簡述電容式觸摸屏系統(tǒng)設計中需要實際考慮的問題
出處:Yi Hang Wang 發(fā)布于:2011-08-24 11:20:03
電容式觸摸屏的構造主要是在玻璃屏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。電容式觸摸屏在觸摸屏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。在觸摸屏幕時,由于人體電場,手指與導體層間會形成一個耦合電容,四邊電極發(fā)出的電流會流向觸點,而電流強弱與手指到電極的距離成正比,位于觸摸屏幕后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。電容觸摸屏的雙玻璃不但能保護導體及感應器,更有效地防止外在環(huán)境因素對觸摸屏造成影響,就算屏幕沾有污穢、塵埃或油漬,電容式觸摸屏依然能準確算出觸摸位置。由于電容隨溫度、濕度或接地情況的不同而變化,故其穩(wěn)定性較差,往往會產生漂移現(xiàn)象。該種觸摸屏適用于系統(tǒng)開發(fā)的調試階段。
電容式觸摸屏雖然自iphone出現(xiàn)后才成為受人矚目的觸摸屏技術,但是電容式觸摸屏已經20多歲了。早期美國的3M公司壟斷了電容式觸摸板的國際市場,數(shù)年前由于該的到期,觸摸元件制造商紛紛加入開發(fā)電容式觸摸屏產品中,蘋果公司推出iphone、itouch等產品成了電容式觸摸屏應用典范。電容式觸摸屏分為表面電容式和投射電容式兩大門派,投射電容式觸摸屏的構造是以一層玻璃作為基層,在其上覆蓋一層透明的導電薄膜層,接著在導體層上覆蓋一塊保護玻璃;電容式觸摸屏的四邊均鍍上了狹長的電極,其內部形成一個低電壓交流電場。在人沒有與觸摸屏碰觸時,各個電極是同電位的。

圖1. 多點觸摸屏可以接受用戶的多種手勢
要評價一個設備的機械設計,必須解決幾個關鍵問題:
1. 防護層(觸摸表面)是平面還是曲面?
通常建議把電容式觸摸屏安裝在平板式觸摸表面上。曲面會增加復雜性。要實現(xiàn)魯棒的電容式觸摸設計,透明的觸摸傳感器必須整齊地夾在防護層的下面。因壓合不均勻而產生的任何氣泡都會降低觸摸性能并影響產品的美觀。
曲面防護層只能以PET(聚脂)作為觸摸傳感器的基底。塑料傳感器可通過彎曲來適應防護層的外形。如果必須使用曲面的防護層,從反射的角度看,建議曲率不超過45度。曲率增大會增加壓合工藝的難度,并可能損壞ITO(氧化銦錫)圖案,進而可能會影響成品率。
使用壓敏粘合劑(PSA)來實現(xiàn)壓合較為便宜,但它不能用于曲面防護層。要保證更好的壓合完整性,可能須使用更為昂貴的UV固化粘合劑。UV粘合劑價格昂貴,但使用方便、粘合層薄,并具有非常高的光學品質(透明度大于95%)。
2.防護層非工作區(qū)(不透明區(qū))的邊沿寬度為多少?
對尺寸小于4英寸(10厘米)的觸摸屏,觸摸屏的邊沿寬度,在觸摸傳感器尾線一側應不窄于10mm,與尾線側毗鄰的兩側應不窄于3mm.這個邊沿空間用于隱藏把透明的ITO圖案鏈接到控制電路的非透明銀質箔線并隱藏控制電路本身。對于使用玻璃基底的觸摸屏,邊沿的寬度或許可以做得更窄,但仍建議使用上述指導原則。圖2 描述了這些指導原則。

圖2:對觸摸屏非工作邊沿區(qū)的要求
3.保護層使用什么材料?
在觸摸屏工作區(qū)域內,保護層和任何裝飾品都不能使用導電性材料。
因為使用導電性材料會屏蔽電容傳感器的電場,并極大地降低傳感性能。保護層的厚度應為1mm或更薄。
4.保護層底面與液晶顯示模塊(LCM)之間的距離是多少?
由于便攜通信設備外形纖巧,液晶模塊(LCM)與保護層之間的間距需要重點考慮。必須有足夠大的空間來安裝薄的觸摸屏傳感器,另外還需要有足夠大的氣隙來避免觸摸傳感器受到來自LCM的電磁干擾。建議在觸摸傳感器基底和LCM之間至少留0.5mm的間隙。
5.如何處理靜電放電(ESD)?
為防止在觸摸表面上發(fā)生靜電放電事件,必須設置一條貫穿整個設備的低阻抗接地路經。應使用放置在防護層非工作邊界區(qū)中的接地環(huán)來保護觸摸傳感器。
接地環(huán)可以是簡單的金屬箔。必須保證在接地環(huán)和設備的系統(tǒng)地之間存在可靠連接。
在完成了機械評估之后,必須為觸摸屏選擇一個合適的基底。圖3 顯示了投射式電容觸摸屏的一個典型ITO圖案。

