基本介紹
- 中文名：電容式觸控螢幕
- 外文名：capacitive touch screen
- 簡稱：電容屏
- 元件歸屬：感測器
工作原理,原理概述,投射式電容面板,元件分類,表面式電容觸控螢幕,投射式電容觸控螢幕,結構組成,基本結構,技術指標,數據處理過程,優缺點,優點,缺點,注意事項與常見問題,
工作原理
原理概述
電容屏要實現多點觸控，靠的就是增加互電容的電極，簡單地說，就是將螢幕分塊，在每一個區域裡設定一組互電容模組都是獨立工作，所以電容屏就可以獨立檢測到各區域的觸控情況，進行處理後，簡單地實現多點觸控。
電容技術觸摸面板CTP（Capacity Touch Panel）是利用人體的電流感應進行工作的。電容屏是一塊四層複合玻璃屏，玻璃屏的內表面和夾層各塗一層ITO（納米銦錫金屬氧化物），最外層是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保護層，夾層ITO塗層作工作面，四個角引出四個電極，內層ITO為屏層以保證工作環境。
電容式觸控螢幕工作原理
電容式觸控螢幕工作原理當用戶觸摸電容屏時，由於人體電場，用戶手指和工作面形成一個耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，於是手指吸收走一個很小的電流，這個電流分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經四個電極的電流與手指頭到四角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算，得出位置。可以達到99%的精確度，具備小於3ms的回響速度。
投射式電容面板
投射式電容面板的觸控技術投射電容式觸控螢幕是在兩層ITO導電玻璃塗層上蝕刻出不同的ITO導電線路模組。兩個模組上蝕刻的圖形相互垂直，可以把它們看作是X和Y方向 連續變化的滑條。由於X、Y架構在不同表面，其相交處形成一電容節點。一個滑條可以當成驅動線，另外一個滑條當成是偵測線。當電流經過驅動線中的一條導線時，如果外界有電容變化的信號，那么就會引起另一層導線上電容節點的變化。偵測電容值的變化可以通過與之相連的電子迴路測量得到，再經由A/D控制器轉為數字訊號讓計算機做運算處理取得（X，Y） 軸位置，進而達到定位的目地。
操作時，控制器先後供電流給驅動線，因而使各節點與導線間形成一特定電場。然後逐列掃描感測線測量其電極間的電容變化量，從而達成多點定位。當手指或觸動媒介接近時，控制器迅速測知觸控節點與導線間的電容值改變，進而確認觸控的位置。這種一根軸通過一套AC 信號來驅動，而穿過觸控螢幕的回響則通過其它軸上的電極感測出來。使用者們把這稱為‘橫穿式’感應，也可稱為投射式感應。感測器上鍍有X，Y軸的ITO圖案，當手指觸摸觸控螢幕表面時，觸碰點下方的電容值根據觸控點的遠近而增加，感測器上連續性的掃描探測到電容值的變化，控制晶片計算出觸控點並回報給處理器。
3M展示60點電容式觸控螢幕
3M展示60點電容式觸控螢幕元件分類
電容屏原理電容式觸控螢幕的類型分為表面式電容觸控螢幕和投射式電容觸控螢幕兩種。
表面式電容觸控螢幕
常用的是表面式電容觸控螢幕，它的工作原理簡單、價格低廉、設計的電路簡單，但難實現多點觸控。
投射式電容觸控螢幕
投射式電容觸控螢幕卻具有多指觸控的功能。這兩種電容式觸控螢幕都具有透光率高、反應速度快、壽命長等優點，缺點是：隨著溫度、濕度的變化，電容值會發生變化，導致工作穩定性差，時常會有漂移現象，需要經常校對螢幕，且不可佩戴普通手套進行觸摸定位。
