電容觸摸屏的堆疊技術(shù)及其變化趨勢(shì)

　　摘要： 本文介紹了多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的堆疊技術(shù)，包括堆疊技術(shù)的概念、幾種常用的堆疊方式、ITO圖形和堆疊的關(guān)系以及堆疊技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　一. 引言

　　多觸點(diǎn)電容觸摸屏已經(jīng)并且正在繼續(xù)改變?nèi)藗兣c手持設(shè)備之間的人機(jī)交互方式并給人們帶來(lái)許多新的操作體驗(yàn)。從手機(jī)到電子書(shū)、電子寫(xiě)字板、導(dǎo)航儀、電子游戲機(jī)和筆記本電腦等等無(wú)不紛紛拋棄原來(lái)的輕觸按鍵，競(jìng)向選擇多點(diǎn)電容觸摸屏來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互。尤其是I-Phone和I-Pad的橫空出世，使多點(diǎn)電容觸摸屏深入人心。然而，多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)并非輕而易舉、唾手可得。嚴(yán)格地講，多點(diǎn)電容觸摸屏技術(shù)還并不是一個(gè)完全成熟的技術(shù)，它還是一個(gè)處于發(fā)展階段并且不斷發(fā)展不斷完善的技術(shù)。對(duì)于一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設(shè)計(jì)者而言，在它面前仍然面臨著諸多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文介紹多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)中觸摸屏本身的堆疊技術(shù)以及它目前設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)和堆疊技術(shù)的發(fā)展變化趨勢(shì)。從堆疊技術(shù)的發(fā)展和變化趨勢(shì)可以看到多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

　　二. 堆疊技術(shù)簡(jiǎn)介

　　一般地講，電容觸摸屏是一塊位于LCD屏之上、獨(dú)立于LCD屏、與特定的外部電路連接具有電容觸摸感應(yīng)能力的、厚度大約在1~2mm的透明的屏。雖然電容觸摸屏是一塊只有1~2mm厚的透明的屏，但它卻實(shí)實(shí)在在是由多層透明的材料堆疊而成的，有的時(shí)候這些透明的材料只有3~5層，多的時(shí)候它可達(dá)十幾層。使用不同的材料、不同的層數(shù)和不同的堆疊方式所設(shè)計(jì)出來(lái)的電容觸摸屏就體現(xiàn)出了它的堆疊技術(shù)的不同。不同的堆疊技術(shù)的使用最終將影響電容觸摸屏的電性能、光學(xué)性能、成本和用戶(hù)體驗(yàn)。

　　圖1是一個(gè)典型的用兩層ITO實(shí)現(xiàn)一種典型的交叉菱形ITO圖形的電容觸摸屏的堆疊的實(shí)例。除了空氣隙和LCD屏以外，它一共有十一層。從上至下依次為：表面層、OCA、第一層ITO、襯底、OCA、第二層ITO、襯底、OCA、屏蔽層、襯底和空氣隙。其中第一層ITO對(duì)應(yīng)紅色的ITO菱形圖形，第二層ITO對(duì)應(yīng)藍(lán)色的ITO菱形圖形。手指觸摸表面層，通過(guò)檢測(cè)手指與ITO之間產(chǎn)生的微小電容來(lái)探測(cè)是否有手指存在，并通過(guò)信號(hào)在多個(gè)菱形塊上的分布來(lái)計(jì)算手指在觸摸屏上的位置?！　?/p>

　　1. ITO
　　ITO(Indium Tin Oxides)是整個(gè)觸摸屏中最重要的材料之一。正是通過(guò)ITO，感測(cè)手指觸摸產(chǎn)生的微小電容變化才成為可能。因?yàn)榧韧该饔謱?dǎo)電還又便宜的材料只有ITO。但I(xiàn)TO與一般 的導(dǎo)電材料(如銅箔)有一個(gè)顯著的不同，就是它有比較高的電阻率。而且ITO涂層越薄它的電阻率就越高。通常在觸摸屏上ITO的電阻率用方阻來(lái)表示，即一個(gè)單位方塊的電阻是多少。 一般地，ITO的方塊電阻從10~350歐姆不等，取決于觸摸屏生產(chǎn)廠家的涂層工藝和襯底。由于ITO電阻的存在，使得在觸摸屏上的每一個(gè)感應(yīng)條的近端到遠(yuǎn)端可能會(huì)有1K~50K歐姆不等的電阻，這個(gè)電阻結(jié)合每一個(gè)感應(yīng)條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應(yīng)條的近端和遠(yuǎn)端會(huì)對(duì)發(fā)射的信號(hào)有不同的響應(yīng)時(shí)間或者充放電時(shí)間，進(jìn)而導(dǎo)致在近端和遠(yuǎn)端的手指觸摸信號(hào)有大小的不同。嚴(yán)重的情況，這種不同可以達(dá)到50%以上。如何消除這個(gè)差異，是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的一個(gè)個(gè)挑戰(zhàn)。雖然選擇方阻更低的ITO涂層是減少這個(gè)差異最直接的方法，但通常方阻更低的ITO涂層的厚度會(huì)更厚，導(dǎo)致透明度的下降和成本的增加。一般使用玻璃作為襯底的ITO的方阻可以做到100歐姆以下，如果使用PET膜作為襯底的ITO的方阻在150~340歐姆。ITO的厚度一般在400~1500A。

