電極分布對織物觸摸墊電容及觸控信號的影響

甘行 楊旭東 董洪強 胡吉永

摘要：為優化投射式電容織物觸摸墊結構，以得到優異的觸控性能，針對條形電極形式，以觸摸前后電容的相對變化率表示觸控信號，運用仿真和實驗驗證相結合的方法研究不同電極寬度與不同電極間間隙對投射式電容織物觸摸墊初始電容及分布的影響。結果表明，電極寬度和電極間間隙的增加使觸摸墊驅動電極和感應電極間的初始電容增加，但電極寬度影響更為顯著，并且觸摸墊電極間的互電容呈邊緣小中間大的分布狀態。在電極導電率為61.6x106S/m.電極寬度約為2mm-3mm，電極間間隙在3mm左右情況下實驗，結果顯示，觸摸墊在觸摸前后的電容變化率較大，觸控信號較強。

關鍵詞：織物觸摸墊;電極寬度;電極間間隙;互電容;觸控信號

DOI： 10. 11907/rjdk.192765

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP301

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0023-05

Effects of Electrode Arrangements on the Capacitance and

nTouch Signal of Fabirc Touch Pads

GAN Xing ， YANG Xu-dong， DONG Hong-qiang ， HU Ji-yong

（Department of Textile ， Donghua University ，Sharzghai 201620.Ch.ina）Abstract： To optimize the touching performance of the projected capacitance touch pads based on textile materials with strip elec-trodes. the siruulation and experimental validation are combined to study the ef'fects of electrode width and inter-electrode gap on therelative change rate of capacitance hefore and after touching. The results show that the initial capacitance between the driving electrodeand the sensing electrode increases with the increase of electrode width and electrode gap， but the influence of electrode width is moresignificant ， and the inter-electrodes mutual capacitance in the edge of pad is srualler than that in the nliddle. In addition. when the con-ductivity of' electrodes was 61.6x 106S/m . the electrode width u-as about 2mm-3mm and the inter-electrode was approxiruately 3mm，there would he a larger relative change rate of capacitive.Key Words ： textile touch pads;electrode width ; inter-electrode gap ; mutual capacitance ; touch signal

O 引言

織物基柔性投射式電容觸摸墊作為一種大曲率變形和實現多點觸摸定位的人機交互裝置，因其質輕柔軟，滿足可穿戴條件而受到青睞。但由于織物材料性能、觸摸墊電路結構與設計、觸摸墊電極形式與結構等諸多因素限制，織物投射式電容觸摸墊還不能滿足敏感性和穩定性等要求。雖然市場上很早就有織物開關…、織物鍵盤[2]這類較為成熟的產品，但其觸控點單一且不連續，無法實現平移、伸縮、多點觸摸等操作。

對于以織物為介質層材料的投射式電容觸摸墊，借鑒傳統電子觸摸裝置成熟的堆棧結構T藝是必要且可行的，但諸如電極形式與尺寸、中間介質層材料與性質、電極間的相互位置等因素，必然會隨著材料的變化影響觸摸墊的觸控性能。Maximilian等[3]以條狀導電織物作為電極，以正交方式分布在泡沫隔離板的正反兩側，通過檢測交叉點在觸摸前后的電容變化而形成相應的觸摸強度分布圖，證明了條形電極作為電容傳感陣列的可行性;Minpyo等[4]以石墨烯作為基底保護層，以PET膜作為介質層和電極保護層，采用條形電極形式制作傳感器，以不同手勢觸摸實現了多點連續響應、伸展、平移等操作，但PET膜與各向異性的織物結合性較差。以上兩者雖然實現了良好的觸控效果，但不論是以泡沫隔離板還是以PET膜為介質層，都限制了觸控裝置的可穿戴應用。條形電極形式的投射式電容觸摸墊是一種非壓感式多點觸摸感應裝置，比電阻式感應裝置更靈敏，有利于制作輕薄的織物觸摸墊。Josue等[5]采用菱形電極形式，運用絲網印刷技術在不同織物基底上印制了兩種不同電極堆疊結構的觸摸板，能在操作過程中正確檢測觸摸點和所有觸摸手勢，這表明在織物基底上可以使用絲網印刷技術印制電極以制作織物觸摸墊。但其只研究了中間介質對觸摸墊性能的影響，對于電極結構的討論未曾涉及。采用成熟的絲網印刷工藝印制電極，可以減小觸摸墊厚度，柔軟度得以增加;Barry等。[6]采用“雪花”電極，通過仿真手段研究了電極圖案寬度、橋寬、間隙等多個幾何參數，發現電極幾何參數影響電容變化，但Josue和Barrv兩位學者都沒有關注條形電極分布狀態對觸摸墊觸控性能的影響。