投射電容屏可分為自電容屏和互電容屏兩種類型，較常見的互電容屏為例，內部由驅動電極與接收電極組成，驅動電極發出低電壓高頻信號投射到接收電極形成穩定的電流，當人體接觸到電容屏時，由於人體接地，手指與電容屏就形成一個等效電容，而高頻信號可以通過這一等效電容流入地線，這樣，接收端所接收的電荷量減小，而當手指越靠近發射端時，電荷減小越明顯，最後根據接收端所接收的電流強度來確定所觸碰的點。
在玻璃表面用ITO製作成橫向與縱向電極陣列,這些橫向和縱向的電極分別與地構成電容,這個電容就是通常所說的自電容,也就是電極對地的電容。當手指觸摸到電容屏時,手指的電容將會疊加到屏體電容上,使屏體電容量增加。
在觸摸檢測時,自電容屏依次分別檢測橫向與縱向電極陣列,根據觸摸前後電容的變化,分別確定橫向坐標和縱向坐標,然後組合成平面的觸摸坐標。自電容的掃描方式,相當於把觸控螢幕上的觸摸點分別投影到X軸和Y軸方向,然後分別在X軸和Y軸方向計算出坐標,最後組合成觸摸點的坐標。
如果是單點觸摸,則在X軸和Y軸方向的投影都是唯一的,組合出的坐標也是唯一的如果在觸控螢幕上有兩點觸摸並且這兩點不在同一X方向或者同一Y方向,則在X和Y方向分別有兩個投影,則組合出4個坐標。顯然,只有兩個坐標是真實的,另外兩個就是俗稱的“鬼點”。因此,自電容屏無法實現真正的多點觸摸。
互電容屏也是在玻璃表面用ITO製作橫向電極與縱向電極,它與自電容屏的區別在於,兩組電極交叉的地方將會形成電容,也即這兩組電極分別構成了電容的兩極。當手指觸摸到電容屏時,影響了觸摸點附近兩個電極之間的耦合,從而改變了這兩個電極之間的電容量。檢測互電容大小時,橫向的電極依次發出激勵信號,縱向的所有電極同時接收信號,這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點的電容值大小,即整個觸控螢幕的二維平面的電容大小。根據觸控螢幕二維電容變化量數據,可以計算出每一個觸摸點的坐標。因此,屏上即使有多個觸摸點,也能計算出每個觸摸點的真實坐標。
互電容屏的優點是布線較少,而且能同時識別和區分多個觸點之間的差異,自電容屏也可感測多個觸點,不過由於信號本身模糊,故不能區分。此外,互電容屏的感應方案還有速度快和功耗低的優勢,因為其能同時測量一條驅動線路上的所有節點,所以可減少50%的採集周期數。這種雙電極式結構具有自我禁止外部噪聲的功能,在一定功率級上可提高信號穩定性。
在任何情況下,觸摸位置都是通過測量X電極和Y電極之間信號改變數的分配來確定的,隨後會使用數學算法處理這些己改變的信號電平,以確定觸摸點的XY坐標。
結構組成
基本結構
電容式觸控螢幕的基本結構是：基板為一個單層有機玻璃，在有機玻璃的內外表面分別均勻的鍛上一層透明導電薄膜，分別在外表面的透明導電薄膜的四個角上錐上一個狹長的電極。其工作原理是：當手指觸摸電容式觸控螢幕時，在工作面接通高頻信號，此時手指與觸控螢幕工作面形成一個耦合電容，這相當於導體，因為工作面上有高頻信號，手指觸摸時在觸摸點吸走一個小電流，這個小電流分別從觸控螢幕的四個角上的電極流出，流經四個電極的電流與手指到四角的直線距離成比例，控制器通過對四個電流比例的計算，即可得出接觸點坐標值。
電容式觸控屏可以簡單地看成是由四層複合屏構成的屏體：最外層是玻璃保護層，接著是導電層，第三層是不導電的玻璃屏，最內的第四層也是導電層。最內導電層是禁止層，起到禁止內部電氣信號的作用，中間的導電層是整個觸控屏的關鍵部分，四個角或四條邊上有直接的引線，負責觸控點位置的檢測。
