電容式觸摸感應技術中的電容物理學

何燕冬　楊　龍　彭　濤

摘要：采用不同的電路算法時，不同物理特性的電容對最終的感應信號有不同的影響。高性能的電容觸摸技術開發要求工程師對觸摸屏的電容性質和物理機制有透徹的理解和清醒的認識。本文運用電力線基本原理，對分布在觸摸屏上的不同電容特性進行了深入的分析。

關鍵詞：電容感應；電容；電力線

引言

電容式觸摸屏設計制造技術是材料物理與電子技術相結合的產物。材料特征參數、三維結構(stackup)和二維版圖形狀(layout)決定了觸摸屏的全部電學特性。這些電學特性可以用等效的分布式阻抗電路來描述，并可以與電容感應拾取電路一起在電路仿真系統中進行完整的系統模擬。

在上述的系統設計流程中，兩個最重要的環節是，第一，正確全面的獲得電阻、電容及其拓撲結構的信息，第二，正確區分手指觸摸后的感應電容和寄生電容。這些往往與所選用的電容感應電路有著極為密切的聯系，而其中對于各種電容性質的正確認識是最基本也是至關重要的。由于電容式觸摸屏技術中涉及到眾多的電容類型，如何得到正確的電容特性成為大多數工程教育背景的開發人員所面臨的一個難點問題。本文將運用電力線基本原理，對分布在觸摸屏上的不同電容特性進行分析。

基本概念

這里的核心物理問題是，什么叫電容?電容是一種電荷儲存器件。對這個概念的一種錯誤理解經常是：電容是凈電荷的積累。事實上，電容可以進一步描述成等量的正負電荷在兩個電極分布的一種儲存結構，這里的兩個關鍵詞是：等量，兩極。我們可以用物理中的電力線概念將這兩個關鍵詞聯系在一起；電力線從正電荷出發終止于負電荷。電力線的存在決定了電容的存在，電力線的路徑和密度決定了電容的性質和大小。

觸摸屏寄生電容物理模型

先看一下最簡單的平板電容，如圖1所示。虛線是電力線。眾所周知的平板電容表達式為：

這個公式成立的前提假設是：w>>d，L>>d。其物理含義是：全部電力線平行的分布在兩個平板之間。

對比一條狀金屬與平板之間的電容。先畫出它的電力線分布圖，如圖2所示。

在這種情況下，顯而易見電力線不再是平行分布在條狀金屬與平板之間，所以平板電容公式不再適用。

第三種情況是在兩條平行線之間的電容。在觸摸屏中常出現的電容形式是在同一或不同平面上的兩個薄板之間的電容(fringing capacitance，or sidewall capacitance)，可以抽象為這種電容。

具體表現在實際觸摸屏中、以常見的三層ITO為例，如圖4所示。最下面接近液晶屏的屏蔽層與第二層ITO之間是一類電容：第一層與第二層的邊緣電容是二類電容：第一層與第二層的交叉點，根據不同的工藝，可能是一類或二類電容。

觸摸屏感應電容物理模型

人體電路模型的最簡單描述為“接地的導體”。按照前面對電容的定義，手指是作為接地的電極來影響觸摸屏本身的電容分布的。

以觸摸電容按鍵(CapSense Button)為例，手指的感應電容可分為以下兩種情況。第一種是新生電容。如圖5所示，激勵信號源連接懸空的金屬按鍵，手指的靠近增加了其間的電場強度，電力線密度隨之上升，感應電容也就隨之增加。

另外，手指還會對已有電容的分布進行調制，尤其是對上述二類電容的調制。在觸摸電容按鍵的設計中，常常在金屬按鍵周圍布上環狀地平面。手指的接近，如圖6所示，改變了電力線的分布，調制了金屬按鍵的電容。

結語

本文通過電場電力線的基本原理分析了電容觸摸屏的本身電容類型分布，以及人體觸摸行為產生的新電容及對已有電容的調制。本文采用的分析方法是這項技術的物理基礎。隨著電容觸摸技術的發展和市場的快速增長，毫不夸張的講，新材料新結構的觸摸屏在日新月異。具有牢固的基本概念才會從本質上把握住新技術的要領和發展的脈搏。