HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
考 核 论 文
题 目 电容式感测技术在手机触摸屏上的应用
班 级 机械电子工程09-09班
学 号 20090713
姓 名 叶建辉
成 绩
机械与汽车工程学院 机械电子工程系
二零一二 年 六 月 《传感器原理及应用》课程
电容式感测技术在手机触摸屏中的应用
摘要：随着传感器不断的发展与成熟，电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，在农业、工业等领域的发展作出突出贡献。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。特别是智能手机等新型消费电子产品应用了电容传感器的触摸屏的风靡，不仅提供方便的控制方式，而且带来了更好的用户体验。
引言：电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，具有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性。 电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱
颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案，但该技术不仅仅是半球型开关的一种升级。当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。
利用电容式传感器，手机按键，即键垫（key mat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。
整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。
近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。
工作原理
大多数触摸传感控制器依据所检测到的电容变化来工作——当某种物体或
某个人接近或触摸传感器的导电金属片时，手指与金属片之间的电容发生变化。导电物体（如手指）在传感器附近移动将改变电容传感器的电场线并使电容发生变化，并通过控制电路测出电容的变化。
电容式感测技术的方式
（1）手指电容：所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作
用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质 (一种有损电介质)。正
是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。
简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部
分能量分布在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由
这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”。制作实用电容式传感器的部分难
题在于：需要设计一组印制导线，将上述的边缘场引导到用户易接近的有效感应
区域中。显然，对于这种传感器模式来说，平行板电容器并非上佳之选。
把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。由手指所
产生的额外电荷存储容量就是已知的手指电容CF。无手指触摸时的传感器电容
用CP来表示。在本文中，它代表寄生电容。
关于电容式传感器的一个常见的误解是：为了使系统正常工作，手指必须接
地。实际上，手指被传感的原因在于它带有电荷，而这与其是否悬空或接地完全
无关。
图: 手机电容传感器的机械层叠截面图
系统设计中，机械层叠是一个重要考虑因素，因为手机的外壳日趋纤薄。事
实上，传感器线迹布局不佳和覆盖膜材料厚度过大是手机SNR偏低的主要原因。
电路板一般是柔性电路，在某些情况下，也有可能是一种很薄的刚性板。电路板
通过绝缘粘合膜的薄层被安装在覆盖膜上，从而提高了从传感器到覆盖膜的电场
耦合。该粘合层还形成了一个能够对手指轻压和重压都稳定响应的机械系统。
1-3mm的覆盖膜厚度是比较理想的，这样可在不过度削弱电容式感测信号的情况
下为手机提供所需的封装机械强度。
（2）透明电容：手机中触摸感测的最新趋势是在玻璃或塑料膜上使用氧化
铟锡（ITO）。ITO是一种导电材料，作为薄膜运用时是透明的。这种材料已在电
阻式触摸屏中使用多年。现在，微控制器的最新发展成果又使电容式触摸屏成为
可能。电阻式触摸屏由于依赖触摸表面的机械变形，故很容易损坏，需要更换。