其中最上面的覆蓋層是鋼化玻璃或者聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。PET 的優勢在於觸控螢幕可以做到更薄,另一方面也比現有的塑膠和玻璃材質更加便宜。絕緣層是玻璃(0.4～1mm) 、有機薄膜(10～100um)、粘合劑、空氣層。其中最重要的一層是氧化銦錫（ITO）層，ITO 的典型厚度 50～100nm, 其方塊電阻大約 100～300歐姆範圍。ITO 的工藝三維結構對電容式觸控螢幕的影響很大，它直接關係到觸控螢幕的 2 個重要電容參數:感應電容(手指與上層 ITO)和寄生電容(上下層 ITO 之間,下層 ITO 與顯示螢幕之間)。
電容式觸控螢幕的構造主要是在玻璃螢幕上鍍一層透明的薄膜體層，再在導體層外加上一塊保護玻璃，雙玻璃設計能徹底保護導體層及感應器，同時透光率更高，也能更好地支持多點觸控。
電容式觸控螢幕在觸控螢幕四邊均鍍上狹長的電極，在導電體內形成一個低電壓交流電場。在觸控螢幕幕時，由於人體電場，手指與導體層間會形成一個耦合電容，四邊電極發出的電流會流向觸點，而電流強弱與手指到電極的距離成反比，位於觸控螢幕幕後的控制器便會計算電流的比例及強弱，準確算出觸摸點的位置。電容觸控螢幕的雙玻璃不但能保護導體及感應器，更有效地防止外在環境因素對觸控螢幕造成影響，就算螢幕沾有污穢、塵埃或油漬，電容式觸控螢幕依然能準確算出觸摸位置。
電容式觸控螢幕
電容式觸控螢幕由於電容隨接觸面積、介質的介電的不同而變化，故其穩定性較差，往往會產生漂移現象。該種觸控螢幕適用於系統開發的調試階段。
技術指標
精確度：99%的準確度。
電容屏工作原理
電容屏工作原理靈敏度：小於兩盎司的施力即可感應，小於3ms的快速回應。
清晰度：三種表面處理（Polish，Etch，Industrial）可供選擇。SMT控制器的MTBF 大於572，600小時（每MILHANDBOOK-217-F1）。
觸摸壽命：任何一點可承受大於5，000萬次的觸摸，一次校正後游標不飄移。
電容觸控技術是利用手指近接電容觸控面板時所產生電容變化的觸控技術。電容觸控有兩個重要電容參數，其一是手指和上層感測材質（例如ITO）之間的感應電容，其二是感測材質之間（例如ITO上下層）或感測材質與光學面板之間（例如ITO和LCD）的寄生電容。
導體與導體之間會產生寄生電容，而當手指導體接近不同電壓的感測導體時，也會產生感應電容變化。電容感測效應便是如何在較大的寄生電容值（30 pico Farad；pF）下，偵測到0。1～2個pF單位微小的感應電容變化。電容觸控技術較為穩定、可靠度高，藉由人體該身就是一個電容體的特性，在接觸觸控面板時所產生的電容變化達到感測觸控效果。Atmel市場總監Christopher Ard指出，感測器設計可以是單面ITO圖形，用於最低功能性接口，例如單觸摸點用於大型虛擬按鈕、滑塊等套用，不過更常見的實施方案是兩層設計（單獨的X和Y層），這便需要複雜度更高的性能和精準度。
數據處理過程
電容式觸控螢幕接收到觸摸信號之後,將觸摸數據轉換成電脈衝,傳送到觸控螢幕控制IC進行處理。信號先經過一個低噪聲放大器LNA進行放大,然後通過模數轉換和解調,最後送到一個DSP進行數據處理。
電容式觸控螢幕一般有M+N(M列N行)個物理電容觸摸感測器。這M+N個相互交錯的感測器組成了M*N個電容感應點,當用戶的手指接近觸控螢幕的時候,其電容會隨之改變。感測器的間隔(也就是相鄰行或列間的距離)通常在幾個毫米左右,這個間隔距離決定了觸控螢幕的物理解析度M*N。
電容式觸控螢幕模組和LCD模組間的坐標系是完全不同的。LCD模組的像素坐標一般由它的解析度決定,比如,一塊WVGA的屏,它的解析度為800*480,也就是說有800行,每行480個RGB像素。從而,一個具體位置可以由X和Y方向上像素點(x,y)來確定。而電容式觸控螢幕模組則是根據其X和Y的方向上的原始物理尺寸來確定坐標系的。兩坐標系間必須存在一個合理的映射方法,才可以保證輸入和輸出操作的正確性。
