內嵌式電容觸摸屏的時分復用技術研究

婁貝貝 閃賽 李莎 白碩

摘 要：內嵌式電容觸摸面板因具有結構簡單、輕薄、低成本等特點，逐漸成為顯示領域的主流。分時復用技術是內嵌式觸摸屏的基礎。基于此，本文主要介紹內嵌式電容觸摸屏的原理和分類、分時復用技術的原理及分時復用技術在內嵌式觸摸屏中的具體應用方案。

關鍵詞：電子產品；內嵌；觸摸屏；分時復用

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0053-03

Technologies of Time Division Multiplexing in In-cell Touch Screen

LOU Beibei SHAN Sai LI Sha BAI Shuo

（Patent Examination Cooperation Henan Center of the Patent Office， SIPO，ZhengZhou Henan 450000）

Abstract： Because of its simple structure， light weight and low cost， the embedded capacitance touch panel has gradually become the mainstream of the display field. Technology of time division multiplexing is the base of in-cell touch screen. Based on this， this paper mainly discussed the basic principle of in-cell touch screen， the basic principle of time division multiplexing， and the application of time division multiplexing in in-cell touch screen.

Keywords： electronic terminal；in-cell；touch screen；time division multiplexing

1 嵌入式電容觸摸屏簡介

觸摸顯示屏按照組成結構可以分為外掛式觸摸屏（Add on Mode Touch Panel）、覆蓋表面式觸摸屏（On Cell Touch Panel）及內嵌式觸摸屏（In Cell Touch Panel）[1]。其中，內嵌式觸摸屏將觸摸屏的觸控電極內嵌在顯示屏內部，可以減薄模組整體的厚度，又可以大大降低觸摸屏的制作成本，受到各大面板廠家的青睞。通常情況下，觸摸屏按照觸摸方式不同又可以分為電容式、電磁式、電阻式、聲波式和光學式等類型[2]。其中，電容式觸摸屏的應用范圍最廣。嵌入式電容觸摸屏可以分為自電容觸摸屏和互電容觸摸屏。與自電容觸摸屏相比，互電容觸摸屏具有抗干擾能力強、靈敏度高、多點觸控及識別能力強等優點，是多點觸控的常用選擇。

2 嵌入式電容觸摸屏的原理

電容觸摸屏利用互電容的原理實現檢測手指觸摸位置[3]，具體為：在玻璃表面制作橫向電極與縱向電極，兩組電極交叉的地方將會形成電容，而這兩組電極分別構成了電容的兩極。當手指觸摸到互電容觸摸屏時，影響觸摸點附近兩個電極之間的耦合，從而改變這兩個電極之間的電容量。當檢測電容大小時，橫向的電極依次發出激勵信號，縱向的所有電極同時接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點的電容值大小，即可以得到整個互電容觸摸屏的二維平面的電容大小。根據觸摸屏二維電容變化量數據，可以計算出每個觸摸點的坐標。即使觸摸屏上有多個觸摸點，也能計算出每個觸摸點的真實坐標。

嵌入式電容觸摸屏利用電容的原理將驅動電極和感測電極嵌入到顯示器中，顯示器的結構不同，觸摸電極的嵌入方式也不相同。對于LCD來說，其中的公共電極、數據線、柵極線和黑矩陣等可以作為驅動電極或者感測電極來使用；對于OLED來說，其中的陰極層可以作為驅動電極或者感測電極來使用。當觸摸電極嵌入到顯示器中時，顯示器中公共電極、數據線、柵極線、黑矩陣和陰極層既要執行顯示功能，又要執行觸摸功能。為了使顯示功能和觸摸功能都正常實現，一般需要采用分時復用技術。現在對該技術進行詳細分析。

