電容觸摸屏的堆疊技術(shù)及其變化趨勢

　　摘要： 本文介紹了多點(diǎn)電容觸摸屏設計的堆疊技術(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。

　　一. 引言

　　多觸點(diǎn)電容觸摸屏已經(jīng)并且正在繼續改變人們與手持設備之間的人機交互方式并給人們帶來(lái)許多新的操作體驗。從手機到電子書(shū)、電子寫(xiě)字板、導航儀、電子游戲機和筆記本電腦等等無(wú)不紛紛拋棄原來(lái)的輕觸按鍵，競向選擇多點(diǎn)電容觸摸屏來(lái)進(jìn)行人機交互。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)電容觸摸屏的設計并非輕而易舉、唾手可得。嚴格地講，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)。對于一個(gè)多點(diǎn)電容觸摸屏的設計者而言，在它面前仍然面臨著(zhù)諸多的設計挑戰。本文介紹多點(diǎn)電容觸摸屏設計中觸摸屏本身的堆疊技術(shù)以及它目前設計中所面臨的挑戰和堆疊技術(shù)的發(fā)展變化趨勢。從堆疊技術(shù)的發(fā)展和變化趨勢可以看到多點(diǎn)電容觸摸屏設計的一個(gè)發(fā)展趨勢。

　　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、獨立于LCD屏、與特定的外部電路連接具有電容觸摸感應能力的、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)候它可達十幾層。使用不同的材料、不同的層數和不同的堆疊方式所設計出來(lái)的電容觸摸屏就體現出了它的堆疊技術(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。

　　圖1是一個(gè)典型的用兩層ITO實(shí)現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對應紅色的ITO菱形圖形，第二層ITO對應藍色的ITO菱形圖形。手指觸摸表面層，通過(guò)檢測手指與ITO之間產(chǎn)生的微小電容來(lái)探測是否有手指存在，并通過(guò)信號在多個(gè)菱形塊上的分布來(lái)計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，感測手指觸摸產(chǎn)生的微小電容變化才成為可能。因為既透明又導電還又便宜的材料只有ITO。但ITO與一般 的導電材料(如銅箔)有一個(gè)顯著(zhù)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(chǎng)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)感應條的近端到遠端可能會(huì )有1K~50K歐姆不等的電阻，這個(gè)電阻結合每一個(gè)感應條上的自電容所產(chǎn)生的RC延遲，就使感應條的近端和遠端會(huì )對發(fā)射的信號有不同的響應時(shí)間或者充放電時(shí)間，進(jìn)而導致在近端和遠端的手指觸摸信號有大小的不同。嚴重的情況，這種不同可以達到50%以上。如何消除這個(gè)差異，是多點(diǎn)電容觸摸屏設計的一個(gè)個(gè)挑戰。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ITO的作用。表面層應該透明、平滑并且有一定的硬度。最常用的表面層材料是玻璃和PMMA(亞克力或有機玻璃)。玻璃和PMMA的區別在于玻璃有更好的硬度而PMMA相對柔軟不易破碎，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(4.5~8)，而PMMA的介電常數則比較低(2.3~4)。高的介電常數有利于手指和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(zhù)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僅為1，LCD屏產(chǎn)生的噪聲電場(chǎng)對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地。但因為ITO有較高的電阻，遠離ITO屏蔽層的地連接點(diǎn)的區域的地阻抗將比我們通常觀(guān)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地使它的整個(gè)區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地以保證它的整個(gè)區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)際上是單層的設計，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)方向上所有的感應塊，以避免 和另一個(gè)方向(Y或X方向)的感應塊在交叉點(diǎn)處相短路。如圖2。另一個(gè)方向(Y或X方向)的感應塊在交叉點(diǎn)處直接相連。橋接的材料有金屬和ITO?！　?/p>