CN203376723U - 一种电容式触摸屏 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种电容式触摸屏，包括：衬底；设置于衬底上的多个感应电极，所述多个感应电极排列成二维阵列；以及绑定到衬底上的触摸控制芯片，所述触摸控制芯片与所述多个感应电极之中的每一个感应电极分别通过导线相连接，所述触摸控制芯片配置为利用测试精度可调的检测电路检测每一个感应电极的自电容变化量，从而确定触摸信息。本实用新型实施例公开的电容式触摸屏，能真正的实现多点触控，且能准确的检测出不同触摸对象的触摸位置。

Description

一种电容式触摸屏

技术领域

本实用新型实施例涉及触控技术领域，尤其涉及一种电容式触摸屏。

背景技术

当前，电容式触摸屏广泛应用于各种电子产品，已经逐渐渗透到人们工作和生活的各个领域。越来越多的电容式触摸屏开始支持无源笔和手的触摸操作，但是手和无源笔的触摸引起的互电容的改变量是不同的，手的触摸引起的互电容的改变量较大，一般手的触摸位置的检测是通过互电容原理实现的；无源笔由于触摸接触较面积较小，往往不足以引起足够的互电容的改变量，因此，无源笔的触摸检测一般是利用自电容原理实现的，但是当同时使用多支无源笔进行触摸操作的时候，采用自电容原理检测屏幕上往往会出现鬼点问题，因此，自容式触摸屏不能够实现真正的多点触控。

也就是说现有的电容式触摸屏受限于屏体自身的结构问题，如果采用互电容原理检测触摸，将不能准确检测到无源笔的触摸位置，如果采用自电容原理检测触摸，将不能实现真正的多点触控，因此有必要提供一种新的电容式触摸屏解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种电容式触摸屏，能够利用自电容原理准确地检测手和无源笔的触摸位置，且能够实现多点触控。

本实用新型实施例提供的电容式触摸屏，包括：

衬底；

设置于所述衬底上的多个感应电极，所述多个感应电极排列成二维阵列；以及

绑定到所述衬底上的触摸控制芯片，所述触摸控制芯片与所述多个感应电极之中的每一个感应电极分别通过导线相连接，所述触摸控制芯片配置为利用测试精度可调的检测电路检测每一个感应电极的自电容变化量，从而确定触摸信息。

优选地，所述测试精度可调的检测电路包括：

电压源或电流源；

待测电容，一端接地，另一端通过开关与电压源或电流源连接，所述待测电容在有触摸时电容发生改变；

可调电容，两端连接电压源或电流源，通过改变自身电容值来调整所述测试精度；

测量单元，连接于所述可调电容，根据所述测试精度测试每一个感应电极的自电容变化量。

优选地，所述电压源或电流源具有单一频率；或者所述电压源或电流源具有两个或两个以上的频率。

优选地，所述衬底是玻璃衬底，所述触摸控制芯片以玻璃覆晶（Chip-on-Glass）方式绑定到衬底上；或者

所述衬底是柔性衬底，所述触摸控制芯片以柔性覆晶（Chip-on-Film）方式绑定到衬底上；或者

所述衬底是印制电路板，所述触摸控制芯片以板上芯片封装（Chip-on-Board）的方式绑定到衬底上。

优选地，所述感应电极的形状是矩形、菱形、圆形或椭圆形。

优选地，所述电容式触摸屏包括多个绑定到衬底上的触摸控制芯片，每个触摸控制芯片用于检测所述多个感应电极之中的相应一部分感应电极。

优选地，各触摸控制芯片的时钟同步或不同步。

从以上技术方案可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

本实用新型实施例公开的电容式触摸屏，通过将触摸控制芯片与每个感应电极分别通过导线相连接，并绑定到衬底上，多个感应电极排列成二维阵列，且感应电极之间没有物理连接，从而能够实现真正的多点触控，通过为触摸控制芯片配置测试精度可调的检测电路来检测每一个感应电极的自电容变化量，可以使得电容式触摸屏可以根据触摸对象的不同设置不同的测试精度，从而实现触摸位置的准确检测。

附图说明

图1为本实用新型实施例的电容式触摸屏的示意图；

图2为本实用新型实施例的感应电极阵列的俯视图；

图3为本实用新型实施例的感应电极的工作电路；

图4A-4C为本实用新型实施例的感应电极的扫描时序示意图；

图5为本实用新型实施例的触摸检测电路图；

图6为本实用新型实施例的触摸检测电路时序图；

图7为本实用新型实施例的触摸检测方法流程图。

具体实施方式

为了使本公开的目的、特征和优点能够更加的明显易懂，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例。基于本公开实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的任何其他实施例，都应当属于本实用新型的保护范围。为便于说明，表示结构的剖面图不依一般比例而作局部放大。而且，附图只是示例性的，其不应限制本实用新型的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度以及深度的三维尺寸。

