干货分享！电容触摸技术的基本原理解析

[导读]电容式触摸感应技术是一种广泛应用于现代触摸屏设备中的技术，如智能手机、平板电脑、电脑触摸板等。其原理基于电容的变化来检测和感应触摸操作。以下是对电容式触摸感应技术原理的详细阐述，旨在以清晰、结构化的方式呈现相关信息。

电容式触摸感应技术是一种广泛应用于现代触摸屏设备中的技术，如智能手机、平板电脑、电脑触摸板等。其原理基于电容的变化来检测和感应触摸操作。以下是对电容式触摸感应技术原理的详细阐述，旨在以清晰、结构化的方式呈现相关信息。

电容式触摸屏技术通过人体的电流感应实现工作。它由四层复合玻璃屏组成，内表面和夹层均覆盖一层ITO，外层则由薄层矽土玻璃保护。夹层ITO涂层作为工作面，并引出四个电极于四个角落，同时内层ITO作为屏蔽层，确保良好的工作环境。当手指触摸金属层时，因人体电场与触摸屏表面形成耦合电容，高频电流通过该电容被手指吸走，形成微小电流。这些电流从触摸屏四角电极流出，比例与手指到四角的距离成正比。控制器通过精确计算这些电流比例，从而确定触摸点的位置。

此外，电容屏实现多点触控的原理在于增加互电容电极。简单来说，就是将屏幕划分为多个区域，每个区域设置一组独立工作的互电容模块。这样，电容屏能独立检测各区域的触控情况，并经处理后实现多点触控功能。

一、电容的基本概念

电容是指电荷存储和分布的能力，是电场中电荷存储量的度量。当两个导体之间存在电场时，它们之间会形成一个电容。电容的大小取决于导体之间的距离、面积以及介质的介电常数。在电容式触摸感应技术中，这种电容的变化被用来检测和定位触摸操作。

二、电容式触摸感应技术的原理

1. 传感电极阵列

在电容式触摸感应中，触摸屏或触摸面板上布置了一个或多个传感电极。这些传感电极通常被安装在触摸面板的下方或周围，并与电容感应电路连接。这些电极形成了一个电场，当触摸发生时，电场会发生变化。

2. 触摸操作与电容变化

当用户触摸触摸面板上的某个位置时，人体或物体会作为一个导体进入传感电极的感应范围。由于人体或物体具有导电性，它们会改变触摸位置周围的电场分布，从而导致该位置的电容发生变化。具体来说，当手指接近或接触触摸屏时，会形成一个新的电容耦合路径，这个路径与原有的电容系统并联，使得总电容增加。

3. 电容变化检测

电容感应电路会不断地测量和监测传感电极与接地之间的电容变化。当有触摸操作发生时，触摸位置的电容变化会导致电容感应电路中的电压或电荷发生变化。这种变化被电容感应电路捕捉并转化为电信号。

4. 信号处理和定位

电容感应电路将测量到的电容变化转化为电信号后，通过信号处理器进行处理。处理器会分析电容变化的模式和特征，以确定触摸的位置和相关的触摸参数。这个过程通常包括滤波、放大、模数转换(ADC)以及算法处理等步骤。通过复杂的算法处理，系统能够准确地识别出触摸点的位置、大小、形状以及触摸的力度等信息。

三、电容式触摸感应技术的类型

电容式触摸感应技术根据感应方式的不同可以分为多种类型，其中最常见的是自电容感应和互电容感应。

1. 自电容感应

自电容感应技术使用一个引脚并测量该引脚和电源地之间的电容。当手指放在传感器上时，系统的电容会增加，因此其电压也会增加。通过实测电压的变化即可检测是否有手指进行触摸。这种技术一般用于单点触摸或滑条等简单应用。

2. 互电容感应

互电容感应技术使用两个电容：一个为发送电极(TX)，一个为接收电极(RX)。TX引脚提供数字电压并测量RX引脚上所接收到的电荷。在RX电极上接收到的电荷与两个电极间的互电容成正比。当手指放在TX和RX电极之间时，互电容会降低，因此RX电极上接收到的电荷也会降低。通过检测RX电极上的电荷变化可以判断触摸/无触摸状态以及触摸点的位置。这种技术支持多点触控和更复杂的触摸操作。

1.电容触摸屏的工作原理及类型概览

电容触摸屏，一种广泛应用于现代电子设备中的输入技术，其工作原理基于人体的电容特性。当人体部分接触到屏幕时，会改变屏幕下的电容分布，进而产生电流，从而实现对屏幕的触控操作。这种技术不仅响应速度快，而且支持多点触控，为用户带来了便捷且直观的操作体验。同时，电容触摸屏还具有多种类型，如投射式电容触摸屏、表面声波触摸屏等，每种类型都有其独特的应用场景和优势。

2. 电容触摸屏的工作原理及分类

电容触摸屏的核心原理在于人体电流感应与电荷转移。当手指触摸屏幕时，它与触摸屏表面之间会形成一个耦合电容。由于电容的容抗与信号频率成反比，即频率越高，阻抗越小，因此高频电流会流过这个电容。此时，手指触摸的动作会从触摸点吸走微小的电流，而屏幕上的控制器会检测到这种微小的电流变化，从而识别出触摸动作并确定触摸的坐标。此外，电容触摸屏还具有多种类型，如投射式、表面声波式等，每种类型都有其独特的应用和优势。

