防水性能是衡量多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)性能的標(biāo)志性指標(biāo)。似乎使用互電容掃描的多點(diǎn)電容觸摸屏具有天然的防水能力，它并不構(gòu)成一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。為什么這樣說(shuō)呢？因?yàn)槭褂米噪娙輶呙璧挠|摸屏，水滴和手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)變化的方向是相同的，要將水滴從手指觸摸中分辨出來(lái)頗費(fèi)周折。而互電容掃描的觸摸屏水滴和手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)變化的方向正好是相反的，因?yàn)槭种赣|摸使互電容減少，水滴卻使互電容增加。這就給人這樣一個(gè)感覺(jué)，使用互電容掃描的多點(diǎn)電容觸摸屏具有天然的防水能力而不需要采用特別的措施去做防水處理。真實(shí)的情況并非如此簡(jiǎn)單，當(dāng)水滴滴到互電容屏上時(shí)，確實(shí)不會(huì)也沒(méi)有產(chǎn)生誤觸發(fā)，但當(dāng)水滴被擦掉以后再用手指觸摸原來(lái)的地方就不靈了，或者在沒(méi)有手指觸摸時(shí)會(huì)不時(shí)出現(xiàn)虛假的觸摸信號(hào)。運(yùn)氣好的時(shí)候，過(guò)一段時(shí)間可以檢測(cè)到手指觸摸。大多數(shù)情況下很難再恢復(fù)到原先的觸摸靈敏度。我們知道一個(gè)合格的產(chǎn)品是不允許這樣的情況出現(xiàn)的，更不會(huì)去依賴(lài)好運(yùn)氣。因此如何解決因水而帶來(lái)的手指觸摸失效的問(wèn)題和假觸發(fā)的問(wèn)題是多點(diǎn)電容觸摸屏設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。事實(shí)上因水而帶來(lái)的觸摸失效的問(wèn)題不僅僅指水滴，它還包括水膜和大片的水。
二、水對(duì)自電容和互電容的影響
1. 首先我們來(lái)了解觸摸屏的自電容和互電容。
在觸摸屏上一個(gè)感應(yīng)塊（假定為A）和它相鄰的感應(yīng)塊（假定為B）之間可以產(chǎn)生自電容，也可以產(chǎn)生互電容。如果在感應(yīng)塊A上施加高頻交流信號(hào)Tx，感應(yīng)塊B被接地，在感應(yīng)塊A和B之間的耦合就是自電容耦合，自電容的大小為Cs。如果在感應(yīng)塊A上施加高頻交流信號(hào)Tx，感應(yīng)塊B作為感應(yīng)電極接受來(lái)自感應(yīng)塊A的信號(hào)Rx，這時(shí)，在感應(yīng)塊A和B的耦合就是互電容耦合,互電容的大小為Cm。自電容Cs大小和互電容Cm的大小正比于感應(yīng)塊A和B之間的邊界長(zhǎng)度和介質(zhì)的介電常數(shù)，與感應(yīng)塊A和B之間的距離成反方向關(guān)系。一般地講，感應(yīng)塊A上的電勢(shì)要比感應(yīng)塊B上的電勢(shì)高，所以電場(chǎng)的方向總是從感應(yīng)塊A到感應(yīng)塊B。參考圖1和圖2。
2. 其次看手指觸摸對(duì)自電容和互電容的影響。
在自電容耦合中，由于B感應(yīng)塊被接地，所以A感應(yīng)塊既是激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射端，也是測(cè)量信號(hào)的接受端；在互電容耦合中，A、B感應(yīng)塊分別是激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射端和測(cè)量信號(hào)的接受端。當(dāng)手指觸摸感應(yīng)塊上的覆蓋物時(shí)，由于手指及人體可以被認(rèn)為是導(dǎo)體，人體與大地之間的電容Cbody和設(shè)備地與大地之間的電容Cboard足夠大，對(duì)高頻的交流激勵(lì)信號(hào)僅有非常小的容抗，所以可以認(rèn)為手指在觸摸系統(tǒng)中的電勢(shì)近似地為設(shè)備地的電勢(shì)GND。參考圖3和圖4。這樣在自電容的電場(chǎng)耦合中，手指觸摸相當(dāng)于在自電容Cs上并聯(lián)了一個(gè)電容CFT/FR, 所以，手指觸摸使自電容增加。而在互電容的電場(chǎng)耦合中，由于手指在觸摸系統(tǒng)中的電勢(shì)近似地為設(shè)備地的電勢(shì)GND，感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B的電勢(shì)都比手指的電勢(shì)高，在感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B與手指之間將產(chǎn)生電的耦合，這就意味著在感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B與手指之間產(chǎn)生耦合電容CFT和CFR。當(dāng)高頻的交流激勵(lì)信號(hào)施加在感應(yīng)塊A上時(shí)，經(jīng)由互電容Cm到Rx的電流被手指電容CFT和CFR分流掉一部分，接受端Rx的電流將比原來(lái)小，這樣它就等效為互電容Cm的減少，所以，通常我們說(shuō)手指觸摸使互電容減少。