而电容式ITO触摸屏不需要机械变形来实现。电容式ITO触摸屏超越标准电阻式
触摸屏的优点之一就是摒弃了这种易发生故障的机械模式。
（3）指纹识别：电容式传感器，也被称为第二代指纹识别,是目前指纹识别
最常用的一种。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因
此非常适合在消费类电子产品中使用。
下图为指纹经过处理后的成像图：
指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，
其外面是
一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。
手指按压触屏感应的示意图1
手指按压触屏感应的示意图2
电容式传感器的接口电路和检测方法
（1）模拟技术：模拟技术是测量频率或工作周期，这些量因为在手指和地之间引入额外的电容而发生变化。
图2： 模拟触摸方案；由于需使用参考地，可能会受到水滴的影响。 利用这种技术和高分辨率的模数转换器（ADC），可以把测到的模拟电压转换成数字代码。得益于混合信号技术的进步，最新款电容/数字转换器可把高性 能模拟前端与低功率高性能ADC集成在一起。
模拟接口电路的一个缺点是电容传感器可能会受到难以捉摸的噪声、串扰、耦合的影响。另外，传感器输出的动态范围受到电源电压的限制，而随着半导体制造技工艺节点的缩小该电源电压在不断降低。
（2）全数字传感方法：全数字传感方法可避免与模拟方法有关的问题。数
字方法通过使电容成为RC延时线的一部分来检测传感器电容的变化。
图3：数字触摸方案；在存在水滴时仍具有很棒的性能。
图3中简单的全数字型时间/数字转换器（TDC）测量该延时线相对于基准RC延时线的差并输出阻抗的变化。寄生电容对RC延时的影响可通过加电补消除。 手指碰到传感器垫片使电容增大进而提高了RC延时时间并导致阻抗变化。把这个阻抗与校准阻抗对比可确定是否发生了触摸事件。该传感方案很容易通过调整RC延时线的电阻来改善性能。
电容感测技术在其他方面的应用
（1）相对于传统机械按钮、滑块、转轮和开关，电容感测技术控制提供了灵活、可靠且高性价比的替代方案。
最新的应用其技术的触摸传感器为设计者发挥其创造性创造了条件，设计者在开发接口时可隐藏或露出按钮、或采用其他形态触摸板的模式。下面的图和表格显示了不同的传感器形状和应用。
图4：滑块、滚轮、触摸按钮和临近传感应用的例子。
表2：各种应用的触摸控制方案。
（2）由于没有活动部件且易于适应曲面外形，触摸传感器开关是汽车应用的理想选择。但汽车应用对触摸技术提出了更高的要求，汽车制造商要求提供成本低、工作温度宽的汽车级触摸传感器控制器。
关键是降低触摸传感器方案的总实现成本。价格合适的触摸传感器为汽车设计工程师实现新颖的接口特性提供了条件。
（3）临近触摸技术是电容感测技术的另一种应用。临近触摸控制对只有一或两个按钮的简单接口提供了一种有吸引力的替代方案。临近传感器易于整合进最终的产品设计中，并具有功耗低和寿命长等长期优势。
金属门把手是一种理想的临近传感器应用。极为敏感的传感器可以检测到是否有手在接近门把手，系统在检测到接近行为后会给需要大功率的安防硬件通电。作为汽车报警系统的一部分，系统可把每次临近检测记录下来并通知车主（或许可通过手机）有人多次试图拉开车门。
当金属物体面积为10mm2，覆膜厚度为1mm时，临近传感器可以在距离大于2英寸时检测到手的接近。除了门把手之外，临近触摸还可用于家用电器、MP3播放器、遥控器和移动电话。
传感器的发展前景
电容式传感器有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一，该技术的进步使传感器驱动型接口更易于实现，对终端用户更为直观和简单,灵敏度更高和使用体验更好的电容性触摸屏将压倒今天主流的电阻性触摸屏成为未来手机和其它便携式设备市场的应用大趋势,尽管今天电阻性触摸屏解决方案比较便宜,但它无法像电容性触摸屏那样提供流畅的手指滑动响应性能。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。
1、微型化
为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。
2、智能化
随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功。
结束语
当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。
HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
考 核 论 文
题 目 电容式感测技术在手机触摸屏上的应用
班 级 机械电子工程09-09班
学 号 20090713