3 分時復用技術

現有內嵌式觸摸屏的觸摸設計方案所采用的分時復用技術是將原有顯示屏的顯示時間單元（如一幀時間）分成兩部分，其中一部分時間內（Display Time，即顯示時間）顯示屏用于顯示圖像，另一部分時間內（Touch Time，即觸控時間）顯示屏用于實現觸控偵測功能（即顯示的時候觸摸功能不工作，觸摸功能工作時不顯示）。

3.1 內嵌式電容觸摸液晶屏的分時復用技術

液晶顯示裝置（Liquid Crystal Display，LCD）以其輕薄等優點逐漸成為發展最為迅速的平板顯示器之一。近年來，液晶顯示裝置整合了觸摸屏形成觸摸屏液晶顯示裝置，用戶的指令可通過設置于液晶顯示裝置上的觸摸屏直接輸入，使操作更加簡單方便。

3.1.1 液晶顯示裝置的結構。液晶顯示裝置的結構如圖1所示。液晶顯示裝置自下而上包括：下偏光片、下玻璃基板、TFT器件層、液晶層、公共電極層、彩膜層、上玻璃基板及上偏光片。其中，TFT器件層包括掃描線以及與掃描線相交的數據線，掃描線和數據線限定的像素區域內形成有TFT；彩膜層包括黑矩陣。

3.1.2 公共電極的分時復用。圖1中液晶顯示裝置中設置有多條觸控電極，多條感測觸控電極以彼此平行的方式，沿第二方向設置于彩膜層遠離TFT器件層的一側。公共電極層分割成以彼此平行沿第一方向進行排列的多個公共電極。公共電極層既作為公共電極，又作為觸控電極，具體工作方法為：在每一幀開始時，所述內嵌式觸摸液晶屏先進入顯示模式，此時，由驅動電容向公共電極層提供公共電壓Vcom，實現正常顯示。當內嵌式觸摸液晶屏隨后工作在觸控模式時，公共電極層和觸摸電極一起實現觸摸功能，其中一個作為驅動電極，一個作為感測電極，采用互電容的方式實現位置檢測。

新設的觸控電極可以是單獨設置的一層電極，也可以是位于彩膜層上的黑矩陣。在第二種情況下，所述黑矩陣包括沿第一方向的多條第一黑矩陣條和沿第二方向的多條第二黑矩陣條，所述第一方向與所述第二方向相互垂直，至少一條所述第一黑矩陣條導電，將其作為觸控時的感應線或驅動線，并與公共電極配合實現觸摸檢測。

3.1.3 數據線和/或柵極線的分時復用。圖1中液晶顯示裝置中再設置有多條觸控感測電極，多條感測觸控電極以彼此平行的方式，沿第二方向設置于彩膜層遠離TFT器件層的一側。感測驅動電極是直接使用設置在TFT器件層中像素陣列的多條數據線或者柵極線，來與感測觸控電極共同執行觸控感應操作。在此架構下，當使用一觸控裝置，如一手指或筆接觸觸控式顯示面板時，此觸控裝置功能上是作為一接地源，用以與感測觸控電極形成感測電容，來改變感測觸控電極與感測驅動電極之間的電容，以檢測觸碰位置。

感測觸控電極可以是單獨設置的一層電極，也可以是位于彩膜層上的黑矩陣。在第二種情況下，所述黑矩陣包括沿第一方向的多條第一黑矩陣條和沿第二方向的多條第二黑矩陣條，所述第一方向與所述第二方向相互垂直，至少一條所述第一黑矩陣條導電，將其作為觸控時的感應線或驅動線。

觸控顯示面板現有的柵線和數據線相互交叉設置，形成呈矩陣排列的多個像素單元，柵線有至少一部分兼當觸控驅動線與觸控感應線的其中之一，數據線有至少一部分兼當觸控驅動線與觸控感應線的其中另一。在圖像顯示階段，柵線與數據線用于接收圖像掃描信號和數據信號，以進行圖像顯示；在觸控檢測階段，柵線與數據線用于接收觸控驅動信號和輸出觸控感應信號，以進行觸控檢測，其中圖像顯示階段與觸控檢測階段交替進行。該方法中采用現有的數據線和柵極線進行分時復用的方式來實現顯示和觸控功能，從而無需額外在顯示面板內再設置兩層用于觸控檢測的電極。

