本文簡單介紹了電容屏方面的相關知識，正文主要分為電子設計和結構設計兩個部分。電子設計部分包含了原理介紹、電路設計等方面，結構設計部分包好了外形結構設計、原料用材、供應商工藝等方面

　　【名詞解釋】

　　1. V.A區：裝機后可看到的區域，不能出現不透明的線路及色差明顯的區域等。

　　2. A.A區：可操作的區域，保證機械性能和電器性能的區域。

　　3. ITO：Indium Tin Oxide氧化銦錫。涂鍍在Film或Glass上的導電材料。

　　4. ITO FILM：有導電功能的透明PET膠片。

　　5. ITO GALSS：導電玻璃。

　　6. OCA：Optically Clear Adhesive光學透明膠。

　　7. FPC：可撓性印刷電路板。

　　8. Cover Glass（lens）：表面裝飾用的蓋板玻璃。

　　9. Sensor：裝飾玻璃下面有觸摸功能的部件。（Flim Sensor OR Glass Sensor）

　　【電子設計】

　　一、電容式觸摸屏簡介

　　電容式觸摸屏即Capacitive Touch Panel（Capacitive Touch Screen），簡稱CTP。根據其驅動原理不同可分為自電容式CTP和互電容式CTP，根據應用領域不同可分為單點觸摸CTP和多點觸摸CTP。

　　1、實現原理

　　電容式觸摸屏的采用多層ITO膜，形成矩陣式分布，以X、Y交叉分布作為電容矩陣，當手指觸碰屏幕時，通過對X、Y軸的掃描，檢測到觸碰位置的電容變化，進而計算出手指觸碰點位置。電容矩陣如下圖1所示。

　　圖1 電容分布矩陣

　　電容變化檢測原理示意簡介如下所示：

　　名詞解釋：

　　ε0：真空介電常數。

　　ε1 、ε2：不同介質相對真空狀態下的介電常數。

　　S1、d1、S2、d2分別為形成電容的面積及間距。

　　圖2 觸摸與非觸摸狀態下電容分布示意

　　非觸控狀態下：C=Cm1=ε1ε0S1/d1

　　觸控狀態下：C=Cm1*Cmg/（Cm1+Cmg），Cm1=ε1ε0S1/d1，Cmg=Cm1=ε2ε0S2/d2

　　電容觸摸驅動IC會根據非觸控狀態下的電容值與觸控狀態下的電容值的差異來判斷是否有觸摸動作并定位觸控位置。

　　2、自電容與互電容

　　自電容式CTP是利用單個電極自身的電容變化傳輸電荷，由一端接地，另一端接激勵或采樣電路來實現電容的識別（測量信號線本身的電容）。自電容式CTP的坐標檢測是依次檢測橫向和縱向電極陣列，根據觸摸前后電容變化分別確定橫向和縱向坐標，然后組合成平面坐標確定觸摸位置。當觸摸點只有一個時，組合后的坐標也是唯一的一個，可以準確定位；當觸摸點有兩個時，橫向和縱向分別有兩個坐標，兩兩組合后出現四組坐標，其中只有兩個時真實觸摸點，另兩個就是屬稱的“鬼點”。所以自電容式CTP無法實現真正的多點觸摸。

　　互電容式CTP失利用兩個電極進行傳輸電荷，一端接激勵，另一端接采樣電路來實現電容的識別（測量垂直相交的兩個信號之間的電容）。互電容式CTP坐標檢測也是檢測橫向和縱向電極陣列，不同的是它是由橫向依次發送激勵而縱向同時接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向交匯點的電容值，根據電容值的變化可以計算出每一個觸摸點的坐標，這樣即使有多個觸摸點也能計算出每個觸摸點的真實坐標。所以互電容式CTP可以實現真實多點觸控。

　　自電容的優點是簡單、計算量小，缺點是單點、速度慢；互電容的優點是真實多點、速度快，缺點是復雜、功耗大、成本高。

　　3、結構及材料使用

　　二、驅動IC簡介

　　電容屏驅動IC是電容屏工作處理的主體，是采集觸摸動作信息和反饋信息的載體，IC采用電容屏工作的原理采集觸摸信息并通過內部MPU對信息進行分析處理從而反饋終端所需資料進行觸摸控制。

