电容屏结构-悬浮模型.docx

悬浮模型讲解 悬浮模型：触摸屏单个节点Touch模型：图1 Touch模型图2 No Touch模型模型说明：V1模拟驱动信号源，为便于分析设定为单频信号C1，C1x触摸屏单个节点本征电容（互电容），该电容的电场是开放的，会随着手指的Touch而被吸走部分电场。C1表示该电容电容不会改变的部分，C1x表示开放的电场导致可被改变的电容。C2手指Touch时，手指与驱动线之间的耦合电容（自电容）C3手指Touch时，手指与感应线之间的耦合电容（自电容）Ch人体对触摸屏系统地之间的耦合电容在Guitar检测电路中，前级放大器的输入端为虚地可等效为交流对地短路。手指Touch时吸走的电荷实质上会回到Guitar检测电路中去，所以仅考虑人体与系统地之间的耦合电容。至于人体对大地，系统地对大地的耦合最终都是等效为人体与系统地之间的耦合电容，暂不另外考虑。实际较大ITO阻抗的屏上，由于驱动/感应线电阻存在会与驱动/感应线对地寄生电容（自电容）形成RC效应衰减信号。LCR Meter对C1的测定是不准确的。为了简化分析，假设屏的电阻很小，可以忽略。悬浮效应：图3 直径20mm金属仿真双指Touch差值图理想情况下，双指Touch时差值均为正值，不应出现负值。出现负值的主要原因是由于C2，C3和Ch电容网络的影响。Touch电路模型分析：Guitar检测电路是基于对感应端的电流/电荷进行检测来判定C1+C1x互电容。而floating效应电流并没有流过C1+C1x，是从手指上过来的，会对Touch检测造成影响。理想情况下，Touch检测C1+C1x减小为C1，sensor电流减小，而i1是增加的电流会抵消掉一部分Touch效应。Touch时，互电容C1+C1x电容的容值会减小（互电容变小）。不同的屏根据测量可知，C1+C1x本征电容的值范围1pf4pf，减小的比例为10%25%。即C1x（可变互电容）电容值大约为0.1pf1pf。Touch时，只要保证手指接触面刚好可以完全覆盖一个节点开放电场范围，Touch的变化量理论上就可以达到最大C1x。继续增加接触面积对增大Touch变化量C1x没 有帮助。下面的分析都是基于手指可以完全覆盖节点电容。在触摸屏上，手指无论如何Touch都会产生图4的效应。图4 floating效应电流假如C1+C1X有1A交流通过，（C1与C1X电容并联变大，通过的交流越大）。C2与C3有0.1A通过，C1X分走0.2，即手指吸走0.2A，电流C1流出 0.8A，原来检测到的电流为0.8A，现在I1多了0.1A，导致检测为0.9A，互电容中（C1+C1X）的可变部分互电容C1x占本征电容比例变小非悬浮Touch时，手指不触摸时检测到为C1+C1x=1A，手指触摸后，手指吸走的电流部分C1X，检查到值为C1=0.8A，手指触摸会导致检测到的电流变小，从而得到互电容变化量减小。Touch时，互电容C1+C1x电容的容值会减小（互电容变小）1. C1x占本征电容比例=C1xC1+C1xC1x占本征电容比例反映了在无悬浮效应的理想情况下，Touch变化比例C1x占本征电容比例越大，触摸变化量越大，效果越好。（当仿真手指接地测试时，等效悬浮电容为零，LCR Meter可直接测试出C1x;仿真手指未直接接地时，C1x无法直接测出）。由于Ch无论如何不可能等效为短路至系统地，所以Touch时，i1一定是存在的，我们把这个电流定义为floating效应电流。电流的大小和C2，C3和Ch网络有关，他们和i1的关系如下：C为通交流，阻直流。 C2越大，通过交流电流的越多，i1越大 C3越大，通过交流电流的越多，i1越大 Touch检测C1+C1x减小为C1，sensor电流减小，而i1是增加的电流会抵消掉一部分Touch效应。所以C2 C3越小越好。会使I1变小，影响更小。 Ch人体对触摸屏系统地之间的耦合电容 C=S/4kd 手机拿手上，无悬浮情况下，d变小，Ch越大，交流越容易从手指上流到系统GND上，所以电流直接从手指流入系统GND,使i1越小，即悬浮特性越好。 