條形電極理論上作為一種連續的矩形條狀電極，不同電極寬度和電極間隙會使電場在空間中呈不同的分布狀態，在驅動電極TX與感應電極RX電壓差不變時，手指觸摸或接近感應電極會吸收邊緣電場線，改變邊緣電場強度，改變量的大小取決于邊緣電場的初始強度，而電極寬度和電極間間隙義直接影響邊緣電場初始強度。電極間間隙主要影響觸摸前后電容的變化值，電容相對變化率受電極寬度和電極間隙的共同影響，而觸摸前后電容的相對變化率義反映了觸摸墊的靈敏度。孫紅月人[7]以鍍銀導電織物作為條形電極，棉織物為保護層和中間介質層制作了電容式觸摸墊，研究了電極寬度在3-7mm，電極間間隙在2-4mr之間變化對觸摸前后電容變化的影響，發現電容變化顯著受電極寬度影響，且基本不受電極間間隙影響，這顯然與前面的論述存在一定差異。

目前對于織物觸控裝置的研究主要關注不同的電極材料、形式以及不同的織物介質材料對觸控性能的影響，但對于條形電極分布對織物觸控性能影響的研究還不夠全面。條形電極結構簡單，沒有細小的橋接線和延展線，相較于菱形電極、“雪花”電極等電極形式，能在穿戴時頻繁摩擦、擠壓、剪切的環境中保持性能穩定。但條形電極寬度及電極間的間隙不能過大或過小，過大會導致觸摸時可能檢測不到電極間電容的變化從而削減觸摸墊的靈敏度，過小會使得同時觸摸多個點產生誤觸，所以電極寬度和電極間間隙必然存在一個數值或者分布狀態，使得觸摸墊靈敏度等觸控性能達到最優。通過研究條形電極其電極分布對觸摸墊觸控性能的影響規律，尋找使觸控性能最優的電極分布，以優化織物觸摸墊結構。

本文選擇條形電極形式，以錦綸涂層織物作為中間介質層，采用絲網印刷技術印制電極，借鑒傳統電子觸摸裝置成熟的堆棧結構工藝，制作柔性投射式電容織物觸摸墊。結合仿真分析和實驗驗證，研究了條形電極的電極寬度與電極間間隙對電容式織物觸摸墊電容及觸控信號強度的影響。

1 電容式織物觸摸墊工作原理

電容式織物觸摸墊是一種多層堆疊結構的投射式電容觸控裝置，相互正交的上層感應電極和下層驅動電極分別分布在織物的上下表面，由上到下分別是上保護層、感應電極層、中間介質層、驅動電極層、下保護層和電磁屏蔽層。每條電極單獨與處理芯片連接，驅動電極發出激勵信號，感應電極接收脈沖信號，感應電極與驅動電極之間形成互電容。通過交叉點掃描技術掃描每個電極交叉節點在觸摸前后的互電容，以觸摸前后的電容變化量△C與觸摸前初始電容C。的比值（即電容相對變化率）表示觸控信號強度，經過信號處理實現觸摸定位的目的[8]。電容相對變化率越大，觸控信號強度越高，觸摸墊靈敏度就越好。

由于條形電極是連續的條狀電極，在驅動電極和感應電極的正交節點周圍存在著很強的邊緣電場，傳統單電極平板電容的標準表達式C= 不適用于表示多個感應電極與驅動電極陣列間的互電容。為了研究電極分布對觸控信號的影響，本文擴展單電極平板電容表達式。當感應電極和驅動電極寬度相同時，電極寬度用a表示，相鄰電極間間隙用b表示，電極交叉位置可以簡化為一個上、下極板面積不同的平板電容器，如圖l灰色陰影部分所示。以邊長為a的正方形上極板、結合兩個相鄰電極間隙組成的矩形下電極板構成的電容單元進行分析，采用微元法積分可得該單元的電容[9]。