　　IC與外部連接是通過對外的引腳進行的，電容屏驅動IC廠家眾多，各自的設計也不盡相同，但是基本原理也是大同小異，因此個驅動IC的芯片引腳也比較類似，只有個別引腳是各自功能中特殊的設計，如下對電容屏驅動IC的引腳做一個簡單的說明。

　　驅動信號線：即Driver或TX，是電容屏的電容驅動信號輸出腳。

　　感應信號線：即Sensor或RX，是電容屏的電容感應信號輸入腳。

　　電源電壓：分模擬電源電壓和數字電源電壓。模擬電壓范圍一般為2.6V~3.6V，典型值為2.8V和3.3V；數字電壓即電平電壓為1.8V~3.3V，由主板端決定。電容屏設計可以設計為單電源和雙電源兩種模式，目前以單電源供電為主（可以減少接口管腳數）。

　　GND：也分為模擬地和數字地兩種，一般兩種地共用，特殊情況下需將兩種地分開以減少兩種地之間的串擾現象。

　　I2C接口：I2C接口包括I2C_SCL和I2C_SDA。I2C_SCL為時鐘輸入信號，I2C_SDA為數據輸入輸出信號。

　　SPI接口：SPI接口包括SPI_SSEL、SPI_SCK、SPI_SDI、SPI_SDO。SPI_SSEL為片選信號，低電平有效；SPI_SCK為時鐘輸入信號；SPI_SDI為數據輸入信號；SPI_SDO為數據輸出信號。

　　RESET：芯片復位信號，低電平有效。

　　WACK：芯片喚醒信號。

　　TEXT_EN：測試模式使能信號。

　　GPIO0~N：綜合功能輸入輸出IO口。

　　VREF：基準參考電壓。

　　VDD5：內部產生的5V工作電壓。

　　以上引腳定義沒有包含全部的驅動IC的功能，如LED、Sensor_ID、Key_Sensor等特殊功能作用的管腳，這些管腳需根據具體IC確認其具體作用及用法。

　　三、ITO圖形設計

　　ITO可蝕刻成不同的圖形，不過造價師相同的，而且很難講哪個圖像比其他圖形工作效率高，因為觸摸屏必須與電子間配合才能發揮作用。

　　I-phone采用的圖形是最簡單的一種，即在ITO在玻璃一面為橫向電極，在另一面為縱向電極，此設計簡單巧妙但幾何學要求特別的工藝電能來產生準確的焦點。

　　圖3 I-phone Pattern

　　閉路鎖合的鉆石形Pattern是最常見的ITO圖形，45°角的軸線組成菱形塊，每個菱形塊通過小橋連接，此圖形用于兩片玻璃，一片是橫向菱形排，另一片是縱向的菱形列，導電圖形在玻璃內側，行與列對應鎖定后貼合。菱形圖形大小不一，取決于制造商，但基本在4-8mm之間，幾乎所有電子控制器（CTP控制IC）都可用于此圖形。

　　復雜圖形的ITO圖形需要專用的電子控制器，有時需要購買許可。一些IC廠會根據自身的特點設計特定的Pattern，且為避免濫用或保護權利會申請圖形專利。

　　目前基礎ITO Pattern有Diamond、Rectangle、Diamond& Rectangle、Hexagon等。

　　四、布局設計要求

　　根據驅動IC的放置位目前可分為COF、COB兩種方式。

　　COF即Chip on FPC，作為終端導向方式被廣泛應用，這種設計方式可根據實際應用效果和市場變化在不更改主板的情況下更換電容屏設計方案，可兼容多種電容屏驅動IC設計方案。缺點是前期和后期調試工作量大，備料周期長。

　　COB即Chip on Board，將驅動IC融合在主板端帶來的一個問題是主板和電容屏驅動IC方案確定后不能隨意更改設計方案，因為電容屏驅動IC基本都不是PIN to PIN兼容的，更換方案意味著重新布局相關的主板設計。COB方案的優點成本降低，交期短，方便備料，前期設計和后期調試工作量小。

