电容式触摸屏中寄生电容原理及测量方法探讨.pdf

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1、snej—uFen×堡主坌塑薹电容式触摸屏中寄生电容原理及测量方法探讨龙玲丽张樱凡何宜洋(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621O00)摘要：影响电容式触摸屏灵敏度的因素有很多，寄生电容c的大小、覆盖层的厚度、焊盘问空隙等都会对触摸屏带来影响，因此寄生电容的大小设定尤为重要，而寄生电容的提取和测量并不容易。现主要对寄生电容的影响因素作详细的理论分析，并提出了一种测量寄生电容的方法。关键词：触摸屏；寄生电容；设计；提取；测量0引言一墅二!(。+Ad)以往电容式触摸屏中寄生电容的大小通常都是根据经验一·(+)㈦所得，一般设定在5～15pFl1范围内，但

2、是这种基于经验的设计在实践中会带来触摸精度不够高等问题。寄生电容的测量当Ad／d。《1时，上式可以展开成级数形式：在以往的研究中讨论得比较少，但在触摸按键的设计过程中，一·(一)．[一du+()一()。+⋯]如果能够通过实验准确测出寄生电容的大小，就可以为触摸按键的参数设计提供理论计算值，并且可以对触摸按键中的寄生一·(一)·[一do+()2一(do)。+⋯]c电容值大小进行定量更改。下文介绍并分析了一种寄生电容于是灵敏度K为：的测量方法。K。Ac~s·[卜ad+(Ad2一()。+．．·](5)1寄生电容设计分析由式(5)可知，极距变化型电容式传感器

3、的灵敏度并非常电容式触摸屏的结构如图1所示。数，只有比值△／很小时，才可认为是近似线性关系。当。和固定不变时，灵敏度K与极距d的平方成反比，极距d越小，灵敏度越高。由于灵敏度随极距变化，这将引起该寄生电容传感器的非线性误差，故对于极距d的选取至关重要，太大可以增加灵敏度，但会造成非线性误差增大。1．2变面积型寄生电容图1电容式触摸屏结构设极板的初始耦合面积为，电容器初始电容为c。，极板寄生电容就是图I中的PCB与覆铜的电极X、Y构成的。耦合面积的变化为As时，传感器电容为：在触摸按键的设计过程中，寄生电容的大小表达式为：f一—一Co+十Ac(6)c一

4、(1)“可求得：式中，e为介电常数；s为耦合面积；为极板间的距离。因为电容的大小跟这3个因素有关，所以通过改变电容的一f—c。一(7)这些因素，就可以改变电容值的大小。共有3种方法，分别为灵敏度为：改变极距、改变面积和改变介质。下面就着重讨论这3种因素K-Ac一寺(8)对电容值的影响以及这些因素的变化会对寄生电容传感器灵敏度、线性度带来哪些影响。由此可知，变面积型的寄生电容，其变化面积的大小不影1．1变极距型寄生电容响测量灵敏度，测量的线性度也非常好。下面讨论变极距型电容传感器的灵敏度和非线性。平行1．3变介质型寄生电容板电容器的电容量由式(1)可知

5、。假设两极板间距离的初始值介质变化型电容的结构原理如图2所示。为，电容器初始电容为，当极板间距有一定增量时Ad，传由图2可知，电容量为：f—fA+(9)感器的电容为：其中：一+一c+。(2)nfA=一半■(10)可求得：le1Ac—c—cr、CB一(d．d⋯-，)一一旦d()+Add。机电信息2014年第24期总第414期137该种测量微小电容的方法在很多其他地方都有使用，触摸屏中的寄生电容向来都是根据设计者的经验来设定的，没有一定的准确性，用电荷放大电路的实质就是将输入信号在开关的几种控制状态下经过各级运放得到输出信号，通过输出信号与d输入信号之间

6、的关系来求出寄生电容的大小。电路图中Vi是激励信号源，运放U1、电容Cr和开关S1构成电荷放大器；开关S2、S3和运放U2、U3组成基本采样保持器，U4为仪表放大器。电路开始工作时，Vi输入初始电压VV为高，开关S1、S2、S3闭合。因为S1闭合，U1输出0。在第一个时刻Sl断开，在电荷注入效应的作用下，注人电容Cr，U1输出降低至V。。U2输出随U1输出降低，一段时间后U2的输出趋于稳定。在第二个时刻，断开s2，U2采样保持，U2输一一(12)，出—V在第三个时刻，激励源Vi由高V向低跳变，幅度为：△．一V，l—V．2(15)一f一+·———c(1

7、3)电压变化使电容C右极板产生感应正电荷，其电量为：l·I+lQ—AV．·C(16)此时U1输出上升为：VH+(17)一ⅢU3输出随U1输出上升，一段时间后U3输出趋于稳定。在第四个时亥0，S3断开，采样保持电路作用下U3输出一V此时仪表放大器U4输出为：Vo一一一一AV·Cx／Cj(18)图中C!l和是每个电极上所有杂散电容的等效电容。由激励源驱动的G对流过被测电容的电流没有影响。理论上，C始终处于两端无电压差的虚地状态，但实际上在加激励信号后，激励电压同时作用于C与G上，由于C上产生的激励电荷远远大于Ch产生的激励电荷，c被大大抑制，因此测量结果

8、也不会因为存在产生影响。在测试电路中只需要知道、C、V，即可求出寄生电容的大小。测试中设定C的大小为5p，因