电容屏硬件理论知识-林辉俊

1、Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.培训时间安排 6月3日： 09:30-12:30-1.电容屏硬件理论知识 2.常规图形详解及设计规范推导 3.单层多点图形详解及规范推导 14:00-？-1.Pattern工具讲解 2.sensor设计考试 6月4日： 09:30-12:30-1.FPC设计规范讲解 2.结构评估 14:30-？-1.FPC审核 2.结构评估考核 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 培训内容：1.sensor，FPC设计规范及其理论推导过程2.结构评估培训考核标准：1.完成sen

2、sor设计和FPC审核，并达到B或以上2.能对sensor和FPC的走线空间做出评估，并达到B或以上培训规则：1.必须完成每个阶段的任务2.每个任务都必须达到考核标准问题先保留在脑海中！）Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.汇顶科技汇顶科技电容屏硬件理论知识Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.一一. .互电容基本介绍互电容基本介绍1

3、.1 .互电容定义及互电容定义及TuochTuoch示意图示意图2 .2 .互电容等效模型互电容等效模型3 .3 .互电容检测特点互电容检测特点二二. .电容屏结构设计分析电容屏结构设计分析 1 .1 . 平行板电容器平行板电容器 2 .2 . 悬浮模型悬浮模型 3 . RC3 . RC常数分析常数分析 4 .4 . 走线阻抗分析走线阻抗分析 5. 5. 通道通道pitchpitch分析分析 目录目录Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 问题：火炮怎样是射落飞机的？（问题先保留在脑海中！）Copyright Goodix Ltd. All Rig

4、hts Reserved. 问题先保留在脑海中Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.主角登场 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.主角座驾 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.炮炮兵的故事 炮炮兵雷达兵火炮营长官炮炮兵小分队Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.炮炮兵的故事 敌机来袭。Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.炮炮兵的故事雷达Copyright Goo

5、dix Ltd. All Rights Reserved.炮炮兵的故事1.雷达兵通过雷达侦测到敌机准确坐标；11111000000oooo111111111112.将准确坐标实时传送给火炮营长官；噢噢噢噢哦3.火炮营长官下达攻击命令，并将敌机准确坐标传 送给炮炮兵；4.炮炮兵瞄准坐标，启动火炮，攻击敌机；1111脑海中！）Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.炮炮兵的故事 炮炮兵雷达兵火炮营长官发命令收坐标Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.炮炮兵的故事 敌机坠毁。Copyright Goodix L

6、td. All Rights Reserved.炮炮兵的故事 炮炮兵小分队胜利！Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.电容触控手机 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 问题：为什么手指Touch触控屏幕，手机就可以有响应？（问题先保留在脑海中！）Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.Tuoch示意图示意图 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 炮炮兵=LCD屏雷达=触控屏火炮营长官=主控发命令收坐标概念互换

7、概念互换Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.概念互换概念互换 电容小分队炮炮兵小分队=Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 炮炮兵小分队：1.火炮射程 200 km111111 2.雷达监测面积 400 km电容小分队： 1. 驱动覆盖面积 8 mm 2. 感应监测面积 8 mm问题又来了：要覆盖更大的地盘，怎么办？增加小分队！火炮与电容屏比对关系火炮与电容屏比对关系Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 炮炮兵小分队：1.火炮射程 200 km1111

8、11 2.雷达监测面积 400 km电容小分队： 1. 驱动覆盖面积 8 mm 2. 感应监测面积 8 mm问题又来了：要覆盖更大的地盘，怎么办？增加小分队！火炮与电容屏比对关系火炮与电容屏比对关系Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 触控屏触控屏ITO图案图案3.5寸屏手机Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 触控屏触控屏ITO图案图案Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.我们似乎忘记了一个问题： 炮炮兵小分队：可以躲在深山里， 以防止被敌人发现 电容

9、小分队？ -透明的导体 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.我们似乎忘记了一个问题： 炮炮兵小分队：可以躲在深林里， 以防止被敌人发现 电容小分队？ -透明的导体 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.我们似乎忘记了一个问题： 炮炮兵小分队：可以躲在深林里， 以防止被敌人发现 电容小分队？ -透明的导体 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 透明的导体 世界就是这么神奇！居然就有一种透明的导电物质可以使用它叫做“铟锡氧化物”英文名称简写为“ITO（Ind

10、iumTinOxide）”PS:玻璃为承载ITO的基材Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 触控屏触控屏ITO导电玻璃构造导电玻璃构造红色为收！蓝色为发！Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 触控屏触控屏ITO示意图案示意图案Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 触控屏实物 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 触控屏手机 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved

