水对电容触摸屏的影响及设计中的防水策略

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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。参考图1和图2。

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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。

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. 水滴被擦除后互电容屏产生误触发

我们知道自电容屏仅能实现单点触摸和不完全两点触摸（在两点形成的矩形的另两个对角上会产生鬼影），而多点触摸必须基于互电容触摸屏。因为手指触摸使互电容减少，水滴却使互电容增加。这很容易使设计者产生一个错觉，认为水滴落在互电容屏上，不会被误认为是手指触摸，也就是说不会产生误触发。我们来看实际情况是怎样。因为手指触摸信号是基于基本线值和有手指触摸时的AD转换值的差，而基本线值通常近似或等于没有手指触摸时的AD转换值，水滴落在互电容屏上虽然不会使AD转换值变化朝手指触摸时的AD转换值的方向变化，却会使AD转换值朝手指触摸时的AD转换值的相反方向变化，它导致基本线值朝手指触摸时的AD转换值的相反方向偏移。当水滴被擦掉时，AD转换值会很快地恢复到原先的基本线值附近，基本线值由于受基本线值算法的限制不能很快更新到原先的基本线值 。这时AD转换值和基本线值就产生了差值信号，这个差值信号变化的方向和手指触摸时的AD转换值的变化的方向是一致的。当因水造成的基本线值的偏移量接近或超过设定的手值阈值时，在水被擦掉的一瞬间误触发就出现了。很多情况下，这种误触发不容易恢复正常，因为被偏移的基本线值不容易被更新恢复到正常的基本线值。误触发会持续很长时间，甚至需要复位重启触摸屏系统。

三、交替扫描实现多点电容触摸屏的防水

如何消除水滴被擦除后互电容屏产生的误触发是互电容屏防水设计所面临的一个挑战。要解决这个问题，首先要知道水滴是什么时候开始在电容屏上的。因为基本线值朝手指触摸时的AD转换值的相反方向偏移有可能有多种原因。比如，环境温度（高低温的测试）、湿度的变化；静电的干扰；触摸屏系统启动时手指正好按在触摸屏上，启动后手指被移开等等。如何将水滴在互电容屏上导致的基本线值变化和其他情况导致的基本线值变化甄别出来是知道当前有水滴在互电容屏上的关键。

事实上，我们在前面已经讨论了水滴在互电容屏和自电容屏上产生的不同行为，水滴在自电容屏上使AD转换值变化朝手指触摸时的AD转换值的同方向变化，而水滴在互电容屏上使AD转换值变化朝手指触摸时的AD转换值的相反方向变化。这个特征本身为我们提供了辨别水滴在电容屏上一个有效方法。但它要求触摸屏系统对同一块电容屏不但能实施互电容扫描，也能实施自电容扫描。通过交替扫描，在各种各样的因素导致的信号变化中将水滴产生的信号检测出来。一旦水滴产生的信号被检测出来，将保持基本线值不变，直到水被擦掉，基本线值才按先前的规则重新更新。在有水的时候，用手指触摸触摸屏，因为手指产生的信号变化相对水产生相反方向信号变化大得多，所以手指在有水滴的触摸屏上触摸不会受到太大的影响。从而实现互电容触摸屏的有效防水。

四．结束语

水对自电容与互电容影响所产生不同的行为成为水在电容触摸屏上的主要特征。充分利用这个特征并使用交替扫描使互电容触摸屏的防水设计成为可能。




作者：翁小平

Cypress半导体 资深主任应用工程师