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●文/Cypress半導體 翁小平

　　一、引言

　　防水性能是衡量多點電容觸摸屏設計性能的標志性指標。似乎使用互電容掃描的多點電容觸摸屏具有天然的防水能力，它并不構成一個設計挑戰。為什么這樣說呢？因為使用自電容掃描的觸摸屏，水滴和手指觸摸產生的信號變化的方向是相同的，要將水滴從手指觸摸中分辨出來頗費周折。而互電容掃描的觸摸屏水滴和手指觸摸產生的信號變化的方向正好是相反的，因為手指觸摸使互電容減少，水滴卻使互電容增加。這就給人這樣一個感覺，使用互電容掃描的多點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。真實的情況并非如此簡單，當水滴滴到互電容屏上時，確實不會也沒有產生誤觸發，但當水滴被擦掉以后再用手指觸摸原來的地方就不靈了，或者在沒有手指觸摸時會不時出現虛假的觸摸信號。運氣好的時候，過一段時間可以檢測到手指觸摸。大多數情況下很難再恢復到原先的觸摸靈敏度。我們知道一個合格的產品是不允許這樣的情況出現的，更不會去依賴好運氣。因此如何解決因水而帶來的手指觸摸失效的問題和假觸發的問題是多點電容觸摸屏設計的一個挑戰。事實上因水而帶來的觸摸失效的問題不僅僅指水滴，它還包括水膜和大片的水。

　　二、水對自電容和互電容的影響

　　首先我們來了解觸摸屏的自電容和互電容

　　在觸摸屏上一個感應塊（假定為A）和它相鄰的感應塊（假定為B）之間可以產生自電容，也可以產生互電容。如果在感應塊A上施加高頻交流信號Tx，感應塊B被接地，在感應塊A和B之間的耦合就是自電容耦合，自電容的大小為Cs。如果在感應塊A上施加高頻交流信號Tx，感應塊B作為感應電極接受來自感應塊A的信號Rx，這時，在感應塊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的大小正比于感應塊A和B之間的邊界長度和介質的介電常數，與感應塊A和B之間的距離成反方向關系。一般地講，感應塊A上的電勢要比感應塊B上的電勢高，所以電場的方向總是從感應塊A到感應塊B。參考圖1和圖2。

　　其次看手指觸摸對自電容和互電容的影響

　　在自電容耦合中，由于B感應塊被接地，所以A感應塊既是激勵信號的發射端，也是測量信號的接受端；在互電容耦合中，A、B感應塊分別是激勵信號的發射端和測量信號的接受端。當手指觸摸感應塊上的覆蓋物時，由于手指及人體可以被認為是導體，人體與大地之間的電容Cbody和設備地與大地之間的電容Cboard足夠大，對高頻的交流激勵信號僅有非常小的容抗，所以可以認為手指在觸摸系統中的電勢近似地為設備地的電勢GND。參考圖3和圖4。這樣在自電容的電場耦合中，手指觸摸相當于在自電容Cs上并聯了一個電容CFT/FR, 所以，手指觸摸使自電容增加。而在互電容的電場耦合中，由于手指在觸摸系統中的電勢近似地為設備地的電勢GND，感應塊A和感應塊B的電勢都比手指的電勢高，在感應塊A和感應塊B與手指之間將產生電的耦合，這就意味著在感應塊A和感應塊B與手指之間產生耦合電容CFT和CFR。當高頻的交流激勵信號施加在感應塊A上時，經由互電容Cm到Rx的電流被手指電容CFT和CFR分流掉一部分，接受端Rx的電流將比原來小，這樣它就等效為互電容Cm的減少，所以，通常我們說手指觸摸使互電容減少。