　　無論是COF或COB方案都需要在布局走線時注意相關設計要求，根據IC原廠建議以及供應商的實際應用經驗，總結如下設計注意事項：

　　1、關鍵器件布局

　　各組電源對應的濾波電容需靠近芯片引腳放置，走線盡量短，如下為IC周圍元件布局示意圖：

　　圖5 元件布局示意圖

　　電容屏與主板連接端口周圍不要走高速信號線。

　　對于COB方案，觸控IC盡量靠近Host IC。觸控IC及FPC出線路徑要求遠離FM天線、ADV天線、DTV天線、GSM天線、GPS天線、BT天線等。與觸控IC相關器件盡量放進屏蔽罩中，且盡可能采用單獨的屏蔽罩。觸控IC附近有開關電源電路、RF電路或其它邏輯電路時，需注意用地線隔離保護觸控IC、芯片電源、信號線等。

　　RF是手機中最大的干擾信號，因此對芯片與RF天線間的間距有一定要求：在頂部要求間距≥20mm，在底部要求間距≥10mm。適用于COF和COB方案。

　　2、布線

　　1）電源線盡量短、粗，寬度至少0.2mm，建議≥0.3mm。驅動和感應信號線走線盡量短，減小驅動和感應走線的環路面積。

　　驅動IC未使用的驅動和感應通道需懸空，不能接地或電源。

　　對于COB方案，主板上的信號線走線盡量短，盡量接近與屏體的連接接口。建議將IC周圍的驅動和感應信號按比例預留測試點，方便量產測試，最少需要各留兩個測試點。I2C、SPI、INT、RESET等接口預留測試點，方便Debug。

　　2）用地線屏蔽驅動通道，避免驅動通道對Vref等敏感信號或電壓造成干擾。

　　3）信號線（驅動通道和感應通道）建議平行走線，避免交叉走線。

　　對于不同層走線的情況，避免兩面重合的平行走線方式（FPC的兩面重合平行走線會形成電容），相鄰的驅動通道和感應通道平行走線之間以寬度≥0.2mm的地線隔離，如下圖所示：

　　圖7 正確走線方式

由于結構的限制，導致驅動和感應通道必須交叉走線時，盡量減少交叉的面積（降低因走線而產生的結點電容，形成的電容與面積有關），強制建議交叉進行垂直交叉走線，特別注意避免多次交叉。同時驅動和感應走線寬度使用最小走線寬度（0.07~0.08mm）。

　　對于COB方案的多層方案，建議驅動和感應通道采用分層走線，且中間以地線屏蔽。

　　4）信號線（驅動和感應通道）必須避免和通訊信號線（如I2C、SPI等）相鄰、近距離平行或交叉，以避免通訊產生的脈沖信號對檢測數據造成干擾。對于距離較近的通訊信號線，需要用地線進行屏蔽

　　5）地線及屏蔽保護

　　芯片襯底必須接地，襯底上需放置可靠的地線過孔，建議過孔數量4~8個。驅動和感應通道壓合點兩側均須放置地線壓合點，空間允許情況下，驅動和感應通道走線兩側必須放置地線，建議地線寬度≥0.2mm。

　　FPC未走線區域需要灌銅，大面積灌銅能減小GND走線電阻，屏蔽外部干擾。建議采用網格狀灌銅，既起到屏蔽作用又不增加驅動和感應線對地電容。建議網格銅規格：Grid=0.3mm，Track=0.1mm。無論COF或COB，連接Sensor和Guitar芯片的FPC，其信號線走線背面需鋪銅，同時建議增加接地的屏蔽膜。

　　圖14 接地屏蔽膜

　　與主控板接口排線盡可能設置兩根≥0.2mm的地線，保證電氣可靠接地。如結構允許，補強可用鋼板，若能保證鋼板可靠接地則效果更好。

　　6）設計參考

　　FPC設計時需要考慮的關鍵尺寸如下圖所示：

　　圖15 FPC關鍵尺寸示意圖

　　FPC走線禁止直角或折線，折彎處需倒圓弧；元件擺放區必須予以補強，方便貼片或焊接；所有過孔盡量打在補強板區域，FPC彎折區及附近不能有過孔；設計圖上必須標注補強區位置及總FPC厚度，彎折區及附近不能有補強；彎折區與元件區過渡的圓角要達到R=1.0mm，并建議在拐角處加銅線以補充強度，減少撕裂風險。