3. 再來(lái)看水對(duì)自電容和互電容的影響。
當(dāng)水落到觸摸屏上時(shí)，由于水是導(dǎo)電的，可以認(rèn)為是導(dǎo)體，它也將改變感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B之間的電場(chǎng)耦合。但水的表面積相比人體來(lái)講要小非常多，人體與大地之間的電容Cbody已經(jīng)不復(fù)存在，水滴與大地之間的電容非常小，小到幾乎零。水滴在觸摸系統(tǒng)中的電勢(shì)已不能近似地為設(shè)備地的電勢(shì)GND，它的電勢(shì)由感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B的電勢(shì)來(lái)確定?；诔ＷR(shí)，它的電勢(shì)應(yīng)介于感應(yīng)塊A的電勢(shì)和感應(yīng)塊B的電勢(shì)之間。參考圖5和圖6，在自電容的電場(chǎng)耦合中，水滴分別與感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B形成電容CWT/WR和CWS，可以認(rèn)為這兩個(gè)電容是串聯(lián)以后再并聯(lián)在Cs的兩端，所以對(duì)自電容的屏，水滴象手指一樣會(huì)使自電容增加，但由于水滴產(chǎn)生的兩個(gè)電容是串聯(lián)以后再并聯(lián)在Cs的兩端，串聯(lián)電容的值將小于串聯(lián)電容中的任何一個(gè)電容，對(duì)于一個(gè)與手指大小直徑的水滴，它產(chǎn)生的信號(hào)變化將肯定小于手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)變化，但它們是同方向的。同樣，在互電容的電場(chǎng)耦合中，水滴分別與感應(yīng)塊A和感應(yīng)塊B形成電容CWT和CWR，可以認(rèn)為這兩個(gè)電容是串聯(lián)以后再并聯(lián)在Cm的兩端，所以對(duì)互電容的屏，水滴不象手指觸摸使互電容減少，而是使互電容增加！同樣由于水滴產(chǎn)生的兩個(gè)電容是串聯(lián)以后再并聯(lián)在Cm的兩端，串聯(lián)電容的值將小于串聯(lián)電容中的任何一個(gè)電容，對(duì)于一個(gè)與手指大小直徑的水滴，它產(chǎn)生的信號(hào)變化也將肯定小于手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)變化，通常它是手指觸摸信號(hào)的1/4大小，但它和手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)變化是反方向的。
4. 水滴被擦除后互電容屏產(chǎn)生誤觸發(fā)
我們知道自電容屏僅能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)觸摸和不完全兩點(diǎn)觸摸（在兩點(diǎn)形成的矩形的另兩個(gè)對(duì)角上會(huì)產(chǎn)生鬼影），而多點(diǎn)觸摸必須基于互電容觸摸屏。因?yàn)槭种赣|摸使互電容減少，水滴卻使互電容增加。這很容易使設(shè)計(jì)者產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)覺(jué)，認(rèn)為水滴落在互電容屏上，不會(huì)被誤認(rèn)為是手指觸摸，也就是說(shuō)不會(huì)產(chǎn)生誤觸發(fā)。我們來(lái)看實(shí)際情況是怎樣。