式中，a為電極寬度，b為電極間間隙，A為與靜電力常數和介電常數有關的物理常量，h為上下兩極板間的距離（中間介質層厚度）。

2 電容式織物觸摸墊電極分布仿真建模及驗證

2.1觸摸墊仿真建模與條件設置

觸摸墊是一個由不同材料組成的“三明治”結構，本文模擬圖l的堆疊結構建立物理仿真模型。各層大小及厚度根據實驗需求進行設置，每層都設置為一個單獨的域，整個模型置于圓柱形空氣域中。在模擬觸摸時，根據人體

甘行，楊旭東，董洪強，等：電極分布對織物觸摸墊電容及觸控信號的影響手指比例建立I：I手指模型，其觸摸角度為45。，觸摸面積約為31.114mm2，初始觸摸點為觸摸墊中心位置[lo-ll]。

上、下保護層和中間介質層具有相同的材料屬性，相對介電常數相同。感應電極和驅動電極采用銀材料，電磁屏蔽層采用銅材料。對于雙層電極結構的觸摸屏借鑒極端電壓法設置邊界條件，即將上層感應電極、下層驅動電極和手指均設為終端，下層感應電極電壓為5V，其余終端電壓均為0V[12]。電磁屏蔽層上表面設為懸浮電位，下表面設為接地邊界。利用仿真軟件全局矩陣計算功能，計算觸摸前和觸摸時電極間的電容，形成感應電極與驅動電極間的互電容矩陣。

2.2仿真模型驗證

2.2.1 實物測試

為驗證上述建模假設和邊界沒置的合理性，將仿真結果與實際觸摸墊測試結果進行對比。實驗采用絲網印刷方式，以錦綸涂層織物（厚度為120um，1000MHz時介電常數為2.01）為基底印制電容式織物觸摸墊。其中感應電極11根，從左到右分別按R1、R2、……、R11編號;驅動電極11根，從前到后分別按T1/T2、……、T11編號。手指觸摸點為觸摸面板中心點，即R6與T6交叉點處。這里選取電極寬度為4mm，電極間間隙為4mm規格的觸摸墊，每測量前將驅動電極與感應電極短接30s，再采用LC-200A電感電容表分別逐一測量驅動電極與感應電極間的電容，系統測量誤差為+0.05pF。

2.2.2仿真驗證

圖2（a）為電極寬度為4mm、電極間間隙為4mm規格的觸摸墊在觸摸前不同驅動電極和感應電極R1、R6之間的初始電容。對比仿真結果和實際測量結果可知，觸摸面板上呈邊緣電容小、中間電容大的分布狀態。同時，在相對應點處的電容，仿真得到的結果與實際測量結果有相似趨勢;圖2（b）是觸摸前后驅動電極與部分感應電極間電容相對變化率，即觸控信號。不論是仿真結果還是實際測量結果都表明，在觸摸點處觸控信號強度最大，非觸摸位置電容變化小。

在測量誤差允許的范圍內，實驗測量結果與仿真結果在觸摸前后都具有相似的分布狀態，這表明仿真具有一定的合理性，可以用來分析條形電極分布對觸控信號的影響。

3仿真實驗設計

實驗證明仿真設計[13-16]具有很好的參考價值。為了更好地觀察電極分布對觸摸墊觸控信號的影響，本文根據實驗驗證得到的正確仿真參數，建立如下仿真分析設計。

由于人體手指的觸摸寬度在7-9mm左右，設定電極最大寬度和電極間間隙不超過/mm。同時，為了保持使用前后觸控性能的穩定性，選擇6種電極寬度（ 2mm、3inm、4mm、Smm、6mm、7mm）和7種電極間間隙（Imm、2mm、imm、4mm、5inm、6rnm、7mm），兩兩組合，組成共計42種電極分布形式進行仿真模擬;同樣設計感應電極11根，從左到右分別按R1、R2、……、R11編號;驅動電極11根，從前到后分別按T1、T2、……、T11編號。仿真過程中，觸摸點為觸摸面板上表面中心點，其它邊界條件設置不變，計算觸摸前與觸摸過程中不同電極之間的電容值和電容相對變化率，研究電極分布對電容及其變化的影響。