姓 名 叶建辉
成 绩
机械与汽车工程学院 机械电子工程系
二零一二 年 六 月 《传感器原理及应用》课程
电容式感测技术在手机触摸屏中的应用
摘要：随着传感器不断的发展与成熟，电容式传感器广泛应用于压力、液位、位移等各种检测中，在农业、工业等领域的发展作出突出贡献。电容式传感器作为一项前途广阔的新型技术，日益受到人们的重视。特别是智能手机等新型消费电子产品应用了电容传感器的触摸屏的风靡，不仅提供方便的控制方式，而且带来了更好的用户体验。
引言：电容传感技术投入应用已长达一个世纪，它具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点，具有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性。 电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱
颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案，但该技术不仅仅是半球型开关的一种升级。当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。
利用电容式传感器，手机按键，即键垫（key mat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。
整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。
近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。
工作原理
大多数触摸传感控制器依据所检测到的电容变化来工作——当某种物体或
某个人接近或触摸传感器的导电金属片时，手指与金属片之间的电容发生变化。导电物体（如手指）在传感器附近移动将改变电容传感器的电场线并使电容发生变化，并通过控制电路测出电容的变化。
电容式感测技术的方式
（1）手指电容：所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作
用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质 (一种有损电介质)。正
是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。
简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部
分能量分布在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间，而由
这些泄露能量所形成的电场被称为“边缘场”。制作实用电容式传感器的部分难
题在于：需要设计一组印制导线，将上述的边缘场引导到用户易接近的有效感应
区域中。显然，对于这种传感器模式来说，平行板电容器并非上佳之选。
把手指放在边缘电场的附近将增加电容式传感系统的导电表面积。由手指所
产生的额外电荷存储容量就是已知的手指电容CF。无手指触摸时的传感器电容
用CP来表示。在本文中，它代表寄生电容。
关于电容式传感器的一个常见的误解是：为了使系统正常工作，手指必须接
地。实际上，手指被传感的原因在于它带有电荷，而这与其是否悬空或接地完全
无关。
图: 手机电容传感器的机械层叠截面图
系统设计中，机械层叠是一个重要考虑因素，因为手机的外壳日趋纤薄。事
实上，传感器线迹布局不佳和覆盖膜材料厚度过大是手机SNR偏低的主要原因。
电路板一般是柔性电路，在某些情况下，也有可能是一种很薄的刚性板。电路板
通过绝缘粘合膜的薄层被安装在覆盖膜上，从而提高了从传感器到覆盖膜的电场
耦合。该粘合层还形成了一个能够对手指轻压和重压都稳定响应的机械系统。
1-3mm的覆盖膜厚度是比较理想的，这样可在不过度削弱电容式感测信号的情况
下为手机提供所需的封装机械强度。
（2）透明电容：手机中触摸感测的最新趋势是在玻璃或塑料膜上使用氧化
铟锡（ITO）。ITO是一种导电材料，作为薄膜运用时是透明的。这种材料已在电
阻式触摸屏中使用多年。现在，微控制器的最新发展成果又使电容式触摸屏成为
可能。电阻式触摸屏由于依赖触摸表面的机械变形，故很容易损坏，需要更换。
而电容式ITO触摸屏不需要机械变形来实现。电容式ITO触摸屏超越标准电阻式
触摸屏的优点之一就是摒弃了这种易发生故障的机械模式。
（3）指纹识别：电容式传感器，也被称为第二代指纹识别,是目前指纹识别
最常用的一种。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因
此非常适合在消费类电子产品中使用。
下图为指纹经过处理后的成像图：