11、. 水果忍者 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 愤怒的小鸟 Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.互电容基本介绍互电容基本介绍两个或多个导体相互耦合而产生的耦合电容被称为互耦电容。驱动通道与感应通道两者之间会产生耦合电容，为TX与RX的互电容。一一.互电容定义及互电容定义及Tuoch示意图示意图工作原理：当手指或其它导体靠近电容感应传感器时，由于人体相当于接地的导体，手指与感应传感器之间形成了一个手指的电容，驱动电

12、极TX与感应电极RX之间电场能量中的一部分流向了手指，感应电极上接收到的感应信号幅度将减少，幅度变化大小与手指电容大小成正比。使用AD转换器检测感应信号幅度变化就可以知道是否有手指的触摸。Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 二.互电容电容传感器等效模型：Rd： 驱动通道阻抗；Rs： 感应通道阻抗；Cx： 感应驱动节点互电容 Cd： 驱动通道对地自电容；Cs： 感应通道对地自电容；检测原理：Goodix芯片对电容的检测是基于调制和解调原理来实现的。在待测电容Cx的

13、两端分别接激励信号源和检测电路，工作时激励信号源输出一脉冲群信号对Cx进行调制。随着调制信号的高低电平变化，将会有脉冲电流流过Cx。测量脉冲电流的变化就可以计算出Cx的变化。互电容基本介绍互电容基本介绍Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.三三.互电容检测方式特点：互电容检测方式特点： 检测行列交叉处的互电容(耦合电容CM)变化 有手指触摸时互电容减小 行加驱动激励信号,列进行感应 每一个扫描周期，行和每列交叉点都需单独扫描检测 每一个扫描周期扫描次数： 行数 *

14、列数 驱动和感应单元之间形成边缘电容 行列交叉重叠处会产生耦合电容注意：感应单元的自感应电容 依然存在,但不必进行测量互电容基本介绍互电容基本介绍Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.GT9XX检测特点：1 1、驱动电极和感应电极结点间存在耦合电容，这个电容称为互电容、驱动电极和感应电极结点间存在耦合电容，这个电容称为互电容C C，通常，通常为为2pf2pf左右。左右。2 2、GT968GT968有有1717条驱动，条驱动，1010条感应，每条驱动对于条感应，每条驱动对于1010个感应节点，个感应节点，1717* *1010，因，因此共有此共有17

15、0170个结点参与软件运算。个结点参与软件运算。3 3、每个结点通过、每个结点通过ITOITO图形连接至感应通道，因此每个结点与芯片（引脚）感图形连接至感应通道，因此每个结点与芯片（引脚）感应通道间存在阻抗应通道间存在阻抗R R。此。此R R等于节点处的等于节点处的ITOITO电阻电阻+ +走线电阻走线电阻+ +其它电阻。其它电阻。4 4、GT9XXGT9XX驱动电极按串行方式逐一产生激励信号。先驱动电极按串行方式逐一产生激励信号。先TX1TX1产生信号，产生信号，R1-R4R1-R4接接收，然后再收，然后再TX2TX2产生信号。产生信号。5 5、某一驱动产生激励信号时，、某一驱动产生激励信号

16、时，1010条感应线所对应的电路同时对各自的耦合条感应线所对应的电路同时对各自的耦合信号进行积分、信号进行积分、ADAD转换。转换。互电容基本介绍互电容基本介绍Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved. 电容屏结构设计分析一一.电容：电容： 电容量是表征电容器容纳电荷本领的物理量，其单位为法拉电容量是表征电容器容纳电荷本领的物理量，其单位为法拉(法法)，符号，符号F。 当电容器两端的当电容器两端的电位电位差或电压差或电压(U)为特定值时，储存在电容器电极的电荷量为为特定值时，储存在电容器电极的电荷量为(Q)， 则其电容量为：则其电容量为：C=Q/U 电

17、容的这个基本公式，可类比于柱形的水容器，电容的这个基本公式，可类比于柱形的水容器，Q电量类比于水体积，电势差电量类比于水体积，电势差U类比于水深类比于水深，横截面积类比于电容量，横截面积类比于电容量. 平行板电容器：平行板电容器：平行板电容器的计算公式，当两平行板的面积远大于其间距时，有：平行板电容器的计算公式，当两平行板的面积远大于其间距时，有： C=S/4kd其中，其中，是一个常数，是一个常数，S为电容极板的正对面积，为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，为电容极板的距离， k则是静电力常量。则是静电力常量。 k:静电力常量静电力常量k9.0109Nm2/C2电容器的电势能计算公式：电

18、容器的电势能计算公式：E=CU2/2一般来说，任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可构成电容器。电容器的电容是由两个导体一般来说，任何两个彼此绝缘又相互靠近的导体都可构成电容器。电容器的电容是由两个导体的大小和形状、两个导体的相对位置以及极板间的电介质决定的的大小和形状、两个导体的相对位置以及极板间的电介质决定的电容并联公式：电容并联公式：Ceq = C1 + C2 + + Cn电容串联公式：电容串联公式：1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + + 1/CnCopyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.模型说明：V1模拟驱动信号源C1，C1x触摸屏单个节