我们希望I1越小越好.C2 C3越小越好。 Guitar检测电路是基于对感应端的电流/电荷进行检测来判定C1+C1x互电容。而floating效应电流并没有流过C1+C1x，是从手指上过来的，会对Touch检测造成影响。理想情况下，Touch检测C1+C1x减小为C1，sensor电流减小，而i1是增加的电流会抵消掉一部分Touch效应。推论1：任何触摸屏，通过Guitar检测电路/LCR Meter看到的Touch变化量实际上都小于真正的C1x变化。(上述推论仅适用于Sensor可等效为系统地的检测电路)我们把通过Guitar检测电路/LCR Meter电路看到的Touch等效电容定义为视在电容。该电容与C1+C1x本征电容有关，但不能完全直接等效。floating效应电流可以等效为一个与C1并联的电容，定义为等效悬浮电容。电容并联公式：Ceq = C1 + C2 + + Cn 电容串联公式：1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + + 1/Cn 根据图4所示等效电容网络，可以计算出下面几个有意义的数值：2. 等效悬浮电容=(C2+C1x)C3C3+Ch+C2+C1x等效悬浮电容越大，Touch负值越大。3. C1x占本征电容比例=C1xC1+C1xC1x占本征电容比例反映了在无悬浮效应的理想情况下，Touch变化比例（当仿真手指接地测试时，等效悬浮电容为零，LCR Meter可直接测试出C1x;仿真手指未直接接地时，C1x无法直接测出）。4. 视在电容=C1+等效悬浮电容视在电容是Touch时通过LCR Meter或Guitar检测到电容值。5. Touch负值/Rawdata比例=等效悬浮电容C1+C1xTouch负值/Rawdata比例反映了Guitar芯片检测到的Touch负值占Rawdata的比例(该值是在工程实践可观察到的，过大会影响到用户体验)。6. Touch负/正值比例=等效悬浮电容C1x-等效悬浮电容Touch负/正值比例反映了双指Touch时Guitar芯片检测到的最大负值与正值比例(该比例是在工程实践可观察到的，比值过大会影响到用户体验)。7. Touch视在电容变化量=C1+C1x-视在电容Touch视在电容变化量是LCR Meter或Guitar检测到的Touch电容变化量（。8. Touch视在电容变化率=Touch视在电容变化量C1+C1xTouch视在电容变化率是LCR Meter或Guitar检测到的Touch电容变化量与本征电容的比例。悬浮计算器：悬浮计算器包含了上述计算公式，可以理论推算不同屏参数引起的悬浮问题。表1 悬浮计算器示例（输入变量为实测值）通过实验分析，该计算器计算出的结果和实测屏数据基本吻合。其他参数不变，研究“Ch电容”与“Touch负/正值比例”关系。Touch负/正值比例越小，悬浮问题越好。Ch越大，悬浮效果越好。图5 “Ch电容”与“Touch负/正值比例”关系其他参数不变。研究“手指与驱动电容C2”以及“手指与感应电容C3”与“Touch负/正值比例”关系。图5 “手指与驱动电容C2”与“Touch负/正值比例”关系（C2和C3同步扫描，图片仅把C2标注在x轴）手指对驱动电容C2和对感应线电容C3越大，悬浮特性越差。Floating问题改善思路随想：从单个节点电容模型上来看，减小手指对驱动电容C2和对感应线电容C3对改善floating是有帮助的。但从整个屏幕来看，减小C2和C3也会带来的问题是手指对相邻未扫描通道的耦合电容也会减小，而这些电容可以等效为Ch，看起来是有一些矛盾的。所以，在Sensor结构和Pattern设计上需要对C2和C3平衡一下。一个直径为20mm的金属仿真手指放置在触摸屏上，测得手指与所有驱动和感应的电容有15pf。这个电容可近似看作悬浮Touch时，手指与相邻未扫描通道的耦合电容。而floating手机整机与人体的电容仅有2pf