车载电容触摸屏的灵敏度与抗噪性能优化策略分析_刘余东.pdf

电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 31Electronics 电子学断出触控点的位置，以实现人机交互操作3。电阻触摸屏触摸精度差、透光效果较差、使用寿命较短，但由于其价格低，在市场上具有很好的竞争优势。因此，从20002016年电阻式触摸屏一直是人机交互使用的主产品。但由于后续技术的不断提升，电容式触摸屏的出现，使电阻式触摸屏的市场占有率受到电容式触摸屏的冲击。与电阻式触摸屏及其他人机交互触摸屏相比，电容式触摸屏在触摸精准度、透光效果和使用寿命以及用户体验方面均具有很好的优势，而且能够实现多点触摸控制。因此，电容式触摸屏逐渐成为市场上主要的人机智能交互平板产品。电容式触摸屏包含表面电容触摸屏和投射电容触摸屏，投射电容触摸屏可分为交互电容触摸屏和自容电容触摸屏。交互电容主要是利用相邻电极进行耦合构成的电容。当有接地的机体接触屏幕时，交互电容触摸屏的两组电容发生变化，从而对屏幕触点进行定位。自容电容屏是以导电机体作为电极通过机体在传感电极与被传感电极之间激发出电荷从而产生感应电流，对屏幕的触控位置进行定位并对终端发出指令。与其他电容式触摸屏相比，投射式电容触摸屏可以实现多点触控操作，0 引言汽车市场对智能设备的交互体验逐渐提升，而人机交互是通过接地导体对设备的操作以达到操作目的过程。最早的人机交互方式是采用按键对设备进行操控，但按键给客户带来的体验较差，对设备操控的灵敏度较低、延迟高。因此，在客户体验需求逐渐提升的条件下，促进了人机交互技术的发展。人机交互技术的发展使智能设备的操控由按键向触摸屏的转变，触摸屏的出现使客户的体验有效提升，快速替代了传统的按键式人机交互技术。1 研究背景新型人机交互技术主要是采用智能触摸屏实现人机交互控制。触摸屏主要有电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声波式触摸屏和红外线触摸屏1。其中电阻式触摸屏和红外线触摸屏为传统的触摸屏。根据触摸屏的使用材料来进行划分，可将触摸屏分为需要ITO和不需要ITO的两种触摸屏。ITO是铟锡氧化物，属于一种透明的导电体，其具有良好的导电性和透光性2。电阻式触摸屏是由导电薄膜和玻璃构成，其交互控制过程是通过手指触动触摸屏时，上下导电层形成短路，导致电压发生骤变，从而判作者简介：刘余东，汕头超声显示器技术有限公司；研究方向：电子器件设计。收稿日期：2022-08-10；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述车载投射式电容触摸屏的结构，根据车载电容触摸屏尺寸结构及电极影响触摸屏的机理，提出通过对ITO进行多电极化处理，可以提高车载电容触摸屏信号的稳定性，增加交互电容变化量，提高车载电容触摸屏灵敏度。关键词：车载电容触摸屏，灵敏度，信噪比。中图分类号：TN873文章编号：1000-0755(2023)05-0031-03文献引用格式：刘余东.车载电容触摸屏的灵敏度与抗噪性能优化策略分析J.电子技术,2023,52(05):31-33.