電容式觸摸屏中寄生電容原理及測量方法探討

龍玲麗 張櫻凡 何宜洋

（西南科技大學信息工程學院，四川 綿陽621000）

0 引言

以往電容式觸摸屏中寄生電容的大小通常都是根據經驗所得，一般設定在5～15pF［1］范圍內，但是這種基于經驗的設計在實踐中會帶來觸摸精度不夠高等問題。寄生電容的測量在以往的研究中討論得比較少，但在觸摸按鍵的設計過程中，如果能夠通過實驗準確測出寄生電容的大小，就可以為觸摸按鍵的參數設計提供理論計算值，并且可以對觸摸按鍵中的寄生電容值大小進行定量更改。下文介紹并分析了一種寄生電容的測量方法。

1 寄生電容設計分析

電容式觸摸屏的結構如圖1所示。

圖1 電容式觸摸屏結構

寄生電容就是圖1中的PCB與覆銅的電極X、Y構成的。

在觸摸按鍵的設計過程中，寄生電容的大小表達式為：

式中，ε為介電常數；s為耦合面積；d為極板間的距離。

因為電容的大小跟這3個因素有關，所以通過改變電容的這些因素，就可以改變電容值的大小。共有3種方法，分別為改變極距、改變面積和改變介質。下面就著重討論這3種因素對電容值的影響以及這些因素的變化會對寄生電容傳感器靈敏度、線性度帶來哪些影響。

1.1 變極距型寄生電容

下面討論變極距型電容傳感器的靈敏度和非線性。平行板電容器的電容量由式（1）可知。假設兩極板間距離的初始值為d0，電容器初始電容為c0，當極板間距有一定增量時Δd，傳感器的電容為：

可求得：

當Δd／d0〈〈1時，上式可以展開成級數形式：

于是靈敏度K為：

由式（5）可知，極距變化型電容式傳感器的靈敏度并非常數，只有比值Δd／d0很小時，才可認為是近似線性關系。當ε和s固定不變時，靈敏度K與極距d的平方成反比，極距d越小，靈敏度越高。由于靈敏度隨極距變化，這將引起該寄生電容傳感器的非線性誤差，故對于極距d的選取至關重要，太大可以增加靈敏度，但會造成非線性誤差增大。

1.2 變面積型寄生電容

設極板的初始耦合面積為s0，電容器初始電容為c0，極板耦合面積的變化為Δs時，傳感器電容為：

可求得：

靈敏度為：

由此可知，變面積型的寄生電容，其變化面積的大小不影響測量靈敏度，測量的線性度也非常好。

1.3 變介質型寄生電容

介質變化型電容的結構原理如圖2所示。由圖2可知，電容量為：

其中：

圖2 介質變化型電容

式中，b為寬度；ε1為空氣的介電常數；ε2為可移動介質的介電常數；l為極板的長度。

設在極板中無ε2介質時的電容量為：

將cA、cB帶入式（12）可得：

靈敏度為：

由上式推導可知，電容量c與線位移x呈線性關系。靈敏度K也是定值，只與可移動介質和進入極板內的長度有關。

1.4 小結

在設計觸摸按鍵的寄生電容時，覆銅的厚度、面積大小以及PCB與電極之間的材料都會影響寄生電容的大小，也會影響寄生電容傳感器的靈敏度、非線性大小等。

電容式觸摸屏的設計中，寄生電容傳感器的設計尤其重要，其極板間距、耦合面積、極板間介質就直接影響了觸摸的靈敏度以及傳感器的線性度。通過對寄生電容的提取測試，可以定量判斷寄生電容的大小設定是否滿足設計的需要，有非常重要的意義。

2 基于電荷放大原理的電容測量電路

前面提到，寄生電容值很小，測量很不方便，因此要對寄生電容進行測量，就需要用特殊電路來實現。下面提供了一種測量寄生電容的方法。

基于電荷放大原理的電容測量電路［2］如圖3所示。

圖3 基于電荷放大原理的電容測量電路

該種測量微小電容的方法在很多其他地方都有使用，觸摸屏中的寄生電容向來都是根據設計者的經驗來設定的，沒有一定的準確性，用電荷放大電路的實質就是將輸入信號在開關的幾種控制狀態下經過各級運放得到輸出信號，通過輸出信號與輸入信號之間的關系來求出寄生電容的大小。

電路圖中Vi是激勵信號源，運放U1、電容Cf和開關S1構成電荷放大器；開關S2、S3和運放U2、U3組成基本采樣保持器，U4為儀表放大器。

電路開始工作時，Vi輸入初始電壓Vi1，Vi1為高，開關S1、S2、S3閉合。因為S1閉合，U1輸出0。在第一個時刻S1斷開，在電荷注入效應的作用下，注入電容Cf，U1輸出降低至VL。U2輸出隨U1輸出降低，一段時間后U2的輸出趨于穩定。在第二個時刻，斷開S2，U2采樣保持，U2輸出Vo2＝VL。在第三個時刻，激勵源Vi由高Vi1向低Vi2跳變，幅度為：

電壓變化使電容Cx右極板產生感應正電荷，其電量為：

此時U1輸出上升為：

U3輸出隨U1輸出上升，一段時間后U3輸出趨于穩定。在第四個時刻，S3斷開，采樣保持電路作用下U3輸出Vo3＝VH。此時儀表放大器U4輸出為：

圖中Ca和Cb是每個電極上所有雜散電容的等效電容。由激勵源驅動的Ca對流過被測電容的電流沒有影響。理論上，Cb始終處于兩端無電壓差的虛地狀態，但實際上在加激勵信號后，激勵電壓同時作用于Cx與Cb上，由于Cx上產生的激勵電荷遠遠大于Cb產生的激勵電荷，Cb被大大抑制，因此測量結果也不會因為Cb存在產生影響。

在測試電路中只需要知道Vo、Cf、Vi1、Vi2，即可求出寄生電容的大小。測試中設定Cf的大小為5pF［2］，因此通過測得幾組數據便可求得Cx的大小。

3 測試結果與分析

測試這種電路是否符合要求時，拿了一個容值為10pF的小電容進行實驗，對比一下經過這個電路后的測試結果，即可判斷該電容測試電路的精確度。

測試結果如表1所示。

表1 電荷放大電路對已知微小電容的測試結果

由表1可知，測試結果的誤差率比較低，接近實際值，說明該電容測試電路有效，可以用來測量微小電容的大小，且精確度較高。

4 結語

本文就觸摸按鍵中的寄生電容傳感器作了兩方面的討論：一是對寄生電容傳感器測量的幾種類型作了理論誤差和線性度的詳細分析，表明在設計中該電容的重要意義；二是基于觸摸按鍵中這一電容的重要性，探討了一種可以測量該寄生電容大小的電路。以往的電容式觸摸按鍵設計都是靠一些有經驗的設計者根據經驗值估計得到寄生電容大小，本研究提供的方法可以較為精確地測量出這一容值，并通過對寄生電容大小影響因素的理論探討，可實現設計過程中對電容大小的定量更改，為以后的觸摸按鍵設計提供理論基礎，具有很好的參考意義。

［1］田野，廖明燕.基于充放電原理的電容式觸摸按鍵設計［J］.電子設計工程，2010（10）

［2］王雷，王保良，冀海峰，等.兩相流檢測ECT高速數據采集系統的研制［J］.浙江大學學報：工學版，2002（2）