浅析电容屏单层ITO方案:单层电容

　　摘 要：文章介绍了真正单层ITO电容屏方案的原理和设计，阐述了该新品种在成本、制造、应用等方面具有不可小觑的优势特点，但是从功能实现方面仍然存在各种局限，以及突破局限所要研究的方向。
　　关键词： 电容屏；单层ITO；优势特点；研究方向
　　中图分类号：TN141.9 文献标识码：B
　　
　　Analysis of a Single-layer Structure Capacitance Screen
　　
　　GAO Li-wen1, YU Hong-wei2, WANG Chunfeng1
　　(1. Nanjing CEC Nanjing Wally Electronics Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210061, China; 2. Nanjing CEC Nanjing Huari Liquid Crystal Display Technical Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210038, China)
　　
　　Abstract: In this paper, we introduce the theory, design of Capacitive Touch-panel, which there is only one ITO layer. And states a lot of advantages in costing, manufacture and application. Analys the Bottleneck of this new type progress, and the research area.
　　Keywords: capacitive touch-panel; single ITO layer; advantage; research area
　　
　　引 言
　　
　　 自苹果公司推出iPhone手机，使得投射式电容触摸屏的应用得到广泛的推广，其舒适的操作手感和华丽的质感，赢得客户的赞许，并逐步成为市场主流产品。但是随着客户对触摸屏的认知度逐步提高，对高性价比的要求也日益增加。国内各大厂商在质量要求不降反严的情况下，仍然要求提高价格优势，满足广大客户的需求。价格阻碍便成为最重要因素，各种降价方式也应运而生。单层ITO结构的触摸屏就是其中一种，它的出现似乎让各大厂商看到希望。以下简单介绍单层ITO结构电容屏的结构、原理以及发展过程中需要克服的困难。
　　
　　1 单层结构触摸屏结构
　　
　　 单层ITO结构电容屏是真正意义上只有一层结构，在不同基材上只有一层ITO镀层，作为电极端。既不需要通过两层导电镀层形成X/Y的矩阵格局，也不同于X/Y层通过绝缘材料搭桥同做在单个基板（例如SITO工艺）的概念，它是通过SENSOR上的各种图案设计，完成X、Y方向坐标的确定。
　　 单层结构如图1所示。
　　2 单层结构触摸屏SENSOR图案设计
　　
　　 单层结构图案设计有很多种，下面介绍一种典型的设计。在纵向做等量划分，一般不超过6mm，也就是小于手指腹宽度，通过逐行扫描确定纵向坐标；而横向是通过特殊图案，实现规律性变化来确定坐标，一般选择线性关系。
　　 单指和多指的示例图案如图2、图3所示。
　　3 单层结构触摸屏原理
　　
　　 触摸屏是通过X和Y方向的坐标确定来确定位置，通过以上结构图案可知，单层结构在纵轴电极上仍然做等距离分割，横轴为呈一定规律变化的特殊图案。纵轴定位显而易见，可以理解为数字量；横轴则是靠奇数序列感应块的信号强度和相邻偶数序列感应块的信号强度的比值来确定的。相邻感应块的信号强度变化非常明显，而且在一定的范围内呈线性关系，所探测的是模拟量。这种新产品兼具模拟和数字技术优势，也正因为是这两方面的结合，使单层结构得以实现。
　　
　　4 单层结构触摸屏优势特点
　　 电容屏从结构取材来看，分为FILM和GLASS两大阵营，在电容屏行业中齐头并进。新结构对这两大阵营都可谓是利好消息，只是各自体现的方面稍有区别。
　　
　　4.1 对FILM结构触摸屏的影响主要是材料成本、结构、制程等方面
　　
　　4.1.1 成本优势
　　 该新品种电容屏去除了另一传感器层（ITO DOWN）以及OCA（D），根据图4所示比例，可以在传感器成本上节省移动设备制造商至少15～20%的成本，考虑制程的优势，总体成本约减少30%。
　　4.1.2 结构优势
　　 FILM结构触摸屏总体厚度为1.1～1.2mm，单层结构减去一层电极及粘附层，总体厚度可以减少15～20%，SENSOR部分减少50%，这对于现在超薄超轻设计可谓大有裨益。
　　
　　4.1.3 制程优势
　　 减少两层电极之间的贴合工艺，贴合过程中容易产生气泡、折痕、异物附着等不良，这道工艺的减少，良率得以提高。