因?yàn)槭种赣|摸信號(hào)是基于基本線(xiàn)值和有手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的差，而基本線(xiàn)值通常近似或等于沒(méi)有手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值，水滴落在互電容屏上雖然不會(huì)使AD轉(zhuǎn)換值變化朝手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的方向變化，卻會(huì)使AD轉(zhuǎn)換值朝手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的相反方向變化，它導(dǎo)致基本線(xiàn)值朝手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的相反方向偏移。當(dāng)水滴被擦掉時(shí)，AD轉(zhuǎn)換值會(huì)很快地恢復(fù)到原先的基本線(xiàn)值附近，基本線(xiàn)值由于受基本線(xiàn)值算法的限制不能很快更新到原先的基本線(xiàn)值 。這時(shí)AD轉(zhuǎn)換值和基本線(xiàn)值就產(chǎn)生了差值信號(hào)，這個(gè)差值信號(hào)變化的方向和手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的變化的方向是一致的。當(dāng)因水造成的基本線(xiàn)值的偏移量接近或超過(guò)設(shè)定的手值閾值時(shí)，在水被擦掉的一瞬間誤觸發(fā)就出現(xiàn)了。很多情況下，這種誤觸發(fā)不容易恢復(fù)正常，因?yàn)楸黄频幕揪€(xiàn)值不容易被更新恢復(fù)到正常的基本線(xiàn)值。誤觸發(fā)會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，甚至需要復(fù)位重啟觸摸屏系統(tǒng)。
三、交替掃描實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)電容觸摸屏的防水
如何消除水滴被擦除后互電容屏產(chǎn)生的誤觸發(fā)是互電容屏防水設(shè)計(jì)所面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。要解決這個(gè)問(wèn)題，首先要知道水滴是什么時(shí)候開(kāi)始在電容屏上的。因?yàn)榛揪€(xiàn)值朝手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的相反方向偏移有可能有多種原因。比如，環(huán)境溫度（高低溫的測(cè)試）、濕度的變化；靜電的干擾；觸摸屏系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)手指正好按在觸摸屏上，啟動(dòng)后手指被移開(kāi)等等。如何將水滴在互電容屏上導(dǎo)致的基本線(xiàn)值變化和其他情況導(dǎo)致的基本線(xiàn)值變化甄別出來(lái)是知道當(dāng)前有水滴在互電容屏上的關(guān)鍵。
事實(shí)上，我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)討論了水滴在互電容屏和自電容屏上產(chǎn)生的不同行為，水滴在自電容屏上使AD轉(zhuǎn)換值變化朝手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的同方向變化，而水滴在互電容屏上使AD轉(zhuǎn)換值變化朝手指觸摸時(shí)的AD轉(zhuǎn)換值的相反方向變化。這個(gè)特征本身為我們提供了辨別水滴在電容屏上一個(gè)有效方法。但它要求觸摸屏系統(tǒng)對(duì)同一塊電容屏不但能實(shí)施互電容掃描，也能實(shí)施自電容掃描。通過(guò)交替掃描，在各種各樣的因素導(dǎo)致的信號(hào)變化中將水滴產(chǎn)生的信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。一旦水滴產(chǎn)生的信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)，將保持基本線(xiàn)值不變，直到水被擦掉，基本線(xiàn)值才按先前的規(guī)則重新更新。在有水的時(shí)候，用手指觸摸觸摸屏，因?yàn)槭种府a(chǎn)生的信號(hào)變化相對(duì)水產(chǎn)生相反方向信號(hào)變化大得多，所以手指在有水滴的觸摸屏上觸摸不會(huì)受到太大的影響。從而實(shí)現(xiàn)互電容觸摸屏的有效防水。
四．結(jié)束語(yǔ)
水對(duì)自電容與互電容影響所產(chǎn)生不同的行為成為水在電容觸摸屏上的主要特征。充分利用這個(gè)特征并使用交替掃描使互電容觸摸屏的防水設(shè)計(jì)成為可能。
作者：翁小平
Cypress半導(dǎo)體 資深主任應(yīng)用工程師
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