图1是本实用新型实施例的电容式触摸屏的示意图。如图1所示，该电容式触摸屏11包括：衬底16；设置于衬底上的多个感应电极19，所述多个感应电极19排列成二维阵列；以及绑定到衬底16上的触摸控制芯片10，触摸控制芯片10与每个感应电极19分别通过导线相连接，触摸控制芯片10配置为利用测试精度可调的检测电路检测所述每一个感应电极的自电容变化量，从而确定触摸信息，检测电路将在后文中详细描述。

衬底16可以是透明的，例如是玻璃衬底或柔性衬底；也可以是不透明的，例如是印制电路板。衬底16上设置有多个感应电极19，所述多个感应电极19排列成二维阵列，可以是矩形阵列或任何其他形状的二维阵列。对于电容式触摸屏，每个感应电极19是一个电容传感器，电容传感器的电容在触摸屏上相应位置被触摸时发生变化。

可选地，在感应电极19上方设置有覆盖层（cover lens）以保护感应电极19。

每个感应电极19通过导线连接到触摸控制芯片10，触摸控制芯片10绑定到衬底16上。由于与每个感应电极19分别通过导线相连接，触摸控制芯片10的管脚很多，因此，将触摸控制芯片10绑定到衬底16上能够避免常规封装的困难。具体地，触摸控制芯片10可通过玻璃覆晶（Chip-on-Glass，简称COG）方式或柔性覆晶（Chip-on-Film，简称COF）或板上芯片封装（Chip-on-Board，简称COB）方式绑定到衬底上。根据本实施例，触摸控制芯片10与衬底16之间可存在各向异性导电膜（ACF）17。

此外，常规的柔性电路板（FPC）连接要求在硬件上给触摸控制芯片和FPC预留空间，不利于系统精简。而通过COG方式或COF方式，触摸控制芯片与触摸屏成为一体，显著降低了两者之间的距离，从而减小了整体的体积。此外，由于感应电极一般通过在衬底上对氧化铟锡（ITO）进行刻蚀形成，而触摸控制芯片也位于衬底上，因此，两者之间的连线可通过一次ITO刻蚀完成，显著简化了制造工艺。

图2是本实用新型实施例的感应电极阵列的俯视图。本领域技术人员应理解，图2示出的仅仅是感应电极的一种排列方式，在具体实施中，感应电极可排列成任何二维阵列。此外，各感应电极在任一方向上的间距可以是相等的，也可以是不等的。本领域技术人员亦应理解，感应电极的数量可多于图2示出的数量。

本领域技术人员应理解，图2示出的仅仅是感应电极的一种形状。根据其他实施例，感应电极的形状可以是矩形、菱形、圆形或椭圆形，也可以是不规则形状。各感应电极的图案可以是一致的，也可以是不一致的。例如，中部的感应电极采用菱形结构，边缘的采用三角形结构。此外，各感应电极的大小可以是一致的，也可以是不一致的。例如，靠里的感应电极尺寸较大，靠边缘的尺寸较小，如此有利于走线和边沿的触摸精度。

每个感应电极都有导线引出，导线布于感应电极之间的空隙中。一般而言，导线尽量均匀，且走线尽量短。此外，导线的走线范围在保证安全距离的前提下尽量窄，从而留给感应电极更多的面积，使感应更精确。

各感应电极可通过导线连接至总线22，总线22将导线直接或者经过一定的排序后与触摸控制芯片的管脚相连接。对于大屏幕的触摸屏，感应电极的数量可能非常多。在这种情况下，可以用单个触摸控制芯片控制所有感应电极；也可以通过对屏幕分区，用多个触摸控制芯片分别控制不同区域的感应电极，多个触摸控制芯片之间可进行时钟同步。此时，总线22可分割成若干个总线集，以便与不同的触摸控制芯片相连接。各触摸控制芯片控制相同数量的感应电极，或者控制不同数量的感应电极。

对于图2所示的感应电极阵列，布线可以在感应电极阵列的同一层上实现。对于其他结构的感应电极阵列，如果同层走线难以实现，导线也可以布置在不同于感应电极阵列所在层的另一层，通过过孔连接各感应电极。

