本文簡單介紹了電容屏方面的相關(guān)知識,正文主要分為電子設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩個部分。電子設(shè)計部分包含了原理介紹、電路設(shè)計等方面,結(jié)構(gòu)設(shè)計部分包好了外形結(jié)構(gòu)設(shè)計、原料用材、供應(yīng)商工藝等方面
【名詞解釋】
1. V.A區(qū):裝機(jī)后可看到的區(qū)域,不能出現(xiàn)不透明的線路及色差明顯的區(qū)域等。
2. A.A區(qū):可操作的區(qū)域,保證機(jī)械性能和電器性能的區(qū)域。
3. ITO:Indium Tin Oxide氧化銦錫。涂鍍在Film或Glass上的導(dǎo)電材料。
4. ITO FILM:有導(dǎo)電功能的透明PET膠片。
5. ITO GALSS:導(dǎo)電玻璃。
6. OCA:Optically Clear Adhesive光學(xué)透明膠。
7. FPC:可撓性印刷電路板。
8. Cover Glass(lens):表面裝飾用的蓋板玻璃。
9. Sensor:裝飾玻璃下面有觸摸功能的部件。(Flim Sensor OR Glass Sensor)
【電子設(shè)計】
一、電容式觸摸屏簡介
電容式觸摸屏即Capacitive Touch Panel(Capacitive Touch Screen),簡稱CTP。根據(jù)其驅(qū)動原理不同可分為自電容式CTP和互電容式CTP,根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同可分為單點觸摸CTP和多點觸摸CTP。
1、實現(xiàn)原理
電容式觸摸屏的采用多層ITO膜,形成矩陣式分布,以X、Y交叉分布作為電容矩陣,當(dāng)手指觸碰屏幕時,通過對X、Y軸的掃描,檢測到觸碰位置的電容變化,進(jìn)而計算出手指觸碰點位置。電容矩陣如下圖1所示。
? ?圖1 電容分布矩陣
電容變化檢測原理示意簡介如下所示:
名詞解釋:
ε0:真空介電常數(shù)。
ε1 、ε2:不同介質(zhì)相對真空狀態(tài)下的介電常數(shù)。
S1、d1、S2、d2分別為形成電容的面積及間距。
? ?圖2 觸摸與非觸摸狀態(tài)下電容分布示意
非觸控狀態(tài)下:C=Cm1=ε1ε0S1/d1
觸控狀態(tài)下:C=Cm1*Cmg/(Cm1+Cmg),Cm1=ε1ε0S1/d1,Cmg=Cm1=ε2ε0S2/d2
電容觸摸驅(qū)動IC會根據(jù)非觸控狀態(tài)下的電容值與觸控狀態(tài)下的電容值的差異來判斷是否有觸摸動作并定位觸控位置。
2、自電容與互電容
自電容式CTP是利用單個電極自身的電容變化傳輸電荷,由一端接地,另一端接激勵或采樣電路來實現(xiàn)電容的識別(測量信號線本身的電容)。自電容式CTP的坐標(biāo)檢測是依次檢測橫向和縱向電極陣列,根據(jù)觸摸前后電容變化分別確定橫向和縱向坐標(biāo),然后組合成平面坐標(biāo)確定觸摸位置。當(dāng)觸摸點只有一個時,組合后的坐標(biāo)也是唯一的一個,可以準(zhǔn)確定位;當(dāng)觸摸點有兩個時,橫向和縱向分別有兩個坐標(biāo),兩兩組合后出現(xiàn)四組坐標(biāo),其中只有兩個時真實觸摸點,另兩個就是屬稱的“鬼點”。所以自電容式CTP無法實現(xiàn)真正的多點觸摸。
互電容式CTP失利用兩個電極進(jìn)行傳輸電荷,一端接激勵,另一端接采樣電路來實現(xiàn)電容的識別(測量垂直相交的兩個信號之間的電容)?;ル娙菔紺TP坐標(biāo)檢測也是檢測橫向和縱向電極陣列,不同的是它是由橫向依次發(fā)送激勵而縱向同時接收信號,這樣可以得到所有橫向和縱向交匯點的電容值,根據(jù)電容值的變化可以計算出每一個觸摸點的坐標(biāo),這樣即使有多個觸摸點也能計算出每個觸摸點的真實坐標(biāo)。所以互電容式CTP可以實現(xiàn)真實多點觸控。
