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水对电容触摸屏的影响及设计中的防水策略

导读: 我们知道一个合格的产品是不允许这样的情况出现的,更不会去依赖好运气。因此如何解决因水而带来的手指触摸失效的问题和假触发的问题是多点电容触摸屏设计的一个挑战。事实上因水而带来的触摸失效的问题不仅仅指水滴,它还包括水膜和大片的水。

  一. 引言

  防水性能是衡量多点电容触摸屏设计性能的标志性指标。似乎使用互电容扫描的多点电容触摸屏具有天然的防水能力,它并不构成一个设计挑战。为什么这样说呢?因为使用自电容扫描的触摸屏,水滴和手指触摸产生的信号变化的方向是相同的,要将水滴从手指触摸中分辨出来颇费周折。而互电容扫描的触摸屏水滴和手指触摸产生的信号变化的方向正好是相反的,因为手指触摸使互电容减少,水滴却使互电容增加。这就给人这样一个感觉,使用互电容扫描的多点电容触摸屏具有天然的防水能力而不需要采用特别的措施去做防水处理。真实的情况并非如此简单,当水滴滴到互电容屏上时,确实不会也没有产生误触发,但当水滴被擦掉以后再用手指触摸原来的地方就不灵了,或者在没有手指触摸时会不时出现虚假的触摸信号。运气好的时候,过一段时间可以检测到手指触摸。大多数情况下很难再恢复到原先的触摸灵敏度。我们知道一个合格的产品是不允许这样的情况出现的,更不会去依赖好运气。因此如何解决因水而带来的手指触摸失效的问题和假触发的问题是多点电容触摸屏设计的一个挑战。事实上因水而带来的触摸失效的问题不仅仅指水滴,它还包括水膜和大片的水。

  二、水对自电容和互电容的影响

  1. 首先我们来了解触摸屏的自电容和互电容。

  在触摸屏上一个感应块(假定为A)和它相邻的感应块(假定为B)之间可以产生自电容,也可以产生互电容。如果在感应块A上施加高频交流信号Tx,感应块B被接地,在感应块A和B之间的耦合就是自电容耦合,自电容的大小为Cs。如果在感应块A上施加高频交流信号Tx,感应块B作为感应电极接受来自感应块A的信号Rx,这时,在感应块A和B的耦合就是互电容耦合,互电容的大小为Cm。自电容Cs大小和互电容Cm的大小正比于感应块A和B之间的边界长度和介质的介电常数,与感应块A和B之间的距离成反方向关系。一般地讲,感应块A上的电势要比感应块B上的电势高,所以电场的方向总是从感应块A到感应块B。

  2. 其次看手指触摸对自电容和互电容的影响。

  在自电容耦合中,由于B感应块被接地,所以A感应块既是激励信号的发射端,也是测量信号的接受端;在互电容耦合中,A、B感应块分别是激励信号的发射端和测量信号的接受端。当手指触摸感应块上的覆盖物时,由于手指及人体可以被认为是导体,人体与大地之间的电容Cbody和设备地与大地之间的电容Cboard足够大,对高频的交流激励信号仅有非常小的容抗,所以可以认为手指在触摸系统中的电势近似地为设备地的电势GND。参考图3和图4。这样在自电容的电场耦合中,手指触摸相当于在自电容Cs上并联了一个电容CFT/FR, 所以,手指触摸使自电容增加。而在互电容的电场耦合中,由于手指在触摸系统中的电势近似地为设备地的电势GND,感应块A和感应块B的电势都比手指的电势高,在感应块A和感应块B与手指之间将产生电的耦合,这就意味着在感应块A和感应块B与手指之间产生耦合电容CFT和CFR。当高频的交流激励信号施加在感应块A上时,经由互电容Cm到Rx的电流被手指电容CFT和CFR分流掉一部分,接受端Rx的电流将比原来小,这样它就等效为互电容Cm的减少,所以,通常我们说手指触摸使互电容减少。

  3. 再来看水对自电容和互电容的影响。

  当水落到触摸屏上时,由于水是导电的,可以认为是导体,它也将改变感应块A和感应块B之间的电场耦合。但水的表面积相比人体来讲要小非常多,人体与大地之间的电容Cbody已经不复存在,水滴与大地之间的电容非常小,小到几乎零。水滴在触摸系统中的电势已不能近似地为设备地的电势GND,它的电势由感应块A和感应块B的电势来确定。基于常识,它的电势应介于感应块A的电势和感应块B的电势之间。参考图5和图6,在自电容的电场耦合中,水滴分别与感应块A和感应块B形成电容CWT/WR和CWS,可以认为这两个电容是串联以后再并联在Cs的两端,所以对自电容的屏,水滴象手指一样会使自电容增加,但由于水滴产生的两个电容是串联以后再并联在Cs的两端,串联电容的值将小于串联电容中的任何一个电容,对于一个与手指大小直径的水滴,它产生的信号变化将肯定小于手指触摸产生的信号变化,但它们是同方向的。同样,在互电容的电场耦合中,水滴分别与感应块A和感应块B形成电容CWT和CWR,可以认为这两个电容是串联以后再并联在Cm的两端,所以对互电容的屏,水滴不象手指触摸使互电容减少,而是使互电容增加!同样由于水滴产生的两个电容是串联以后再并联在Cm的两端,串联电容的值将小于串联电容中的任何一个电容,对于一个与手指大小直径的水滴,它产生的信号变化也将肯定小于手指触摸产生的信号变化,通常它是手指触摸信号的1/4大小,但它和手指触摸产生的信号变化是反方向的。

作者:翁小平  

Cypress半导体 资深主任应用工程师

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