图2所示的感应电极阵列基于自电容的触摸检测原理。每个感应电极对应屏幕上特定位置，在图2中，2a-2d表示不同感应电极。21表示一个触摸，当触摸发生在某感应电极所对应的位置时，该感应电极上的电荷改变，因此，检测该感应电极上的电荷（电流/电压），能够知道该感应电极有没有发生触摸事件。一般而言，这可以通过模数转换器（ADC）把模拟量转换为数字量来实现。感应电极的电荷改变量与感应电极被覆盖的面积有关，例如，图2中感应电极2b和2d的电荷改变量大于感应电极2a和2c的电荷改变量。

屏幕上的每个位置均有对应的感应电极，感应电极之间没有物理连接，因此，本公开实施例所提供的电容式触摸屏能够实现真正的多点触控，避免了现有技术中自电容触摸检测的鬼点问题。

感应电极层可以通过表面贴合方式与显示屏结合，也可以把感应电极层做到显示屏内部，例如内嵌式（In-Cell）触摸屏，还可以把感应电极层做到显示屏上表面，例如外嵌式（on-Cell）触摸屏。

图3为本实用新型实施例的感应电极的工作电路，感应电极19同时连接驱动源24和检测电路25，当感应电极19的自电容发生变化时，变化量可以由检测电路25检测出来。感应电极19由驱动源24驱动，驱动源24可以是电压源或电流源。对于不同的感应电极19，驱动源24不一定采用相同的结构。例如，可以部分采用电压源，部分采用电流源。此外，对于不同的感应电极19，驱动源24的频率可以相同，也可以不同。时序控制电路23控制各驱动源24工作的时序。

各感应电极19的驱动时序有多种选择。如图4A所示，所有感应电极同时驱动，同时检测。这种方式完成一次扫描所需要的时间最短，驱动源数量最多（与感应电极的数量一致）。如图4B所示，感应电极的驱动源被分成若干组，每组依次驱动特定区域内的电极。这种方式能够实现驱动源复用，但会增加扫描时间，不过通过选择合适的分组数量，可以使驱动源复用和扫描时间达到折中。

图4C示出了常规互电容触摸检测的扫描方式，假设有N个驱动通道（TX），每个TX的扫描时间为Ts，则扫描完一帧的时间为N*Ts。而采用本实施例的感应电极驱动方法，可以将所有感应电极一起检测，扫描完一帧的时间最快仅Ts。也就是说，与常规互电容触摸检测相比，本实施例的方案能够将扫描频率提高N倍。

对于一个有40个驱动通道的互电容触摸屏，如果每个驱动通道的扫描时间为500us，则整个触摸屏（一帧）的扫描时间为20ms，即帧率为50Hz。50Hz往往不能达到良好使用体验的要求。本公开实施例的方案可以解决这个问题。通过采用排列成二维阵列的感应电极，所有电极可以同时检测，在每个电极的检测时间保持500us的情况下，帧率达到2000Hz。这大大超出了多数触摸屏的应用要求。多出来的扫描数据可以被数字信号处理端利用，用于例如抗干扰或优化触摸轨迹，从而得到更好的效果。

In-Cell触摸屏利用每帧的场消隐时间进行扫描，但每帧的场消隐时间仅为2-4ms，常规基于互电容的扫描时间却往往达到5ms甚至更大。为实现In-Cell屏的使用，通常减少互电容触摸检测的扫描时间，具体是减少每个通道的扫描时间，这种方法降低了In-Cell屏的信噪比，影响了触摸体验。本公开实施例的方案可以解决这个问题。例如，一个有10个驱动通道、常规互电容触摸检测扫描时间为4ms的In-Cell屏，每个通道的扫描时间仅为400us。通过采用本公开实施例的方案，所有电极同时驱动和检测，则所有电极都扫描完一次仅需400us。若按上述In-Cell屏，扫描时间共有4ms，则还有很多时间剩余。节省出的时间可以用于多次重复检测或变频率检测等其他检测，从而大大提高检测信号的信噪比和抗干扰能力，以得到更好的检测效果。