自電容的優(yōu)點是簡單、計算量小,缺點是單點、速度慢;互電容的優(yōu)點是真實多點、速度快,缺點是復(fù)雜、功耗大、成本高。
3、結(jié)構(gòu)及材料使用
二、驅(qū)動IC簡介
電容屏驅(qū)動IC是電容屏工作處理的主體,是采集觸摸動作信息和反饋信息的載體,IC采用電容屏工作的原理采集觸摸信息并通過內(nèi)部MPU對信息進(jìn)行分析處理從而反饋終端所需資料進(jìn)行觸摸控制。
IC與外部連接是通過對外的引腳進(jìn)行的,電容屏驅(qū)動IC廠家眾多,各自的設(shè)計也不盡相同,但是基本原理也是大同小異,因此個驅(qū)動IC的芯片引腳也比較類似,只有個別引腳是各自功能中特殊的設(shè)計,如下對電容屏驅(qū)動IC的引腳做一個簡單的說明。
驅(qū)動信號線:即Driver或TX,是電容屏的電容驅(qū)動信號輸出腳。
感應(yīng)信號線:即Sensor或RX,是電容屏的電容感應(yīng)信號輸入腳。
電源電壓:分模擬電源電壓和數(shù)字電源電壓。模擬電壓范圍一般為2.6V~3.6V,典型值為2.8V和3.3V;數(shù)字電壓即電平電壓為1.8V~3.3V,由主板端決定。電容屏設(shè)計可以設(shè)計為單電源和雙電源兩種模式,目前以單電源供電為主(可以減少接口管腳數(shù))。
GND:也分為模擬地和數(shù)字地兩種,一般兩種地共用,特殊情況下需將兩種地分開以減少兩種地之間的串?dāng)_現(xiàn)象。
I2C接口:I2C接口包括I2C_SCL和I2C_SDA。I2C_SCL為時鐘輸入信號,I2C_SDA為數(shù)據(jù)輸入輸出信號。
SPI接口:SPI接口包括SPI_SSEL、SPI_SCK、SPI_SDI、SPI_SDO。SPI_SSEL為片選信號,低電平有效;SPI_SCK為時鐘輸入信號;SPI_SDI為數(shù)據(jù)輸入信號;SPI_SDO為數(shù)據(jù)輸出信號。
RESET:芯片復(fù)位信號,低電平有效。
WACK:芯片喚醒信號。
TEXT_EN:測試模式使能信號。
GPIO0~N:綜合功能輸入輸出IO口。
VREF:基準(zhǔn)參考電壓。
VDD5:內(nèi)部產(chǎn)生的5V工作電壓。
以上引腳定義沒有包含全部的驅(qū)動IC的功能,如LED、Sensor_ID、Key_Sensor等特殊功能作用的管腳,這些管腳需根據(jù)具體IC確認(rèn)其具體作用及用法。
三、ITO圖形設(shè)計
ITO可蝕刻成不同的圖形,不過造價師相同的,而且很難講哪個圖像比其他圖形工作效率高,因為觸摸屏必須與電子間配合才能發(fā)揮作用。
I-phone采用的圖形是最簡單的一種,即在ITO在玻璃一面為橫向電極,在另一面為縱向電極,此設(shè)計簡單巧妙但幾何學(xué)要求特別的工藝電能來產(chǎn)生準(zhǔn)確的焦點。
? ?圖3 I-phone Pattern
閉路鎖合的鉆石形Pattern是最常見的ITO圖形,45°角的軸線組成菱形塊,每個菱形塊通過小橋連接,此圖形用于兩片玻璃,一片是橫向菱形排,另一片是縱向的菱形列,導(dǎo)電圖形在玻璃內(nèi)側(cè),行與列對應(yīng)鎖定后貼合。菱形圖形大小不一,取決于制造商,但基本在4-8mm之間,幾乎所有電子控制器(CTP控制IC)都可用于此圖形。
? ?復(fù)雜圖形的ITO圖形需要專用的電子控制器,有時需要購買許可。一些IC廠會根據(jù)自身的特點設(shè)計特定的Pattern,且為避免濫用或保護(hù)權(quán)利會申請圖形專利。