3.1.4 像素電極的分時復用。觸摸顯示屏包括顯示區和非顯示區，陣列基板的顯示區內設置有多組源極線和多條柵極線。多組源極線和多條柵極線交叉并將顯示區劃分為多個像素區域，像素區域內設置有第一電極和第二電極。第一電極和第二電極相鄰且電性隔離。第一電極和第二電極分時復用為顯示用的像素電極與觸摸用的感應電極和驅動電極。

3.2 內嵌式電容觸摸OLED的分時復用

隨著有機發光二極管（OLED）顯示器技術的發展，有機發光二極管顯示器面板已被廣泛用于電子設備，如移動電話、平板電腦和平面電視等。相較于傳統的液晶顯示器件（LCD），有機發光二極管顯示器件不需要背光，且相對輕薄，同時還具有寬視角和響應時間短的優點。此外，有機發光二極管顯示器裝置通常具有更高的發光效率。

3.2.1 有機發光二極管顯示裝置的具體結構。圖2為OLED顯示屏的結構示意圖。OLED顯示屏，由下而上依次疊設有：玻璃基板、TFT（薄膜晶體管）以及電極線層、透明陽極電極層、有機發光層和反射陰極電極層。其中，有機發光層一般由空穴注入層、空穴轉移層、有機層及電子轉移層組成。

3.2.2 陽極電極層的分時復用。在OLED顯示屏基板的下側面設置觸控感應層，以陽極層作為觸控感應的驅動層。具體的工作方法為：在顯示時間段，所述陽極層通過有機發光層與陰極層耦合，以獲取驅動電壓，進而實現顯示圖像。在觸摸時間段，所述陽極層作為驅動層與觸控感應層實現觸摸操作，獲取觸摸位置。

3.2.3 陰極電極層的分時復用。陰極層可以被劃分成M行N列的陰極塊并且覆蓋整個顯示面板。每個陰極塊可為用于顯示圖像和具有觸摸感應功能的觸摸電極。N列陰極塊可以基本上沿著水平軸（X方向）排列，M行陰極塊可以基本上沿著垂直軸（Y方向）排列，每一個陰極塊可對應一部分有機發光二極管或多個有機發光二極管。所述M行N列的陰極塊可以被用于分時復用操作。在一個時間段，所述陰極塊被僅用于顯示圖像；在另一時間段，所述陰極塊也被僅用于感應觸摸動作。每個陰極塊可被連接到一普通陰極電壓線和觸摸陰極電壓線。所述發光二極管的陽極電極也可以連接到一普通陽極電壓線。在操作時，顯示面板的有機發光二極管可以在兩種模式下工作，即顯示模式和觸摸感應模式。在顯示模式下，所述顯示面板可只顯示圖像；在觸摸感應模式下，所述顯示面板可以只感應觸摸動作。

4 結語

內嵌式觸摸屏以其集成度高、薄型、性能優越等優點作為觸控技術的重要發展方向。而分時復用技術是內嵌式觸摸屏的關鍵技術。在分時復用的過程中，顯示時間的一部分用于觸摸檢測，對顯示屏的顯示時間、顯示信號和觸摸信號的信噪比都有影響。因此，在保證顯示效果的情況下，提高觸摸檢測的精度，降低功耗是今后內嵌式觸摸屏的主要研究方向。

參考文獻：

[1]楊玉琴，李亞寧.觸摸屏技術研究及市場進展[J].信息記錄材料，2012（1）：35.

[2]曲海波，陳莉.觸摸屏技術的原理及應用[J]. 技術在線，2006（11）：49-50.

[3]鮑兆臣.觸摸屏技術及其未來發展方向[J]. 建材世界，2014（5）：74-76.