19、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C3手指Touch时，手指与感应线之间的耦合电容Ch人体对触摸屏系统地之间的耦合电容C11.4pV1FREQ = 300KHzVAMPL = 1VVOFF = 0AC = 1V00R10.01C21pC30.5p0Ch80pSensorR21GC1x0.1pDriverintrinsic capacitorI1 电容屏结构设计分析二二.悬浮模型：悬浮模型：Copyright Goodix L

20、td. All Rights Reserved.41模型分析：Goodix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。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，和i1的关系如下：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

21、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。 电容屏结构设计分析Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.三三.RC常数常数 在在RC充放电电路中，时间常数为充放电电路中，时间常数为 = R

22、* C， R：结点至芯片感应通道的阻抗，：结点至芯片感应通道的阻抗，等于节点处的等于节点处的ITOITO电阻电阻+ +走线电阻走线电阻+ +其它电阻。其它电阻。 C：结点处的互电容：结点处的互电容Cm与对应寄生电容与对应寄生电容Cpt 或或Cpr的总和。的总和。 电容充放电完全通常取电压上升电容充放电完全通常取电压上升99.9%为标准，即为标准，即5倍倍RC常数常数 t=5（Cpt + Cm）* Rpt或或5 (Cpr + Cm ）* Rpr 电容屏结构设计分析Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.RC常数分析：常数分析：1 1、RCRC常数直接影

23、响到常数直接影响到ICIC内部积分电路的积分曲线，当内部积分电路的积分曲线，当RCRC常数越小，积分时间宽常数越小，积分时间宽度越小，度越小，RCRC常数越大，积分时间宽度越大。常数越大，积分时间宽度越大。 给一个电容充放电，需要给一个电容充放电，需要5RC5RC常数充到常数充到99%99%电量。电量。 R R越小，所需越小，所需5RC5RC越小，电容充放电所需时间越小，越小，电容充放电所需时间越小， 屏通道容易充上电。屏通道容易充上电。C C由屏体结构决定，只能改变由屏体结构决定，只能改变R R，R R越小越好。越小越好。 ITO ITO做厚，做厚，R R越小，透光性变差。越小，透光性变差。

24、ITOITO越薄，越薄，R R变大，透光性变好。变大，透光性变好。 我们希望我们希望ITOITO方阻越小越好。屏厂希望方阻越小越好。屏厂希望R R大些，透光性越好。大些，透光性越好。2 2、RCRC常数在最佳范围内，如常数在最佳范围内，如1.5us1.5us以内，各结点检测数据将不会有明显的差异以内，各结点检测数据将不会有明显的差异（假设（假设ITOITO膜是完全均匀，走线阻抗一致）。膜是完全均匀，走线阻抗一致）。3 3、当、当RCRC超出最佳范围时，数据将会沿感应线方向均匀递减（超出最佳范围时，数据将会沿感应线方向均匀递减（R R增大方向）。增大方向）。经验表明，支持至经验表明，支持至5in

25、ch5inch以上触摸屏，可能会出现沿感应线方向数据递（从以上触摸屏，可能会出现沿感应线方向数据递（从近压合点向远离压合点数据均匀递减），离芯片感应通道越远的感应节点，近压合点向远离压合点数据均匀递减），离芯片感应通道越远的感应节点，屏体屏体ITOITO阻值阻值R R越大，导致越大，导致RCRC越大，在同样驱动脉冲频率下，节点电容充放电越大，在同样驱动脉冲频率下，节点电容充放电不完全，导致检测到的不完全，导致检测到的rawdatarawdata数据变小。数据变小。4 4、当、当RCRC超出最佳范围时，可以通过软件微调积分电路的时间窗口，使得数据递超出最佳范围时，可以通过软件微调积分电路的时间窗

26、口，使得数据递减特性减弱，整屏数据基本接近，达到最佳范围。减特性减弱，整屏数据基本接近，达到最佳范围。 电容屏结构设计分析Copyright Goodix Ltd. All Rights Reserved.四.走线阻抗1 1、正常情况下，所有通道金属走线部分阻抗应该十分接近，但实际上，由、正常情况下，所有通道金属走线部分阻抗应该十分接近，但实际上，由于氧化、蚀刻不良等原因经常造成阻抗成倍增大。于氧化、蚀刻不良等原因经常造成阻抗成倍增大。2 2、由、由RCRC常数一节知道，感应线的常数一节知道，感应线的R R增大（使得增大（使得RCRC超过最佳范围）充放电不完超过最佳范围）充放电不完全，会导致数据递减，因此若感应通道走线部分阻抗过大，会使得整条感应全，会导致数据递减，因此若感应通