图5为本实用新型实施例的触摸检测电路图，也是对图3中检测电路25的一个详细描述。优选地，检测每个感应电极的自电容。感应电极的自电容可以是其对地的电容。

作为一个示例，可采用电荷检测法。如图5所示，驱动源41提供恒定电压V1。电压V1可以是正压、负压或地。S1和S2表示两个受控开关，42表示感应电极的对地电容Cx，Cx的值在感应电极无触摸时是固定的，一旦感应电极上有触摸，Cx的值就会发生改变。45表示测量单元，测量单元45可将输入端电压钳位至指定值V2，并利用电容把电荷转成电压，然后送给ADC测量，实际中就是根据测量单元45测量的电压的变化确定感应电极的对地电容Cx的变化，从而确定感应电极上是否有触摸以及具体的触摸位置。43是一个容量已知，且大小可调的基准调整电容Cb，Cb一端连接电压源V2，另一端连接电压源V3，V3的值可变。Cb的作用是调节测量单元45的测试精度。作为另一个示例，也可采用电流源，或者通过感应电极的频率来获得其自电容。

图6为本实用新型实施例的触摸检测电路时序图，图5的电荷测量过程可分为若干个阶段，图6示出了几个关键的阶段。图6中S1、S2为高电平时表示开关S1、S2连通，低电平时表示开关S1、S2断开。电压源V3如图所示，会在V3_s和V3_t之间变化。测量单元45为高电平时，代表电路正在进行采样量化，低电平代表电路处于等待状态。下面详细描述感应电极上从无触摸到有触摸时电荷量的变化。

当电极上没有触摸时，在phase1阶段，S1闭合，S2断开，V3处于V3_s状态，Cx的上极板被充电至驱动源41所提供的电压V1。此时：

Cx上的电荷Qx=Cx*V1

Cb上的电荷Qb=Cb*（V2-V3_s）

45端的电荷Q45=0

在phase2阶段，S1断开，S2闭合，V3从V3_s变化到V3_t状态，Cx与测量单元45及Cb发生电荷交换，稳态时：

Cx上的电荷Qx=Cx*V2

Cb上的电荷Qb=Cb*（V2-V3_t）

由于在phase1到phase2的过程中,电荷是守恒的，因此

Qx+Qb+Q45在两个阶段相等，可以得到在phase2阶段测量单元45测量的电荷：

Q45=(Cx*V1+Cb*(V2-V3_s))-(Cx*V2+Cb*(V2-V3_t))

=Cx*(V1-V2)-Cb(V3_s–V3_t)

即，没有触摸时测量单元45测量的电压：

V45=K*Q45=K*(Cx*(V1-V2)-Cb(V3_s–V3_t))(1)

其中K代表一个增益，在电路中一般通过电容把电荷转换为电压，K是个可配值。

在phase3阶段，仍然是S1断开，S2闭合，各节点之间的电荷转移达到平衡，测量单元45开始量化电荷/电压值。

由（1）可以看到，当Q45被量化测量出来后，只有Cx一个变量是未知的，因此可以求出原本的Cx值。

为保证数据准确，可重复进行phase1～phase3过程，得到多个Cx测量值，然后取平均数。

当电极上有触摸时，Cx的大小会发生改变成Cx’，根据（1）式，这个时候测量单元45测量的电荷：

Q45’=Cx’*(V1-V2)-Cb(V3_s–V3_t)

即，有触摸时，测量单元45测量的电压：

V45’=K*Q45’=K*(Cx’*(V1-V2)-Cb(V3_s–V3_t))(2)

则可得到，当感应电极上有触摸时，引起测量单元45端的电压变化量为：

ΔV45=V45’-V45=K*(Q45’-Q45)

=K(Cx’-Cx)*(V1-V2)=ΔCx*K*(V1-V2)(3)

从上式可以看出，根据测量单元45测量的电压的变化量ΔV45即可得到感应电极的对地电容Cx的变化量ΔCx，ΔCx代表了触摸的感应量，通过ΔCx可以知道触摸的大小。

通常情况下，当用手指触摸屏幕时，由于一个手指能覆盖到2至3个感应电极，触摸的感应量ΔCx相对来说比较大，上述测量的数据不会有太大偏差。但是，当使用无源笔触摸时，由于无源笔与感应电极的触摸面积较小，所以引起的感应电极的对地电容Cx的变化量ΔCx非常小，如果不做任何处理，直接用ADC量化（1）式和（2）式，会使得（3）式只用到了ADC很小的一部分量化范围，造成量化不准确，误差过大等问题。

由（1）式和（2）式可以看出，通过调整K和Cb的值可以改变ΔV45的变化范围。假设用来量化的ADC量程的范围是Vm～Vh。那么对于小信号，最理想的情况是（3）式中的ΔV45能占据（Vh-Vm）的全部或大部分范围，这样，即使很小的变化量也会量化出很大的差异，有利于提高模拟量的解析精度。具体的调整方法如下：