　　在FPC設計中還要注意元件區空間的大小，特別是在結構圖確認中，要充分考慮元件區大小預留結構空間。

　　五、ESD防護

　　ESD性能是電子產品都需要關注的基本性能，ESD性能直接影響了電子產品的電氣性能甚至使用壽命。

　　在CTP設計時應特別注意ESD防護，建議參考事項：

　　1）FPC邊緣與機殼開孔或縫隙的距離≥3mm，避免ESD直接對FPC放電。

　　2）機殼設計時，建議選用有接地的金屬外殼或無金屬結構件的塑膠外殼，提供ESD能力。

　　3）部分IC可增加防ESD的TVS管等器件，如Focaltech，可提供抗ESD能力。

　　4）FPC設計中，增加網格的GND屏蔽（必要時增加接地屏蔽膜），保護I2C信號，放置ESD干擾串入主板。

　　5）減小VDD與GND距離，提高抗輻射的ESD干擾能力。

　　6）ITO Sensor周圍進行圍地保護，避免ESD直接干擾Sensor。

　　7）隔離地線保護，IC工作電源地與FPC周圍保護地分離，在IC外圍進行充分連接，防止ESD直接打到IC上。

　　六、技術展望

　　隨著電容屏的廣泛應用及其市場潛力的開發，電容屏技術越來越受到大家的關注和肯定。

　　在市場整合方面，電容屏的標準化、共用性是電容屏供應商急需努力和實施的市場技術要求。

　　在技術方面，也有幾個不同的發展方向。1、驅動IC方面，在提高驅動IC性能的同時，將LCM驅動和CTP驅動融合在一起是一種方向。2、在玻璃面板方面，輕薄是未來努力的主要方向。一種是在LCD玻璃表面做CTP的ITO Sensor，將LCM與CTP融合到一起；一種是in-cell，即直接將CTP Sensor融合在LCD玻璃里面，即LCD玻璃本身帶有CTP功能。

　　【結構設計】

　　一、結構及材料使用

　　1、結構

　　G＋F結構

　　結構：cover glass+film sensor。

　　特點：此結構用單層film sensor，ITO為三角形結構，只支持單點，可做到虛擬兩點手勢。

　　優點：開模成本很低，性價比高，單價屬電容TP中最低的結構，總厚度可做薄，透光性好，交期短，Cover外形可更換。

　　缺點：單點為主，手寫較差，虛擬兩點手勢準確度差。

　　G＋F＋F

　　結構：cover glass+film sensor+film sensor。

　　特點：此結構用兩層film sensor，ITO為菱形結構，支持真實多點操作。

　　優點：準確度高，手寫效果好，支持真實兩點，cover外形可更變。

　　缺點：透光性差，比G/G結構低5%。價格比G/F高，比G/G低。

　　G＋G

　　結構：cover glass+glass sensor

　　特點：此結構用單層glass sensor，ITO為菱形結構，支持真實多點。

　　優點：準確度高，透光性好，手寫效果好。支持真實多點，cover外形可更變，可靠性好及使用壽命長。

　　缺點：受撞擊后的底面glass sensor容易破壞，開發成本高，周期長，可替換性差。

　　2、材料使用

　　1）ITO GLASS：是Indium Tin Oxide 三個英文字母的縮寫，即氧化銦錫。ITO 玻璃是在清潔的絕緣素玻璃表面上，以真空鍍膜法依序鍍上SiO2 層及ITO 層所制成，ITO薄膜的特性是，在可見光區具有高度的穿透率與極佳的電導性。

　　a、目前常用的ITO GLASS廠家有：百旭子，旭硝子。

　　b、GLASS SENSOR：0.33mm，0.4mm，0.55mm。

　　2）ITO Film：氧化銦錫薄膜。常用0.125mm。

　　3）OCA：常用規格有50um、100um、150um、200um、250um、300um。廠家主要有3M，日立化成，三菱樹酯。

　　4）Cover Glass：使用強化玻璃，厚度有0.55、0.7、0.8、0.95、1.0、1.1規格的，表面硬度一般為7H。

　　5）PMMA：使用厚度建議1.0mm以上，且LCM與CTP間隙至少要0.5mm。