電容式柔性觸控裝置的研制

蔣晶晶， 丁 辛, 2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

電容式柔性觸控裝置的研制

蔣晶晶1， 丁 辛1, 2

(1. 東華大學 紡織學院， 上海 201620； 2. 東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室， 上海 201620)

為克服現有柔性觸控裝置分辨率較低及結構復雜等問題，應用電容式觸控原理，開發了一種以單層非織碳膜為感應材料的柔性觸控裝置。測試表明，直角電極長度為72 mm的觸控裝置在126 mm×72 mm的工作區域內，X方向的線性度為4.40%，Y方向的線性度為4.39%；分辨率為251 dpi×243 dpi。為進一步討論裝置的觸控精度，定義了偏移率。測試表明：偏移率在6%以上的感應點集中于工作區域邊緣；增加電極長度有利于提高線性區域面積，但幅度不大。基于柔性與可攜帶性需求，選用點電極制作觸控裝置較優。

柔性觸控裝置； 電容式； 非織碳膜； 線性度； 偏移率； 電極

通過觸摸方式輸入信號的觸控裝置，是人機信息交互的媒介。一般的觸控裝置柔性差，攜帶不方便，開發柔性觸控裝置成為該領域的重要工作[1]。

已開發的柔性觸控裝置有織物開關、織物鍵盤[2]。織物開關僅能實現織物上電路的通斷，功能較單一[3-4]。織物鍵盤引出導線密集、結構復雜，且易受信號干擾[5-6]。為此，劉玲玲等[7]根據四線電阻式觸摸屏的原理研制出柔性觸控裝置，將引出導線減少到4根。但由于其觸控傳感部分中間隔離層的存在，導致觸控點不連續，限制了分辨率的提高。

本文根據電容式觸控原理，研制了一種采用非織碳膜為傳感材料的柔性觸控裝置。該裝置不僅輕薄、柔性，且感應點連續，具有較高的觸控分辨率。在此基礎上，評價了所研制觸控裝置的典型性能，如X、Y方向的線性度；定義了偏移率，以描述工作區域內每個位置的觸控精度，為尋求一種較高分辨率和觸控精度的柔性觸控裝置進行了有益的嘗試。

1 柔性觸控裝置的組成

觸控裝置由觸摸墊、控制器引線和電容控制器組成，觸摸墊包括非織碳膜和四角電極，見圖1。非織碳膜為傳感材料，尺寸為150 mm×150 mm×0.05 mm，方阻為(168.0±3.2) Ω/sq(測試儀器為RTS-2四探針測試儀)。觸摸墊電極引出4根導線到電容控制器，再通過USB協議端口可與計算機對接。

圖1 觸控裝置結構簡圖Fig.1 Schematic diagram of touch control device

圖1中a、b、c、d分別代表觸摸墊四角的電極，通過引出導線向電極輸送相同的交變電壓，使碳膜表面成為一個等勢面。當手指觸摸碳膜表面某個位置時，人體與碳膜表面形成耦合電容，在電位差的作用下，四角引線上產生微小的電流通過碳膜表面流向人體。連接電極a、b、c、d引出導線上的電流分別為Ia、Ib、Ic、Id。電流信號經控制器內一系列運算后向計算機輸送2個可供識別的X、Y軸輸出電壓為信號VX、VY，再通過USB接入計算機，以計算機屏幕為顯示終端。經控制器輸入計算機的電壓信號VX、VY滿足式(1)[8]。

(1)

觸控裝置所采用的電容式觸控原理實質為二維分流原理，碳膜表面的觸摸點即為分流點，電極d的坐標定為(0，0)，電極d到電極c的連線方向為X軸向，到電極a的連線方向為Y軸向，觸摸點的坐標(Xp，Yp)滿足式(2)[9]。

(2)

式中，LX、LY分別為電極c和電極a到電極d的距離。

由式(1)和(2)可得：

(3)

VX、VY確定了觸摸點的位置。而后，VX、VY由校正程序解析為像素坐標以光標的形式在計算機屏幕上反映觸摸點的位置。

2 性能檢測

根據觸摸屏的測試方法及傳感器測試參數[10-11]，以“米”字型測試法對觸控裝置作線性度測試。在此基礎上，提出了偏移率指標，進一步表征觸控裝置的輸出偏移。

2.1 線性度和分辨率

傳感器的線性度定義為傳感器平均輸出特性曲線對校正直線的最大偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比來表示。該值越小，表明線性特性越好。X、Y方向的線性度可分別通過式(4)、(5)計算得到：

(4)

(5)

式中:PX、PY分別為X、Y方向的線性度;△Xmax、△Ymax分別為X、Y方向最大偏差;Xmax、Ymax分別為工作區域在X、Y方向的最大坐標值，Xmin、Ymin分別為工作區域X、Y方向的最小坐標值。

為使觸摸墊上的工作區域與屏幕長寬比相對應，應將觸摸墊上的位置與屏幕上像素坐標一一對應。為此，先在觸摸墊上的四電極范圍內通過四點校正程序定義1個矩形區域與屏幕完成映射，矩形區域的4個端點為校正點。本文采用的工作區域面積為126 mm× 72 mm。

“米”字形測試法即為沿工作區域主對角線、副對角線、水平中心線、豎直中心線作線性度測試。測試中沿這4條校正直線每隔3 mm取點，用金屬筆觸碰。以屏幕左上角位置作為像素零點，通過像素解析軟件提取屏幕上相應顯示點的X、Y坐標；每個點觸摸5次，求顯示點的像素坐標平均值；在上述4個方向，離校正直線最遠的點為最大偏差點；根據該點的坐標及校正直線理論方程，由式(4)、(5)計算線性度。