　　
　　4.1.4 性能优势
　　 单层结构透过率可以增加1～2%，总体产品可以达到90%以上，高透的特性对整个显示模组的性能也是一种提升，提高背光的利用率，是上游客户所期望的。
　　
　　4.2 对GLASS结构电容屏的影响偏重在制程方面
　　 对GLASS结构电容屏的影响则偏重在制程方面，无论是对SITO工艺（单层单面架桥方式）还是DITO工艺（单层双面镀层方式），对制程中的合格率都是受益良多的。
　　 SITO工艺中，架桥爬坡（如图5所示）断裂不良在功能不良中占绝大部分。DITO工艺中，减少了反面的ITO溅射、曝光、蚀刻、涂胶等工序，基本接近总工序的一半，良率至少提高30%。任何工序的减少对良率、产能及工效都是乐见其成的。
　　5 单层结构触摸屏研究方向
　　
　　5.1 提高分辨率及坐标精确性
　　 由平板电容模型得知，电容容值大小与面积成正比，与之间距离成反比。由上图设计图案不难看出，锲形图案虽然能构成一种线性变换的关系，但是锲形尖端面积逐渐减小，可以等同于形成电磁场的面积减小，那么所形成的电容也在减小，特别是尖端区域，电容小到以至于难以被感测，或者误测。这种线性变化的关系也不复存在，从而影响水平方向的分辨率，定位无法精确，甚至漂移，读出坐标会随着图形规律变化，呈锯齿形分布。对于定位产品而言，这方面的影响将是一种严重缺陷。
　　
　　5.2 提高灵敏度
　　 单层ITO图案所产生的寄生电容Cp比较大，寄生电容太大，直接影响到电容式产品的灵敏度。菱形结构之所以风靡于电容产品，其关键设计是交叉处窄化设计，一定程度上控制寄生电容的大小。菱形结构中Cp一般在0.1～5pF，而单层结构则在10～30pF。
　　 以张弛振荡探测电容方式为例，灵敏度量度公式[2]Δn=Cf/Cp。Cf是手指触摸后所形成的耦合电容大小，Cf相对Cp要尽可能大。因为Cf电容值是由手指面积及手指到开关的距离决定的，不容易控制，所以应使Cp电容值尽可能小。单层结构虽然在其它方面具有优势，可是在灵敏度问题上是无法回避的。
　　
　　5.3 突破尺寸局限
　　 触摸屏单元区域不大于手指指腹，一般在4～6mm为宜，单层结构在行分距离（D）上因此受此限制。当尺寸加大时，L增大，斜率K=D/L减小，解析度减小，要想有良好的书写功能恐怕不易实现。而且尺寸越大，以上两个方面的缺陷更难以克服。
　　
　　5.4 突破多指局限
　　 如图3所示，多指功能是通过增加菱形组来实现的，当菱形组增加时，靠近中级部门的图案必须通过特殊方式引出，以传递信号。无论何种方式引出，也势必改变原本存在的线性关系，如何修正至关重要。另外，引线的增加也与现在日趋流行的窄边设计背道而驰。
　　
　　5.5 加强驱动控制技术合作
　　 一项新兴技术的发展需要多方面的配合才能有好的发展。日前提出支持此种结构的驱动厂商有Cypress（TST242）、IDT（integrated device technology，Inc）[3]、Pixir（Tango R）等，这些厂商已经有DEMO产品，但是只有达到真正量产，经过市场的考验才是真正的成功。
　　 从以上各方面的内容分析，这种单层结构的新产品如何进一步发展，主要需要突破功能应用方面的瓶颈。从设计方面，需要对SENSOR图案的设计另辟蹊径，既要产生合适的寄生电容，又能满足合理的规律性变化。寄生电容太大影响灵敏度，太小不易探测变化量，并且不易形成规律变化，否则需要提高AD转换器件精度。从驱动控制方面，目前大多采用电场感应、充电传输以及松弛振荡等方式探测电容，各种方法有自己的优劣，但无论哪种，针对单层设计，驱动电路提高对这种混合信号采集的准确性，有良好的算法支持很必要，另外减小功耗，提高响应速度等都需要驱动厂商的大力投入和支持。
　　
　　6 结 论
　　
　　 单层结构电容屏在成本上有不可忽略的优势，但是局限也存在，降低成本要求日趋于盛的情况下，牺牲一定性能，终端客户或可接受，特别是中小尺寸应用比较多的消费类电子产品，如手机、数码相机、玩具产品、家电等中小尺寸手持式产品，只要求简单的手势要求等，这仍然是很好的一种方案。任何一种新兴产品，发展都需要一个过程，以上问题研究一旦得以突破，单层结构式产品必然发展迅猛，一朝成为市场主流触控产品。
　　
　　参考文献
　　[1] 孙 杨. 单层多点电容触摸屏设计[J]. 液晶与显示，2010年第4期，551-553.
　　[2] 戴国骏，张 翔，曾 虹. PSoC体系结构与编程[M]. 北京：中国科学技术出版社，2005，264-267.
　　[3] 与非网. IDT推出全球第一个真正的单层多点触摸投射电容式触摸屏技术[EB/OL]. http://www.省略/article/10-12/261292213829.html，2010-12-13.省略。

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