所以,觸控螢幕控制IC的DSP處理器還得對得到的數據進行電容式觸控螢幕模組和LCD模組間的像素映射轉換,從而確保在觸控螢幕上感應到用戶的觸摸點就是用戶所指的點。
另外,為了保持觸摸坐標的穩定,觸控螢幕控制IC需要進一步處理觸摸點的抖動,包括手指的抖動與電容數據的噪聲,並根據坐標的變化來改變低通濾波器的濾波係數,實現對坐標的平滑處理。
最後,在把數據傳到主機之前,還得使用軟體分析數據,確定每次觸摸是為了使用什麼功能。這一過程包含確定螢幕上被觸摸的區域大小、形狀和位置。如果有必要,處理器會將相似的觸摸整理分組。如果用戶移動手指,處理器就會計算用戶觸摸的起點和終點間的差別。
優缺點
優點
- 電容觸控螢幕只需要觸摸，而不需要壓力來產生信號。
- 電容觸控螢幕在生產後只需要一次或者完全不需要校正，而電阻技術需要常規的校正。
- 電容方案的壽命會長些，因為電容觸控螢幕中的部件不需任何移動。電阻觸控螢幕中，上層的ITO薄膜需要足夠薄才能有彈性，以便向下彎曲接觸到下面的ITO薄膜。
- 電容技術在光損失和系統功耗上優於電阻技術。
- 選擇電容技術還是電阻技術主要取決於觸碰螢幕的物體。如果是手指觸碰，電容觸控螢幕是比較好的選擇。如果需要觸筆，不管是塑膠還是金屬的，電阻觸控螢幕可以勝任。電容觸控螢幕也可以使用觸筆，但是需要特製的觸筆來配合。
- 表面電容式可以用於大尺寸觸控螢幕，並且相成該也較低，但時下無法支持手勢識別：感應電容式主要用於中小尺寸觸控螢幕，並且可以支持手勢識別。
- 電容式技術耐磨損、壽命長，用戶使用時維護成本低，因此生產廠家的整體運營費用可被進一步降低。
- 電容式觸控螢幕就是可以支持多點觸控技術，而且不像電阻式觸控螢幕反應遲鈍並且不易磨損。
缺點
電容觸控螢幕的透光率和清晰度優於四線電阻屏，當然還不能和表面聲波屏和五線電阻屏相比。電容屏反光嚴重，而且，電容技術的四層複合觸控螢幕對各波長光的透光率不均勻，存在色彩失真的問題，由於光線在各層間的反射，還造成圖像字元的模糊。
電流：電容屏在原理上把人體當作一個電容器元件的一個電極使用，當有導體靠近與夾層ITO工作面之間耦合出足夠量容值的電容時，流走的電流就足夠引起電容屏的誤動作。
電容值雖然與極間距離成反比，卻與相對面積成正比，並且還與介質的的絕緣係數有關。因此，當較大面積的手掌或手持的導體物靠近電容屏而不是觸摸時就能引起電容屏的誤動作，在潮濕的天氣，這種情況尤為嚴重，手扶住顯示器、手掌靠近顯示器7厘米以內或身體靠近顯示器15厘米以內就能引起電容屏的誤動作。 電容屏的另一個缺點用戴手套的手或手持不導電的物體觸摸時沒有反應，這是因為增加了更為絕緣的介質。
漂移：電容屏更主要的缺點是漂移：當環境溫度、濕度改變時，環境電場發生改變時，都會引起電容屏的漂移，造成不準確。例如：開機後顯示器溫度上升會造成漂移：用戶觸控螢幕幕的同時另一隻手或身體一側靠近顯示器會漂移；電容觸控螢幕附近較大的物體搬移後會漂移，使用者觸摸時如果有人圍過來觀看也會引起漂移；電容屏的漂移原因屬於技術上的先天不足，環境電勢面（包括用戶的身體）雖然與電容觸控螢幕離得較遠，卻比手指頭面積大的多，他們直接影響了觸摸位置的測定。
其他：此外，理論上許多應該線性的關係實際上卻是非線性，如：體重不同或者手指濕潤程度不同的人吸走的總電流量是不同的，而總電流量的變化和四個分電流量的變化是非線性的關係，電容觸控螢幕採用的這種四個角的自定義極坐標系還沒有坐標上的原點，漂移後控制器不能察覺和恢復，而且，4個A/D完成後，由四個分流量的值到觸摸點在直角坐標繫上的X、Y坐標值的計算過程複雜。由於沒有原點，電容屏的漂移是累積的，在工作現場也經常需要校準。 電容觸控螢幕最外面的矽土保護玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲擊，敲出一個小洞就會傷及夾層ITO，不管是傷及夾層ITO還是安裝運輸過程中傷及內表面ITO層， 電容屏就不能正常工作了。