　　2. 表面層
　　觸摸屏中的表面層就是作為被用戶(hù)觸摸的界面，同時(shí)它還具有保護(hù)ITO的作用。表面層應(yīng)該透明、平滑并且有一定的硬度。最常用的表面層材料是玻璃和PMMA(亞克力或有機(jī)玻璃)。玻璃和PMMA的區(qū)別在于玻璃有更好的硬度而PMMA相對(duì)柔軟不易破碎，但PMMA比玻璃更便宜。另一個(gè)重要的不同在于玻璃有比較高的介電常數(shù)(4.5~8)，而PMMA的介電常數(shù)則比較低(2.3~4)。高的介電常數(shù)有利于手指和ITO之間的電場(chǎng)耦合，帶來(lái)更多的互電容或自電容的變化，也就是說(shuō)表面層使用玻璃比PMMA更容易得到好的觸摸靈敏度。表面層的厚度通常在0.5~1.5mm。

　　3. 襯底
　　襯底就是被ITO附著的基材。它可以是玻璃也可以是PET膜。玻璃作為襯底通常厚度為0.4mm，而膜可以薄到0.1mm甚至到0.055mm。

　　4. OCA
　　光學(xué)透明膠OCA(Optical Clear Adhesive)用于將觸摸屏中各個(gè)實(shí)體(表面層，帶襯底的ITO等等)粘貼起來(lái)形成觸摸屏的堆疊。光學(xué)透明膠OCA的厚度通常在50um~200um, 介電常數(shù)在2.5~4。

　　5.屏蔽層ITO
　　屏蔽層ITO用于屏蔽來(lái)自觸摸屏下方LCD屏的電氣噪聲。這一層不是必須的。事實(shí)上，在觸摸屏和LCD屏之間如果有足夠厚的空氣隙并且LCD屏使用DC Vcomm屏或OLED屏，屏蔽層ITO是不需要的。這主要有兩個(gè)原因：一是DC Vcomm屏或OLED屏比AC Vcomm的LCD屏有更小的噪聲;二是空氣的介電常數(shù)僅為1，LCD屏產(chǎn)生的噪聲電場(chǎng)對(duì)觸摸屏的耦合由于空氣的作用就比較弱，觸摸屏實(shí)際受到LCD的噪聲影響就小。但如果沒(méi)有足夠厚的空氣隙并且LCD屏使用AC Vcomm屏， 這個(gè)ITO屏蔽層就是隔離LCD噪聲的最簡(jiǎn)單且最有效的方法，但不是唯一的方法。

　　我們知道ITO屏蔽層既然作為屏蔽層，它就要被連接到觸摸屏的系統(tǒng)地。但因?yàn)镮TO有較高的電阻，遠(yuǎn)離ITO屏蔽層的地連接點(diǎn)的區(qū)域的地阻抗將比我們通常觀念上的地阻抗要大得多，可能是幾百歐姆，也可能是幾千歐姆。這時(shí)ITO屏蔽層作為屏蔽層的效果將被大打折扣，因此如何將ITO屏蔽層連接到觸摸屏的系統(tǒng)地使它的整個(gè)區(qū)域都有盡可能低的地阻抗就很重要。一般我們可以用多點(diǎn)連接或用一個(gè)金屬環(huán)來(lái)連接ITO屏蔽層的四面周邊邊緣，然后再將金屬環(huán)連接到觸摸屏的系統(tǒng)地以保證它的整個(gè)區(qū)域都有最低的地阻抗。

　　三、幾種常用的堆疊

　　1. 1.5層GG堆疊
　　所謂1.5層，就是ITO層比一層多一點(diǎn)，不到兩層。GG(Glass Glass)就是表面層

　　襯底都是玻璃。1.5層GG堆疊實(shí)際上是單層的設(shè)計(jì)，它在一個(gè)方向(X或Y方向)上使用橋接的技術(shù)連接這個(gè)方向上所有的感應(yīng)塊，以避免 和另一個(gè)方向(Y或X方向)的感應(yīng)塊在交叉點(diǎn)處相短路。如圖2。另一個(gè)方向(Y或X方向)的感應(yīng)塊在交叉點(diǎn)處直接相連。橋接的材料有金屬和ITO?！　?/p>