车载电容触摸屏的灵敏度与抗噪性能优化策略分析刘余东（汕头超声显示器技术有限公司，广东 515065）Abstract This paper describes the structure of the vehicle mounted projected capacitive touch screen.According to the size and structure of the vehicle mounted capacitive touch screen and the mechanism of the electrode affecting the touch screen,it is proposed that the stability of the vehicle mounted capacitive touch screen signal can be improved,the variation of the interactive capacitance can be increased,and the sensitivity of the vehicle mounted capacitive touch screen can be improved by multi polarization treatment of ITO.Index Terms on-board capacitive touch screen,sensitivity,signal to noise ratio.Analysis of Optimization for Sensitivity and Anti-noise Performance of Vehicle Capacitive Touch ScreenLIU Yudong(Shantou Ultrasonic Display Technology Co.,Ltd.,Guangdong 515065,China.)32 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月Electronics 电子学因此，在市场上投射式电容触摸屏的使用较其他电容式触摸屏普遍。基于电容式触摸屏的性能优势和客户体验以及汽车的智能化控制的发展，投射电容式触摸屏也逐渐在汽车领域得到使用。投射电容式触摸屏的使用提高了汽车的操控效率和客户体验，使汽车控制操作更加智能化。但随着客户对体验和质量需求的提高，电容式触摸屏的控制灵敏度已不再能够满足客户的体验要求，这严重影响了车载电容式触摸屏的市场竞争力。因此，为了使车载电容式触摸屏的触摸精度得到有效提升，对条形矩阵电路的车载投射电容式触摸屏的结构和控制机理进行分析，并分析影响车载电容触摸屏灵敏度的因素。基于车载投射电容触摸屏灵敏度的影响因素分析，提出优化车载投射电容触摸屏的优化策略。2 车载电容触摸屏结构电容式触摸屏的发展分为早期的表面式电容触摸屏、中期的内表面电容式触摸屏和当前使用最为普遍的投射式电容式触摸屏。电容触摸屏是由多层玻璃结构或多层膜结构组成，玻璃层下或薄膜层下涂有具备导电性能的氧化铟锡（ITO）材料。电容式触摸屏的触控操作是通过透明电极与触控操作体之间的静电耦合作用来实现触摸控制操作。接地的物体与触摸屏接触时会导致两电极之间的交互式电容减小，通过电容的减少计算出触控的位置，则可以对触控位置进行定位，并根据触控位置发出对应的操作指令。电容式触摸屏的工艺如图1所示，电容式触摸屏通常有三层基本结构构成，包括面板材料、黏合材料和传感材料。面板材料是对触摸屏起到保护作用，以延长触摸屏的使用寿命。面板材料通常使用的材质为透明玻璃或者透明的PC或PMMA材料。黏结材料通常采用UV胶或光学胶，其主要起到黏结面板和传感材料的作用。传感材料层主要采用单层的氧化铟锡透明玻璃或薄膜材料或多层氧化铟锡透明玻璃或薄膜材料在玻璃基板上形成相移电路，用于接收控制芯片发出的信号。根据触摸屏的结构可以将电容式触摸屏划分为内嵌式和外挂式电容触摸屏，外挂式和内嵌式的根本差异在于外挂式是将触摸传感部分与液晶显示层分开设计再进行黏合，内嵌式电容触摸屏则将传感材料与液晶显示层镶嵌在一起。