直角電極長度為72 mm的觸控裝置中，各方向測試點與校正直線關系如圖2所示。由圖可見，最大偏移點出現在副對角線方向。經計算，X方向線性度PX=±4.40%，Y方向線性度PY=±4.39%。測試結果表明，該柔性觸控裝置線性度良好，接近商業用觸摸屏標稱線性度±1.5%。

圖2 各方向測試點及校正直線Fig.2 Test results and reference lines. (a)Leading diagonal; (b)Sub-diagonal; (c)Vertical centerline; (d)Horizontal centerline

分辨率是輸入設備的定位精度指標，是指觸控裝置每移動2.54 cm能準確定位的最大信息數。柔性觸控裝置可通過設定工作區域面積調節分辨率大小，126 mm×72 mm工作區域內X方向和Y方向的分辨率為251 dpi×243 dpi,接近于市場上手寫板的標定分辨率300 dpi。

2.2 偏移率

由于線性度是表征測試直線上偏移的指標，無法有效表征觸摸墊各位置的輸出偏移，故提出偏移率作為評價指標。偏移率定義為觸控點輸出偏移相對屏幕的百分比，由式(6)計算。

(6)

式中:X2、Y2為顯示點的實際像素坐標，X1、Y1為顯示點的解析坐標，Xfs、Yfs為屏幕在X方向和Y方向上的最大像素。

目前主流屏幕長寬比為16∶9的計算機屏幕分辨率為1 366 像素×768像素，本文設定的矩形工作區域的4個頂點坐標分別為(9，36)、(9，108)、(135，108)、(135，36)，故經4點定位后理想的柔性觸控裝置觸摸點的坐標Xp、Yp與顯示點解析坐標X1、Y1應滿足以下關系[12]：

(7)

在偏移率測試中，可將工作區域分為若干個測試單元(在實驗中為3 mm×3 mm的矩形單元)，以每個單元的頂點為觸控點，記錄觸控點坐標和顯示點的像素坐標，計算觸摸墊上各個位置的偏移率C，用MatLab軟件生成觸摸墊觸控點的偏移率網格圖，如圖3所示。

圖3 觸摸墊的偏移率網格圖Fig.3 Grid map of deviation rate of touch pad

由圖3可知，觸摸墊中間區域輸出偏移較小，邊緣區域輸出偏移相對較大，實際顯示區域較理論顯示區域向中心收攏；偏移率大于6%的區域存在于邊緣，感應點越接近邊緣區域偏移率越大。測試結果與朱維安等[9]的模擬結果一致。

3 電極形式對輸出偏移的影響

為了解電極形式對觸控裝置輸出偏移的影響，以偏移率為評價指標，分別對長電極(直角電極邊長=72 mm)、短電極(直角電極邊長=36 mm)和點電極(圓形電極直徑=8 mm)的柔性觸控裝置作了偏移率測試，結果如圖4所示。

比較圖中的偏移率可知，長電極觸摸墊線性區域(偏移率小于6%的區域)較大且比較集中；點電極式觸摸墊線性區域較小，且線性區域存在較小的經、離散。增加電極長度一定程度提高了線性區域的面積，但幅度并不大。基于柔性與可攜帶性需求，選用點電極制作觸控裝置較優。

圖4 不同形式電極觸摸墊的偏移率網格圖Fig.4 Grid maps of deviation rates of touch pads with different types of electrodes. (a) Long electrode; (b) Short electrode; (c) Point electrode

4 結 論

以非織碳膜為傳感材料，運用表面電容式觸控原理研制了柔性觸控裝置，包括觸摸墊、控制器引線和表面電容控制器。測試了觸控裝置的線性度及分辨率，并以偏移率評價了電極形式對柔性觸控裝置輸出偏移的影響。

1)電極長度為72 mm的觸控裝置在126 mm×72 mm工作區域內，觸摸點和顯示點間信號的線性度：X向為±4.40%，Y向為±4.39% ；分辨率為251dpi×243 dpi。

2)觸摸墊中間區域輸出偏移較小，邊緣區域輸出偏移相對較大，實際顯示區域較理論顯示區域向中心收攏；偏離大于6%的區域存在于邊緣位置，觸點越接近邊緣區域偏移率越大。

3)長電極觸摸墊線性區域較大且比較集中；點電極式觸摸墊線性區域較小，線性區域存在較小的離散。增大電極長度一定程度提高了線性區域的面積，但幅度并不大。基于柔性與可攜帶性需求，選用點電極制作觸控裝置較優。

FZXB

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Development of flexible capacitive touch control device

JIANG Jingjing1, DING Xin1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620，China; 2.KeyLaboratoryofTextileScienceandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

To overcome the problems such as low resolution and complicated structure that are associated with the existing touch control device, based on the capacitive touch principle a flexible touch control device is developed using a single-layer inductive non-woven carbon film as its touchpad. When a working area in the touch pad is set as 126 mm×72 mm, with 72 mm side length of L-shape electrode, the test results show that the linearity of the touch control device inXandYdirections is4.40% and4.39%, respectively, and that the resolution reaches as high as 251 dpi×243 dpi. For further discussion on the controlling accuracy of the device, the deviation rate is defined. The test results show that the control positions, of which the deviation rates are greater than 6%, are located near the edges of the working area. In addition, increasing the side length of the L-shape electrodes has positive but limited effects on the improvement of the linearity. Therefore, it would be preferable to use point electrodes for flexibility and wearablity.

flexible touch control device; capacitive; non-woven carbon film; linearity; deviation rate; electrode

0253- 9721(2013)09- 0053- 05

2012-10-19

2013-01-08

蔣晶晶(1987-)，男, 碩士生。 主要研究方向為柔性觸控裝置的研制。 丁辛, 通信作者, E-mail:xding@dhu.edu.cn。

TP 212.1

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