　　再來看水對自電容和互電容的影響

　　當水落到觸摸屏上時，由于水是導電的，可以認為是導體，它也將改變感應塊A和感應塊B之間的電場耦合。但水的表面積相比人體來講要小非常多，人體與大地之間的電容Cbody已經不復存在，水滴與大地之間的電容非常小，小到幾乎零。水滴在觸摸系統中的電勢已不能近似地為設備地的電勢GND，它的電勢由感應塊A和感應塊B的電勢來確定。基于常識，它的電勢應介于感應塊A的電勢和感應塊B的電勢之間。參考圖5和圖6，在自電容的電場耦合中，水滴分別與感應塊A和感應塊B形成電容CWT/WR和CWS，可以認為這兩個電容是串聯以后再并聯在Cs的兩端，所以對自電容的屏，水滴象手指一樣會使自電容增加，但由于水滴產生的兩個電容是串聯以后再并聯在Cs的兩端，串聯電容的值將小于串聯電容中的任何一個電容，對于一個與手指大小直徑的水滴，它產生的信號變化將肯定小于手指觸摸產生的信號變化，但它們是同方向的。同樣，在互電容的電場耦合中，水滴分別與感應塊A和感應塊B形成電容CWT和CWR，可以認為這兩個電容是串聯以后再并聯在Cm的兩端，所以對互電容的屏，水滴不象手指觸摸使互電容減少，而是使互電容增加！同樣由于水滴產生的兩個電容是串聯以后再并聯在Cm的兩端，串聯電容的值將小于串聯電容中的任何一個電容，對于一個與手指大小直徑的水滴，它產生的信號變化也將肯定小于手指觸摸產生的信號變化，通常它是手指觸摸信號的1/4大小，但它和手指觸摸產生的信號變化是反方向的。

　　水滴被擦除后互電容屏產生誤觸發

　　我們知道自電容屏僅能實現單點觸摸和不完全兩點觸摸（在兩點形成的矩形的另兩個對角上會產生鬼影），而多點觸摸必須基于互電容觸摸屏。因為手指觸摸使互電容減少，水滴卻使互電容增加。這很容易使設計者產生一個錯覺，認為水滴落在互電容屏上，不會被誤認為是手指觸摸，也就是說不會產生誤觸發。我們來看實際情況是怎樣。因為手指觸摸信號是基于基本線值和有手指觸摸時的AD轉換值的差，而基本線值通常近似或等于沒有手指觸摸時的AD轉換值，水滴落在互電容屏上雖然不會使AD轉換值變化朝手指觸摸時的AD轉換值的方向變化，卻會使AD轉換值朝手指觸摸時的AD轉換值的相反方向變化，它導致基本線值朝手指觸摸時的AD轉換值的相反方向偏移。當水滴被擦掉時，AD轉換值會很快地恢復到原先的基本線值附近，基本線值由于受基本線值算法的限制不能很快更新到原先的基本線值。這時AD轉換值和基本線值就產生了差值信號，這個差值信號變化的方向和手指觸摸時的AD轉換值的變化的方向是一致的。當因水造成的基本線值的偏移量接近或超過設定的手值閾值時，在水被擦掉的一瞬間誤觸發就出現了。很多情況下，這種誤觸發不容易恢復正常，因為被偏移的基本線值不容易被更新恢復到正常的基本線值。誤觸發會持續很長時間，甚至需要復位重啟觸摸屏系統。

　　三、交替掃描實現多點電容觸摸屏的防水

　　如何消除水滴被擦除后互電容屏產生的誤觸發是互電容屏防水設計所面臨的一個挑戰。要解決這個問題，首先要知道水滴是什么時候開始在電容屏上的。因為基本線值朝手指觸摸時的AD轉換值的相反方向偏移有可能有多種原因。比如，環境溫度（高低溫的測試）、濕度的變化；靜電的干擾；觸摸屏系統啟動時手指正好按在觸摸屏上，啟動后手指被移開等等。如何將水滴在互電容屏上導致的基本線值變化和其他情況導致的基本線值變化甄別出來是知道當前有水滴在互電容屏上的關鍵。

　　事實上，我們在前面已經討論了水滴在互電容屏和自電容屏上產生的不同行為，水滴在自電容屏上使AD轉換值變化朝手指觸摸時的AD轉換值的同方向變化，而水滴在互電容屏上使AD轉換值變化朝手指觸摸時的AD轉換值的相反方向變化。這個特征本身為我們提供了辨別水滴在電容屏上一個有效方法。但它要求觸摸屏系統對同一塊電容屏不但能實施互電容掃描，也能實施自電容掃描。通過交替掃描，在各種各樣的因素導致的信號變化中將水滴產生的信號檢測出來。一旦水滴產生的信號被檢測出來，將保持基本線值不變，直到水被擦掉，基本線值才按先前的規則重新更新。在有水的時候，用手指觸摸觸摸屏，因為手指產生的信號變化相對水產生相反方向信號變化大得多，所以手指在有水滴的觸摸屏上觸摸不會受到太大的影響。從而實現互電容觸摸屏的有效防水。

　　四、結束語

　　水對自電容與互電容影響所產生不同的行為成為水在電容觸摸屏上的主要特征。充分利用這個特征并使用交替掃描使互電容觸摸屏的防水設計成為可能。

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