电容触摸屏可依据其结构和原理的不同，进一步细分为表面式和投射式两大类。其中，投射式电容屏又包含自电容式和互电容式两种类型，二者在构造和工作原理上有所差异，如图所示。

3. 表面电容式触摸屏

表面电容式触摸屏的典型结构是在玻璃基板上覆盖一层高阻PVD透明导电膜。该膜上，通过丝网印刷银浆工艺制成的线性图形(常称为总线)与透明导电薄膜相连通，而另一端则与弯曲的尾部相连。最终，这些尾部再与屏幕的控制器相接，从而构成完整的触摸屏系统。

从导电涂层的四个角落引出四个电极，并与控制器相连结，其工作原理可参考下图所示的原理图。

在未被触摸时，屏幕表面维持着一个均匀的电场。一旦人体手指或任何其他导电物体与屏表面接触，屏上的电荷便会通过人体流入大地。为了补偿这一电荷损失，位于屏幕四个角落的电极会开始向触摸点发送电荷。这个过程中产生的电流大小与触摸点到四个角落的距离成反比。控制器通过监测这些电流值，便能精准地判断出触摸的位置。值得注意的是，表面式电容屏主要适用于单点触摸的识别。

4. 投射式电容触摸屏

3.1 自电容检测式

自电容扫描方式是利用单个电极自身的电容，其中一端与激励信号相连，另一端则接地。在ITO导电涂层上，纵横交叉的电极结构呈垂直排列。当手指触碰屏幕时，会形成一个新的手指对地的电容Cf，而这个电容与原有的电极对地电容Cp是并联关系，因此总电容会增加。在扫描过程中，系统会先逐个扫描横向电极，再逐个扫描纵向电极，即完成(X+Y)次扫描，且扫描速度相当迅速。

对于单点触摸，系统首先扫描X轴以找到电容变化的位置，从而确定触摸点的横坐标。接着扫描Y轴以确定纵坐标，进而得到精确的触摸位置。而在两点触摸且这两点不在同一X轴或同一Y轴上时，控制器虽然能分别获取两个点的横纵坐标，但组合起来会产生四个可能的坐标点，导致无法准确判断哪个是真实的触摸点，即出现“鬼点”现象。如上图所示，其中两黑色点为真实的触摸点，而红色叉点则为误判的“鬼点”。

自电容检测式电容屏的结构原理相对简单，扫描速度也相当迅速。然而，它所测量的是单个电极的电容，而非电极交叉点的电容。这一局限性使得它无法准确侦测多点触摸的情况。

3.2 互电容检测式

互电容检测式的工作原理是利用行列电极交叉所形成的耦合电容。在扫描过程中，横向电极被设定为耦合电容的上极板，而纵向电极则作为下极板。通过这种方式，触摸屏在激活某一行驱动电极后，会依次扫描每一列的感应电极，从而检测出与该行驱动电极所形成的耦合电容。这样的扫描方式意味着在整个屏幕上完成一次扫描需要(X*Y)次操作。值得一提的是，互电容检测式不仅能够识别多点触摸，还能有效避免鬼点现象。

手指触摸屏幕后，会使得触摸位置电极间的部分电荷被大地吸收，进而导致驱动电极与感应电极之间的电容减小。控制器会检测到这一电容的减小，这与自电容检测式的情况正好相反。控制器会进一步处理这种互电容的减小量，从而计算出触碰点的坐标。只有当变化量超过特定阈值时，才会被视为有效触摸。

互电容检测方式的电容触摸屏，能够真正实现无鬼点的多点触控识别，但其结构相对复杂，功耗较高，扫描时间较长，并且在抗噪能力方面不及自电容。

5. 微小电容检测技术

触摸屏Sensor的互电容变化量因触摸而引发，这种变化量微小至pF级别，但其检测精度对触摸屏的触摸灵敏度和准确度产生深远影响。为此，触摸屏控制系统需掌握这一核心技术。电容通常被转换为电压V、电流I、周期时间T或频率f等易于测量的物理量进行测量。当前，三种主流的电容变化量检测技术包括充电传输测量法、张弛振荡器法以及电荷转移法。

4.1 充电传输测量法

充电传输测量法基于电荷保持原理，其基本原理示意图如下。该方法通过开关K1将感应电极Cp与VDD相连，对其施加电压进行充电。之后，断开K1并利用开关K2将Cp中存储的电荷转移至电容值较大的采样电容Cs中。经过多次测量，可以确定感应电极上的实际电容值。当手指触摸屏幕时，Cp的电容值会有所增大，通过监测输出电压Vout达到Vref所需的时间，即可精确测量触摸屏电容的变化量。

4.2 弛张振荡器法

弛张振荡器，主要由比较器和外部电阻组成，其工作原理是通过电容的持续充放电来产生振荡。当手指触摸屏幕时，原本由VDD通过电阻R为电容Cp充电的过程会受到影响，因为触摸使得Cp的电容值增大，进而导致充电时间延长。测量电路通过监测输出信号的频率和周期的变化，可以识别出是否发生了有效的触摸操作。