,将触摸数据转换成电脉冲,传送到触摸屏控制IC进行处理。信号先经过一个低噪声放大器LNA进行放大,然后通过模数转换和解调,最后送到一个DSP进行数据处理。

电容式触摸屏一般有M+N(M列N行)个物理电容触摸传感器。这M+N个相互交错的传感器组成了M*N个电容感应点,当用户的手指接近触摸屏的时候,其电容会随之改变。传感器的间隔(也就是相邻行或列间的距离)通常在几个毫米左右,这个间隔距离决定了触摸屏的物理分辨率M*N。

电容式触摸屏模块和LCD模块间的坐标系是完全不同的。LCD模块的像素坐标一般由它的分辨率决定,比如,一块WVGA的屏,它的分辨率为800*480,也就是说有800行,每行480个RGB像素。从而,一个具体位置可以由X和Y方向上像素点(x,y)来确定。而电容式触摸屏模块则是根据其X和Y的方向上的原始物理尺寸来确定坐标系的。两坐标系间必须存在一个合理的映射方法,才可以保证输入和输出操作的正确性。

所以,触摸屏控制IC的DSP处理器还得对得到的数据进行电容式触摸屏模块和LCD模块间的像素映射转换,从而确保在触摸屏上感应到用户的触摸点就是用户所指的点。

另外,为了保持触摸坐标的稳定,触摸屏控制IC需要进一步处理触摸点的抖动,包括手指的抖动与电容数据的噪声,并根据坐标的变化来改变低通滤波器的滤波系数,实现对坐标的平滑处理。

最后,在把数据传到主机之前,还得使用软件分析数据,确定每次触摸是为了使用什么功能。这一过程包含确定屏幕上被触摸的区域大小、形状和位置。如果有必要,处理器会将相似的触摸整理分组。如果用户移动手指,处理器就会计算用户触摸的起点和终点间的差别。

优缺点

优点

电容触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号。

电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻技术需要常规的校正。

电容方案的寿命会长些，因为电容触摸屏中的部件不需任何移动。电阻触摸屏中，上层的ITO薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的ITO薄膜。

电容技术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。

选择电容技术还是电阻技术主要取决于触碰萤幕的物体。如果是手指触碰，电容触摸屏是比较好的选择。如果需要触笔，不管是塑胶还是金属的，电阻触摸屏可以胜任。电容触摸屏也可以使用触笔，但是需要特制的触笔来配合。

表面电容式可以用于大尺寸触摸屏，并且相成该也较低，但时下无法支持手势识别：感应电容式主要用于中小尺寸触摸屏，并且可以支持手势识别。

电容式技术耐磨损、寿命长，用户使用时维护成本低，因此生产厂家的整体运营费用可被进一步降低。

电容式触摸屏就是可以支持多点触控技术，而且不像电阻式触摸屏反应迟钝并且不易磨损。

缺点

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。

电流：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。

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。

漂移：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会漂移，使用者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。

其他：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。电容触摸屏最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。

注意事项与常见问题

1、如果使用者使用的是电容式触摸屏，那么建议使用者在第一次使用时，首先先按照相关说明书的要求正确安装好电容触摸屏所需要的驱动程序，然后用手指依次单击屏幕上的“开始”/“程序”/“Microtouch Touchware”来运行屏幕校准程序，校准完成以后，系统自动将校准后的数据存放在控制器的寄存器内，以后再重新启动系统后就无需再校准屏幕了。

2、如果在中途操作电容触摸屏时，重新改变了触摸屏的显示器分辨率或显示模式，或者是自行调整了触摸屏控制器的刷新频率后，感觉到光标与触摸点不能对应时，都必须重新对触摸屏系统进行校准操作。

3、为了保证触摸屏系统的正常工作，除了要保证系统软件的正确安装之外，还必须记得在一台主机上不要安装两种或两种以上的触摸屏驱动程序，这样会容易导致系统运行时发生冲突，从而使触摸屏系统无法正常使用。

4、在使用电阻式触摸屏时，如果发现光标不动或者只能在局部区域移动时，使用者可以查看一下触摸屏的触摸区域是否被其他触摸物始终压住，例如一旦触摸屏被显示器外壳或机柜外壳压住了，就相当于某一点一直被触摸，那么反馈给控制器的坐标位置就不准确。

5、前面曾经提到，一旦系统在更换显示分辨率、调整屏幕大小和第一次安装时都有会出现单击不准或漂移，需启动应用程序中自带的定位程序重新定位，不过在定位时，最好要使用比较细的笔或指尖进行定位，这样比较准。

6、表面声波触摸屏的工作环境要求较高，它必须要求工作在一个干净、没有灰尘污染的环境中，而且还要定期清洁触摸屏表面上的灰尘，不然的话，空气中的灰尘覆盖在触摸屏四周的反射条纹或换能器上时，就会影响系统的正确定位。

7、不要让触摸屏表面有水滴或其它软的东西粘在表面，否则触摸屏很容易错误认为有手触摸造成表面声波屏不准。另外在清除触摸屏表面上的污物时，使用者可以用柔软的干布或者清洁剂小心地从屏幕中心向外擦拭，或者用一块干的软布蘸工业酒精或玻璃清洗液清洁触摸屏表面。

8、如果用手或者其他触摸物来触摸表面声波触摸屏时，触摸屏反应很迟钝，这说明很有可能是触摸屏系统已经陈旧，内部时钟频率太低，或者是由于触摸屏表面有水珠在移动，要想让触摸屏恢复快速响应，必须重新更换或者升级系统，或者用抹布擦干触摸屏表面的水珠。

9、触摸屏一般用串口进行信号的传输，从PS/2端口取信号，而TPS屏幕是从主机电源直接取电。如果指示灯不亮，说明没有取到信号，控制盒上的PS/2线可能坏了。如果灯亮着，但依旧不闪，说明控制盒坏了，因此使用者们必须更换控制盒。如果更换控制盒还是不行，有可能是屏幕被压得太紧，需要将四周的螺丝稍微松一下，因为触摸屏是由特殊材料组成，它该身不太容易损坏。如果串口是坏的或被禁用，将导致驱动程序无法安装，因为安装驱动时，会自动寻找串口。即使能够安装，也会出现鼠标不动或无法定位。最好不要用串口鼠标来判断串口的好坏，可能串口9根针对它们来说各自用的方式不一样。如果屏幕被压着，或者地线没有接好，会导致无法定位。如果出现有些区域无法点击或反应迟缓，有可能是灰尘影响，需拆开外壳来除去灰尘。

10、当用手指触摸电容触摸屏的某一位置时，触摸屏没有任何反应时，这很有可能是对应该触摸位不准确，光标当然也就不能正确定位了。如果是机柜外壳压住触摸区域使用者可以将机柜和显示器屏幕之间的距离调大一点，如果是显示器外壳压住触摸区域，使用者可以试着将显示器外壳的螺丝拧松一点试一下。