目前基礎(chǔ)ITO Pattern有Diamond、Rectangle、Diamond& Rectangle、Hexagon等。
四、布局設(shè)計要求
根據(jù)驅(qū)動IC的放置位目前可分為COF、COB兩種方式。
COF即Chip on FPC,作為終端導(dǎo)向方式被廣泛應(yīng)用,這種設(shè)計方式可根據(jù)實際應(yīng)用效果和市場變化在不更改主板的情況下更換電容屏設(shè)計方案,可兼容多種電容屏驅(qū)動IC設(shè)計方案。缺點是前期和后期調(diào)試工作量大,備料周期長。
COB即Chip on Board,將驅(qū)動IC融合在主板端帶來的一個問題是主板和電容屏驅(qū)動IC方案確定后不能隨意更改設(shè)計方案,因為電容屏驅(qū)動IC基本都不是PIN to PIN兼容的,更換方案意味著重新布局相關(guān)的主板設(shè)計。COB方案的優(yōu)點成本降低,交期短,方便備料,前期設(shè)計和后期調(diào)試工作量小。
無論是COF或COB方案都需要在布局走線時注意相關(guān)設(shè)計要求,根據(jù)IC原廠建議以及供應(yīng)商的實際應(yīng)用經(jīng)驗,總結(jié)如下設(shè)計注意事項:
1、關(guān)鍵器件布局
各組電源對應(yīng)的濾波電容需靠近芯片引腳放置,走線盡量短,如下為IC周圍元件布局示意圖:
? ?圖5 元件布局示意圖
電容屏與主板連接端口周圍不要走高速信號線。
對于COB方案,觸控IC盡量靠近Host IC。觸控IC及FPC出線路徑要求遠(yuǎn)離FM天線、ADV天線、DTV天線、GSM天線、GPS天線、BT天線等。與觸控IC相關(guān)器件盡量放進(jìn)屏蔽罩中,且盡可能采用單獨的屏蔽罩。觸控IC附近有開關(guān)電源電路、RF電路或其它邏輯電路時,需注意用地線隔離保護(hù)觸控IC、芯片電源、信號線等。
RF是手機(jī)中最大的干擾信號,因此對芯片與RF天線間的間距有一定要求:在頂部要求間距≥20mm,在底部要求間距≥10mm。適用于COF和COB方案。
2、布線
1)電源線盡量短、粗,寬度至少0.2mm,建議≥0.3mm。驅(qū)動和感應(yīng)信號線走線盡量短,減小驅(qū)動和感應(yīng)走線的環(huán)路面積。
驅(qū)動IC未使用的驅(qū)動和感應(yīng)通道需懸空,不能接地或電源。
對于COB方案,主板上的信號線走線盡量短,盡量接近與屏體的連接接口。建議將IC周圍的驅(qū)動和感應(yīng)信號按比例預(yù)留測試點,方便量產(chǎn)測試,最少需要各留兩個測試點。I2C、SPI、INT、RESET等接口預(yù)留測試點,方便Debug。
2)用地線屏蔽驅(qū)動通道,避免驅(qū)動通道對Vref等敏感信號或電壓造成干擾。
3)信號線(驅(qū)動通道和感應(yīng)通道)建議平行走線,避免交叉走線。
對于不同層走線的情況,避免兩面重合的平行走線方式(FPC的兩面重合平行走線會形成電容),相鄰的驅(qū)動通道和感應(yīng)通道平行走線之間以寬度≥0.2mm的地線隔離,如下圖所示:
? ?圖7 正確走線方式
? ?由于結(jié)構(gòu)的限制,導(dǎo)致驅(qū)動和感應(yīng)通道必須交叉走線時,盡量減少交叉的面積(降低因走線而產(chǎn)生的結(jié)點電容,形成的電容與面積有關(guān)),強(qiáng)制建議交叉進(jìn)行垂直交叉走線,特別注意避免多次交叉。同時驅(qū)動和感應(yīng)走線寬度使用最小走線寬度(0.07~0.08mm)。
? ?對于COB方案的多層方案,建議驅(qū)動和感應(yīng)通道采用分層走線,且中間以地線屏蔽。