外挂式电容触摸屏根据氧化铟锡（ITO）材料层的数量和顺序不同可以划分为玻璃面板-黏合剂-ITO玻璃、玻璃面板-黏合层-ITO薄膜-黏合层-ITO薄膜、玻璃面板-黏合剂-ITO薄膜、ITO玻璃-黏合层-ITO薄膜和ITO玻璃与液晶模块单层结构。与外挂式相比，内嵌式电容触摸屏结构有效减小了电容触摸屏厚度，提高了电容式触摸屏的透光率。但由于内嵌式电容触摸屏工艺要求较高，成本较大，因此目前在车载触摸控制领域得到普遍使用的触摸屏主要是外挂式电容触摸屏。因此，选择玻璃面板-黏合层-ITO薄膜-黏合层-ITO薄膜为车载使用的电容触摸屏结构，该投射电容触摸屏采用的是矩形矩阵双层ITO电路，如图2。电容触摸屏主要采用双层ITO结构，内层ITO为驱动电极，外层为感应电极，最底层为屏蔽层，主要起到抗干扰的作用。3 车载电容触摸屏灵敏度的影响因素 3.1交互电容对车载电容触摸屏灵敏度的影响电容触摸屏的灵敏度与其结构尺寸密切相关，电容触摸屏结构尺寸的变化会导致其两电极间交互电容发生变化，从而使电容触摸屏的交互电容发生变化，对触摸屏的灵敏度产生影响。电容触摸屏根据其不同结构层材料之间的电容可以将电容触摸屏的电容划分为寄生电容和交互电容。寄生电容包括驱动层与屏蔽层之间的寄生电容Cg1，感应层与屏蔽层之间的寄生电容Cg2。当触摸屏未受到外界接地物体触摸时的交互电容变化如式（1）。（1）其中，C1是触摸屏未被接地物体触摸时电容触摸屏驱动电极和感应电极之间的交互电容，当受到接地导体触摸时，驱动电极和感应电极的交互电容为C2。当有接地导体与触摸屏接触时，接地导体会吸收触摸屏的电荷，在触摸物体与驱动电极和感应电极之间形成交互电容，使触摸屏的交互电容发生变化。从而对触摸屏的灵敏度产生影响。触摸屏灵敏度的好坏与交互电容和接地导体触碰屏幕时的阈值有关。表征触摸屏灵敏度的关系式如式2所示。灵敏度=交互电容变化量/接地导体信号阈值 （2）可知，车载投射电容触摸屏的灵敏度与交互电容变化量成正比，与接地导体信号的阈值成反比。交互电容变化量越大投射电容触摸屏灵敏度越高，接地导体型号的阈值越小电容触摸屏的灵敏度越大。但是接地导体信号阈值通常是在进行电容触摸屏设计时进行参数设置。接到导体阈值信号的设定通常需要根据接地触摸导体产生的触摸信号进行设定，通常阈值设为触摸导体最大信号的1/2。通常车载投射电容触摸屏的灵敏度受单元模型边长、桥宽和缝隙的影响，通过对单元模型边长、桥宽和缝隙进行改进可以对车载电容触摸屏的灵敏度进行调控。车载投射触摸屏的灵敏度与触摸屏的信噪比有关，车载投射电容触摸屏的信噪例如式（2）。图1 投射电容触摸屏工艺 图2 投射电容触摸屏结构电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 33Electronics 电子学信噪比=信号强度/噪声 （3）车载电容触摸屏噪声是指没有接地导体接触触摸时信号强度的最大值和最小值之差。式（3）可知车载电容触摸屏的信号强度越大，噪声越小，信噪比越高，车载投射电容触摸屏接收信号的能力越强，电容触摸屏的灵敏度越高。在进行触屏操作时，对车载系统操作的延迟越低，使车载电容触摸屏操作性能得到提升。由此可知，交互电容变化量和信噪比是影响车载电容触摸屏灵敏度的重要参数，通过对交互电容变化量和信噪比进行调控可以对车载投射式电容触摸屏的灵敏度进行优化。3.2电极电路对车载电容触摸屏灵敏度的影响车载电容触摸屏的操作和控制是电极之间的电感效应使驱动电极和感应电极之间交互电容发生变化可以定位到触摸屏上操作的位置，以发出操作命令。但由于受到感应电荷的作用，在操作过程中不同电路交流电的磁效应会对触摸屏的电信号产生干扰。