注意事項與常見問題
1、如果使用者使用的是電容式觸控螢幕，那么建議使用者在第一次使用時，首先先按照相關說明書的要求正確安裝好電容觸控螢幕所需要的驅動程式，然後用手指依次單擊螢幕上的“開始”/“程式”/“Microtouch Touchware”來運行螢幕校準程式，校準完成以後，系統自動將校準後的數據存放在控制器的暫存器內，以後再重新啟動系統後就無需再校準螢幕了。
2、如果在中途操作電容觸控螢幕時，重新改變了觸控螢幕的顯示器解析度或顯示模式，或者是自行調整了觸控螢幕控制器的刷新頻率後，感覺到游標與觸摸點不能對應時，都必須重新對觸控螢幕系統進行校準操作。
3、為了保證觸控螢幕系統的正常工作，除了要保證系統軟體的正確安裝之外，還必須記得在一台主機上不要安裝兩種或兩種以上的觸控螢幕驅動程式，這樣會容易導致系統運行時發生衝突，從而使觸控螢幕系統無法正常使用。
4、在使用電阻式觸控螢幕時，如果發現游標不動或者只能在局部區域移動時，使用者可以查看一下觸控螢幕的觸摸區域是否被其他觸摸物始終壓住，例如一旦觸控螢幕被顯示器外殼或機櫃外殼壓住了，就相當於某一點一直被觸摸，那么反饋給控制器的坐標位置就不準確。
5、前面曾經提到，一旦系統在更換顯示解析度、調整螢幕大小和第一次安裝時都有會出現單擊不準或漂移，需啟動應用程式中自帶的定位程式重新定位，不過在定位時，最好要使用比較細的筆或指尖進行定位，這樣比較準。
6、表面聲波觸控螢幕的工作環境要求較高，它必須要求工作在一個乾淨、沒有灰塵污染的環境中，而且還要定期清潔觸控螢幕表面上的灰塵，不然的話，空氣中的灰塵覆蓋在觸控螢幕四周的反射條紋或換能器上時，就會影響系統的正確定位。
7、不要讓觸控螢幕表面有水滴或其它軟的東西粘在表面，否則觸控螢幕很容易錯誤認為有手觸摸造成表面聲波屏不準。另外在清除觸控螢幕表面上的污物時，使用者可以用柔軟的乾布或者清潔劑小心地從螢幕中心向外擦拭，或者用一塊乾的軟布蘸工業酒精或玻璃清洗液清潔觸控螢幕表面。
8、如果用手或者其他觸摸物來觸摸表面聲波觸控螢幕時，觸控螢幕反應很遲鈍，這說明很有可能是觸控螢幕系統已經陳舊，內部時鐘頻率太低，或者是由於觸控螢幕表面有水珠在移動，要想讓觸控螢幕恢復快速回響，必須重新更換或者升級系統，或者用抹布擦乾觸控螢幕表面的水珠。
9、觸控螢幕一般用串口進行信號的傳輸，從PS/2連線埠取信號，而TPS螢幕是從主機電源直接取電。如果指示燈不亮，說明沒有取到信號，控制盒上的PS/2線可能壞了。如果燈亮著，但依舊不閃，說明控制盒壞了，因此使用者們必須更換控制盒。如果更換控制盒還是不行，有可能是螢幕被壓得太緊，需要將四周的螺絲稍微松一下，因為觸控螢幕是由特殊材料組成，它該身不太容易損壞。如果串口是壞的或被禁用，將導致驅動程式無法安裝，因為安裝驅動時，會自動尋找串口。即使能夠安裝，也會出現滑鼠不動或無法定位。最好不要用串口滑鼠來判斷串口的好壞，可能串口9根針對它們來說各自用的方式不一樣。如果螢幕被壓著，或者地線沒有接好，會導致無法定位。如果出現有些區域無法點擊或反應遲緩，有可能是灰塵影響，需拆開外殼來除去灰塵。
10、當用手指觸摸電容觸控螢幕的某一位置時，觸控螢幕沒有任何反應時，這很有可能是對應該觸摸位不準確，游標當然也就不能正確定位了。如果是機櫃外殼壓住觸摸區域使用者可以將機櫃和顯示器螢幕之間的距離調大一點，如果是顯示器外殼壓住觸摸區域，使用者可以試著將顯示器外殼的螺絲擰松一點試一下。