圖3:典型的ITO圖案(紅藍表示兩個不同的層)
投射式電容觸摸屏基底的兩種主要材料是玻璃和PET(聚酯)。這兩種材料各有優(yōu)點,如果設備的機械設計對基底選擇沒有特殊要求,則應根據(jù)你的營銷策略選擇適合你的產品的基底。表1給出了兩種基底的特性對比。

表1:玻璃基底和PET基底的特性對比
玻璃基底通常用于對光學性能和環(huán)境耐受力要求高的應用系統(tǒng)。在大多數(shù)應用中,玻璃基底觸摸傳感器與反射系數(shù)接近的鋼化玻璃保護層搭配使用。另外,通常用防炫目、防反射和防劃擦涂層對保護層進行處理,降低反射量并進一步提高光學性能。透明度用于定義通過某種材料的光線量。反射系數(shù)用于度量光線反射量。
所有投射式觸摸屏都包含圖案狀的透明ITO導體。理想情況下,ITO圖案的反射率等于沒有ITO圖案的箔線間隙的反射率,這樣能保證導電的ITO箔線不可見。玻璃觸摸傳感器和保護層也可以通過化學處理來提高抗跌落沖擊的能力。同PET相比,玻璃基底的投射式電容系統(tǒng)通常更昂貴。
使用PET基底的主要好處是薄、壓合成品率高且結構更輕。當然,PET觸摸屏系統(tǒng)的成本大大低于類似的玻璃基底方案。薄膜基底通常與相對便宜的PMMA保護膜配合,這種保護膜強度低,表面易于被劃傷。
為了了解在PET和玻璃觸摸傳感器之間的成本差異,有必要考察兩者在不同制造階段的成品率。在觸摸傳感器的制造過程中,ITO被噴覆在玻璃/PET基底上,在基底表面形成細密的ITO沉積薄層。然后,需要制造一個用于生成ITO圖案的光掩膜,為下一個處理階段做準備。
在蝕刻工藝中使用光掩膜來清除不要的ITO,產生所要求的ITO圖案。對于雙基底投射式電容觸摸屏來說,壞情況下的制造成品率由下列方程給出。
成品率投射式=噴覆成品率x蝕刻(X)成品率x噴覆成品率x蝕刻(Y) 成品率+壓合成品率
生產經驗表明:
噴覆成品率(PET)>噴覆成品率(玻璃)
蝕刻成品率(PET)>蝕刻成品率(玻璃)
壓合成品率(PET)>壓合成品率(玻璃)
另外,為提高玻璃觸摸傳感器的機械強度而進行的化學處理工藝也將潛在地影響其成品率,而基于PET的方案則不涉及這個問題。
電容觸摸屏的透光率和清晰度優(yōu)于四線電阻屏,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,電容技術的四層復合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻,存在色彩失真的問題,由于光線在各層間的反射,還造成圖像字符的模糊。
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。 我們知道,電容值雖然與極間距離成反比,卻與相對面積成正比,并且還與介質的的絕緣系數(shù)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。
電容屏更主要的缺點是漂移:當環(huán)境溫度、濕度改變時,環(huán)境電場發(fā)生改變時,都會引起電容屏的漂移,造成不準確。例如:開機后顯示器溫度上升會造成漂移:用戶觸摸屏幕的同時另一只手或身體一側靠近顯示器會漂移;電容觸摸屏附近較大的物體搬移后回漂移,你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于技術上的先天不足,環(huán)境電勢面(包括用戶的身體)雖然與電容觸摸屏離得較遠,卻比手指頭面積大的多,他們直接影響了觸摸位置的測定。
此外,理論上許多應該線性的關系實際上卻是非線性,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系,電容觸摸屏采用的這種四個角的自定義極坐標系還沒有坐標上的原點,漂移后控制器不能察覺和恢復,而且,4個A/D完成后,由四個分流量的值到觸摸點在直角坐標系上的X、Y坐標值的計算過程復雜。由于沒有原點,電容屏的漂移是累積的,在工作現(xiàn)場也經常需要校準。 電容觸摸屏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。
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