因此，分析电极电路结构对车载电容触摸屏灵敏度的优化具有重要意义。车载电容触摸屏电路的设计与其触摸灵敏度密切相关，不同驱动电极结构交互电容的变化量不同，从而对车载电容触摸屏的灵敏度产生影响。若将两个电极线路看作平板导电模型，这不同电极之间的电容如式（4）。（4）式中，0为真空条件下的介电常数，r可看作不同电极线路间的相对介电常数。由式（4）可知，触摸屏电极线路的电容主要与电极线路的面积和电极线路之间的距离有关，电容触摸屏电极线路之间的电容与电极线路面积成正比，与两电极线路之间的距离成反比。因此，基于式（4）可知，要对电极线路之间的电容进行调控则可获得较大的交互电容变化值，从而使车载电容触摸屏的灵敏度得以改善。4 车载电容触摸屏灵敏度优化分析基于以上分析可知，车载投射电容触摸屏的使用性能主要与投射电容触摸屏灵敏度和信噪比有关。而车载投射电容触摸屏灵敏度的提升与交互电容和信号阈值参数密切相关，因此对车载电容触摸屏的灵敏度和信噪比进行优化则可以提升车载电容触摸屏的灵敏度。车载投射电容触摸屏灵敏度的提升可以通过电极结构设计进行优化。谢江容等通过对不同类型结构的电极进行试验研究，发现十字形、米字型和雪花型电极在受到手指触摸时的交互电容变化量逐渐增大。这说明通过对电极结构改进可以使车载投射电容触摸屏高灵敏度区域增加，提高车载投射电容触摸屏操作的精准度。通过电极结构优化车载投射电容触摸屏的灵敏度是通过增加电极线路密度使屏幕电极均匀化分布，从而使电极发出的信号均匀稳定。增加车载电容触摸屏灵敏度的机理是通过优化电极机构增加车载电容触摸屏受到触摸时的有效电场线数量，使交互电容变化量增加。因此对于车载电容触摸屏的优化可以对图2中条形电极进行优化设计如图3所示。通过改变触摸屏电极结构和电极数量可以使车载电容触摸屏中的电极均匀分布，增加触摸屏中ITO的有效面积，降低ITO阻抗从而有效提升车载电容触摸屏交互电容变化量，增加车载电容触摸屏灵敏度。通过车载电容触摸屏多电极优化设计可以实现ITO面板中电极的均匀化分布，降低ITO面板最大信号和最小信号的差值，降低车载电容触摸屏的噪声，提升车载电容触摸屏的信噪比。车载电容触摸屏难以完全避免噪声的干扰，因此如何对车载电容触摸屏的抗噪性能进行优化，这对于车载电容触摸屏的使用性能具有重要意义。车载电容触摸屏的噪声可分为系统噪声和环境噪声，例如显示器、LED灯、对电容触摸屏进行供电时均会产生噪声，对电容触摸的信号的稳定性产生影响。要对车载电容触摸屏的噪声进行优化需要提高触摸屏的信号稳定性。提高车载电容触摸屏信号的稳定性需要对电容触摸屏的电路进行调控设计。张晋芳等经过试验验证发现通过多电极驱动和IQ正交调节机制可以选择适合的驱动矩阵电路，以降低触摸屏工作过程中由于电感耦合产生的噪声。因此，对于车载投射电容触摸屏的抗噪性能的优化可以结合电容触摸屏多电极优化处理的方式来调控触摸屏信号稳定性，从而使车载电容触摸屏的抗噪性能得到优化。5 结语电容触摸屏在汽车领域的使用实现汽车控制的智能化操作，增加客户的使用体验。当前采用十字形电路的电容触摸屏的灵敏度较差，在使用过程中易产生噪声，严重影响车载电容触摸屏的使用性能。因此基于交互电容对灵敏度的影响及信号强度和噪声对信噪比影响的分析，提出车载电容触摸屏多电极优化处理可以提高车载电容触摸屏灵敏度和抗噪性能，使车载电容触摸屏使用性能得以改善。参考文献1 赵小珍.机载显示系统中触摸屏的设计与研究J.电子设计工程,2021,29(23):46-50+55.2 王士敏.ITO导电玻璃及其在平板显示器中的应用J.现代显示,2007(03):22-25.3 陆超.电容触摸液晶显示应用于车载多媒体系统关键技术的研究D.上海：上海交通大学,2016.图3 车载电容触摸屏多电极优化