首先，调整Cb与K的值使得（1）式中的V45等于或接近Vm，V45与Vm的差值可以根据系统应用的不同而不同，同时，调整Cb与K的值使得（2）式中的V45’等于或接近Vh，V45’与Vh的差值可以根据系统应用的不同而不同。这样调整以后，会使得（3）式的ΔV45能占据（Vh-Vm）的大部分范围，从而使得量化精度提高。

在实际应用中，在检测到有触摸后，可先判断触摸对象是手还是无源笔，具体可根据触摸覆盖的感应电极的数量或触摸对象的特征来确定，然后针对不同的触摸对象设置不同的Cb值与K值，以实现不同触摸对象的触摸位置的准确检测。

图7示出了本实用新型实施例的触摸检测方法流程图。当感应电极上有触摸发生时，感应电极的电容会改变，这个改变量通过ADC转换成数字量，就能恢复出触摸信息，一般而言，电容改变量与感应电极被触摸遮盖的面积相关。

作为一个示例，以下具体描述触摸位置的检测方法。

701、驱动感应电极；

用电压源或电流源驱动设置于电容式触摸屏衬底上的感应电极；

702、调整测试精度；

根据触摸对象的不同，利用可调基准电容调整感应电极的测试精度。

703、检测感应数据；

根据所设置的测试精度检测感应电极的电压或频率或电量。

704、确定触摸位置。

根据感应电极的电压或频率或电量等感应数据及被触摸的感应电极对应的坐标，采用重心算法即可得到手指触摸位置的坐标。例如，当一个触摸发生时，图2中的感应电极2a、2b、2c、2d被手指遮盖，对应的感应数据分别为PT1，PT2，PT3，PT4，假设我们把横坐标定位x方向，纵坐标定位y方向，且感应电极2a-2d所对应的坐标分别为x1,x2，x3，x4。则采用重心算法得到的手指触摸位置的坐标是：

Xtouch=(PT1*x1+PT2*x2+PT3*x3+PT4*x4)/(PT1+PT2+PT3+PT4)

这里仅仅以一维重心算法示例，实际坐标由二维重心算法决定。

本实施例中利用可调基准调整电容可根据触摸对象的不同调整感应电极的测试精度，针对不同的触摸对象采用不同的测试精度检测感应电极的电压或频率或电量，从而实现触摸位置的准确检测。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型不应被限制于所公开的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种电容式触摸屏，其特征在于，包括： 

衬底； 

设置于所述衬底上的多个感应电极，所述多个感应电极排列成二维阵列；以及 

绑定到所述衬底上的触摸控制芯片，所述触摸控制芯片与所述多个感应电极之中的每一个感应电极分别通过导线相连接，所述触摸控制芯片配置为利用测试精度可调的检测电路检测所述每一个感应电极的自电容变化量，从而确定触摸信息。 

2.如权利要求1所述的电容式触摸屏，其特征在于，所述测试精度可调的检测电路包括： 

电压源或电流源； 

待测电容，一端接地，另一端通过开关与电压源或电流源连接，所述待测电容在有触摸时电容发生改变； 

可调电容，两端连接电压源或电流源，通过改变自身电容值来调整所述测试精度； 

测量单元，连接于所述可调电容，根据所述测试精度测试每一个感应电极的自电容变化量。 

3.如权利要求2所述的电容式触摸屏，其特征在于，所述电压源或电流源具有单一频率；或者 

所述电压源或电流源具有两个或两个以上的频率。 

4.如权利要求1所述的电容式触摸屏，其特征在于，所述衬底是玻璃衬底，所述触摸控制芯片以玻璃覆晶Chip-on-Glass方式绑定到衬底上；或者 

所述衬底是柔性衬底，所述触摸控制芯片以柔性覆晶Chip-on-Film方式绑定到衬底上；或者 

所述衬底是印制电路板，所述触摸控制芯片以板上芯片封装Chip-on-Board的方式绑定到衬底上。 

5.如权利要求1所述的电容式触摸屏，其特征在于，所述感应电极的形状是矩形、菱形、圆形或椭圆形。 

6.如权利要求1所述的电容式触摸屏，其特征在于，所述电容式触摸屏 包括多个绑定到衬底上的触摸控制芯片，每个触摸控制芯片用于检测所述多个感应电极之中的相应一部分感应电极。 

7.如权利要求6所述的电容式触摸屏，其特征在于，各触摸控制芯片的时钟同步或不同步。 

Images