4仿真結果分析

4.1電極寬度與電極間間隙對互電容的影響

圖3（a）是應用仿真得到的手指觸摸之前不同電極寬度下中心點處感應電極與驅動電極間的互電容，即感應電極R6與驅動電極T6之間的電容。由圖3（a）可知，在電極間間隙保持不變時，隨著電極寬度的增加，電極間的互電容快速增加。顯然，隨著電極寬度的增加，上下極板間的面積呈指數增加，這必然導致兩電極板間的電容迅速增大。圖3（b）是電極間間隙為4mm，不同電極寬度下的T6與R6間的互電容及其根據理論公式（1）進行的擬合曲線。擬合曲線調整系數為0.999 98，說明仿真結果滿足理論計算公式，這也進一步證實了仿真的準確性。從擬合曲線可以看出，隨著電極寬度的增加，互電容曲線斜率增加。并且從擬合曲線可以看出，隨著電極寬度的增加，互電容曲線斜率增加，斜率大于曲線y=Kx2的斜率，K為常數，說明即使材料相同，電極寬度也不是影響極板間電容的唯一因素。

圖4（a）是當電極間間隙不同時觸摸之前驅動電極T6與感應電極R6之間的初始互電容。可以看出，在某一電極寬度下，隨著電極間間隙的增加，電極間的互電容是增加的。因為從電場分布來說，電極間間隙增大了兩條驅動電極間隙間的電場線數量，使得驅動電極接收到的電場線數量增加，從而導致極板間的互電容增大。圖4（b）是電極寬度為4mm時不同電極間間隙下驅動電極T6與感應電極T6之間的互電容，以及根據公式（1）進行擬合得到的非線性擬合曲線，其中擬合曲線的調整系數為0.997 31，說明仿真結果與理論公式吻合。由擬合曲線可以看出，隨著電極間間隙的增大，電極間電容的增加斜率減小，這也可以通過理論公式（1）求偏導得到。顯然，電極寬度和電極間間隙共同影響驅動電極與感應電極間的互電容，但電極寬度的影響更顯著。

4.2電極分布對觸控信號的影響

圖5分別給出不同電極寬度和不同電極間間隙對觸摸前后電容相對變化率的影響。當電極寬度較小時，電容相對變化率隨著電極間間隙變化較為明顯;當電極寬度達到6mm以上時，電極間間隙的變化對觸控信號影響很小。這是因為隨著電極寬度的增加，手指觸摸時吸收的電場線數迅速減小，手指對電場在空間分布影響減弱，導致在觸摸前后電容相對變化率降低。另外，在觸摸前后電容相對變化率較大時，隨著電極寬度的增加，觸控信號強度減小;而隨著電極間間隙的增加，觸控信號先增大后減小。對比圖5（a）和圖5（b）可以看出，電極寬度為2-3mm和電極間間隙為imm左有時，觸摸前后電容相對變化率較大，其觸控信號較強。

5 結語

本文研究了電極分布對全織物觸摸墊初始電容和觸控信號的影響規律。針對不同的電極寬度和電極間間隙，以觸摸前后電容的相對變化率為表征指標，得到如下結論：

（1）觸摸墊初始電容呈中間區域較大、邊緣區域小的分布狀態。同時，初始電容隨著電極寬度的增加而增加，斜率也逐漸增加;隨電極間間隙增加而增加，但斜率逐漸減小。電極寬度和電極間隙共同影響觸摸墊的初始電容，但電極寬度影響更顯著。

（2）在觸控信號較大時，觸摸前后觸控信號隨電極寬度的增加呈下降趨勢，隨電極間間隙的增大呈先增加后減小趨勢。

（3）電極寬度為2-3mm和電極間間隙在3mm左右時，觸摸前后電容變化率較大，其觸控信號較強。

通過研究條形電極的電極分布對電容式觸摸墊電容及觸控信號強度的影響，更加清晰地了解到電極寬度與電極間間隙對觸摸墊觸控性能的影響規律，為條形電極形式的投射式電容織物觸摸墊的電極設計提供了依據，可更好地指導后續織物觸控裝置設計，改善電容式織物觸摸墊的靈敏度。

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（責任編輯：杜能鋼）

收稿日期：2020-01-09

作者簡介：甘行（1995-），男，東華大學紡織學院碩士研究生，研究方向為功能紡織品設計與制備;胡吉永（1979-），男，東華大學紡織學

院教授、碩士生導師，研究方向為紡織纖維基柔性電子元器件設計、制備及評價技術。本文通訊作者：胡吉永。