指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，
其外面是
一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。
手指按压触屏感应的示意图1
手指按压触屏感应的示意图2
电容式传感器的接口电路和检测方法
（1）模拟技术：模拟技术是测量频率或工作周期，这些量因为在手指和地之间引入额外的电容而发生变化。
图2： 模拟触摸方案；由于需使用参考地，可能会受到水滴的影响。 利用这种技术和高分辨率的模数转换器（ADC），可以把测到的模拟电压转换成数字代码。得益于混合信号技术的进步，最新款电容/数字转换器可把高性 能模拟前端与低功率高性能ADC集成在一起。
模拟接口电路的一个缺点是电容传感器可能会受到难以捉摸的噪声、串扰、耦合的影响。另外，传感器输出的动态范围受到电源电压的限制，而随着半导体制造技工艺节点的缩小该电源电压在不断降低。
（2）全数字传感方法：全数字传感方法可避免与模拟方法有关的问题。数
字方法通过使电容成为RC延时线的一部分来检测传感器电容的变化。
图3：数字触摸方案；在存在水滴时仍具有很棒的性能。
图3中简单的全数字型时间/数字转换器（TDC）测量该延时线相对于基准RC延时线的差并输出阻抗的变化。寄生电容对RC延时的影响可通过加电补消除。 手指碰到传感器垫片使电容增大进而提高了RC延时时间并导致阻抗变化。把这个阻抗与校准阻抗对比可确定是否发生了触摸事件。该传感方案很容易通过调整RC延时线的电阻来改善性能。
电容感测技术在其他方面的应用
（1）相对于传统机械按钮、滑块、转轮和开关，电容感测技术控制提供了灵活、可靠且高性价比的替代方案。
最新的应用其技术的触摸传感器为设计者发挥其创造性创造了条件，设计者在开发接口时可隐藏或露出按钮、或采用其他形态触摸板的模式。下面的图和表格显示了不同的传感器形状和应用。
图4：滑块、滚轮、触摸按钮和临近传感应用的例子。
表2：各种应用的触摸控制方案。
（2）由于没有活动部件且易于适应曲面外形，触摸传感器开关是汽车应用的理想选择。但汽车应用对触摸技术提出了更高的要求，汽车制造商要求提供成本低、工作温度宽的汽车级触摸传感器控制器。
关键是降低触摸传感器方案的总实现成本。价格合适的触摸传感器为汽车设计工程师实现新颖的接口特性提供了条件。
（3）临近触摸技术是电容感测技术的另一种应用。临近触摸控制对只有一或两个按钮的简单接口提供了一种有吸引力的替代方案。临近传感器易于整合进最终的产品设计中，并具有功耗低和寿命长等长期优势。
金属门把手是一种理想的临近传感器应用。极为敏感的传感器可以检测到是否有手在接近门把手，系统在检测到接近行为后会给需要大功率的安防硬件通电。作为汽车报警系统的一部分，系统可把每次临近检测记录下来并通知车主（或许可通过手机）有人多次试图拉开车门。
当金属物体面积为10mm2，覆膜厚度为1mm时，临近传感器可以在距离大于2英寸时检测到手的接近。除了门把手之外，临近触摸还可用于家用电器、MP3播放器、遥控器和移动电话。
传感器的发展前景
电容式传感器有着巨大的应用前景，被认为是将对21 世纪产生巨大影响力的技术之一，该技术的进步使传感器驱动型接口更易于实现，对终端用户更为直观和简单,灵敏度更高和使用体验更好的电容性触摸屏将压倒今天主流的电阻性触摸屏成为未来手机和其它便携式设备市场的应用大趋势,尽管今天电阻性触摸屏解决方案比较便宜,但它无法像电容性触摸屏那样提供流畅的手指滑动响应性能。已有和潜在的传感器应用领域包括：军事侦察、环境监测、医疗、建筑物监测等等。
1、微型化
为了能够与信息时代信息量激增、要求捕获和处理信息的能力日益增强的技术发展趋势保持一致，对于传感器性能指标（包括精确性、可靠性、灵敏性等）的要求越来越严格；与此同时，传感器系统的操作友好性亦被提上了议事日程，因此还要求传感器必须配有标准的输出模式；而传统的大体积弱功能传感器往往很难满足上述要求，所以它们已逐步被各种不同类型的高性能微型传感器所取代；后者主要由硅材料构成，具有体积小、重量轻、反应快、灵敏度高以及成本低等优点。
2、智能化
随着微处理器技术的不断进步，电容式传感器技术正在向智能化方向发展，所谓智能化就是将传感器获取信息的功能与专用的微处理器的信息分析、处理等功能紧密结合在一起。由于微处理器具有计算与逻辑判断功。
结束语
当前技术水平下的传感器系统正向着微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向发展。今后，随着CAD技术、MEMS技术、信息理论及数据分析算法的继续向前发展，未来的传感器系统必将变得更加微型化、综合化、多功能化、智能化和系统化。在各种新兴科学技术呈辐射状广泛渗透的当今社会，作为现代科学“耳目”的传感器系统，作为人们快速获取、分析和利用有效信息的基础，必将进一步得到社会各界的普遍关注。