4)信號線(驅(qū)動和感應(yīng)通道)必須避免和通訊信號線(如I2C、SPI等)相鄰、近距離平行或交叉,以避免通訊產(chǎn)生的脈沖信號對檢測數(shù)據(jù)造成干擾。對于距離較近的通訊信號線,需要用地線進(jìn)行屏蔽
? ?5)地線及屏蔽保護(hù)
芯片襯底必須接地,襯底上需放置可靠的地線過孔,建議過孔數(shù)量4~8個。驅(qū)動和感應(yīng)通道壓合點兩側(cè)均須放置地線壓合點,空間允許情況下,驅(qū)動和感應(yīng)通道走線兩側(cè)必須放置地線,建議地線寬度≥0.2mm。
? ?FPC未走線區(qū)域需要灌銅,大面積灌銅能減小GND走線電阻,屏蔽外部干擾。建議采用網(wǎng)格狀灌銅,既起到屏蔽作用又不增加驅(qū)動和感應(yīng)線對地電容。建議網(wǎng)格銅規(guī)格:Grid=0.3mm,Track=0.1mm。無論COF或COB,連接Sensor和Guitar芯片的FPC,其信號線走線背面需鋪銅,同時建議增加接地的屏蔽膜。
? ?圖14 接地屏蔽膜
與主控板接口排線盡可能設(shè)置兩根≥0.2mm的地線,保證電氣可靠接地。如結(jié)構(gòu)允許,補(bǔ)強(qiáng)可用鋼板,若能保證鋼板可靠接地則效果更好。
6)設(shè)計參考
FPC設(shè)計時需要考慮的關(guān)鍵尺寸如下圖所示:
? ?圖15 FPC關(guān)鍵尺寸示意圖
FPC走線禁止直角或折線,折彎處需倒圓?。辉[放區(qū)必須予以補(bǔ)強(qiáng),方便貼片或焊接;所有過孔盡量打在補(bǔ)強(qiáng)板區(qū)域,F(xiàn)PC彎折區(qū)及附近不能有過孔;設(shè)計圖上必須標(biāo)注補(bǔ)強(qiáng)區(qū)位置及總FPC厚度,彎折區(qū)及附近不能有補(bǔ)強(qiáng);彎折區(qū)與元件區(qū)過渡的圓角要達(dá)到R=1.0mm,并建議在拐角處加銅線以補(bǔ)充強(qiáng)度,減少撕裂風(fēng)險。
在FPC設(shè)計中還要注意元件區(qū)空間的大小,特別是在結(jié)構(gòu)圖確認(rèn)中,要充分考慮元件區(qū)大小預(yù)留結(jié)構(gòu)空間。
五、ESD防護(hù)
ESD性能是電子產(chǎn)品都需要關(guān)注的基本性能,ESD性能直接影響了電子產(chǎn)品的電氣性能甚至使用壽命。
在CTP設(shè)計時應(yīng)特別注意ESD防護(hù),建議參考事項:
1)FPC邊緣與機(jī)殼開孔或縫隙的距離≥3mm,避免ESD直接對FPC放電。
2)機(jī)殼設(shè)計時,建議選用有接地的金屬外殼或無金屬結(jié)構(gòu)件的塑膠外殼,提供ESD能力。
3)部分IC可增加防ESD的TVS管等器件,如Focaltech,可提供抗ESD能力。
4)FPC設(shè)計中,增加網(wǎng)格的GND屏蔽(必要時增加接地屏蔽膜),保護(hù)I2C信號,放置ESD干擾串入主板。
5)減小VDD與GND距離,提高抗輻射的ESD干擾能力。
6)ITO Sensor周圍進(jìn)行圍地保護(hù),避免ESD直接干擾Sensor。
7)隔離地線保護(hù),IC工作電源地與FPC周圍保護(hù)地分離,在IC外圍進(jìn)行充分連接,防止ESD直接打到IC上。
六、技術(shù)展望
隨著電容屏的廣泛應(yīng)用及其市場潛力的開發(fā),電容屏技術(shù)越來越受到大家的關(guān)注和肯定。
在市場整合方面,電容屏的標(biāo)準(zhǔn)化、共用性是電容屏供應(yīng)商急需努力和實施的市場技術(shù)要求。
在技術(shù)方面,也有幾個不同的發(fā)展方向。1、驅(qū)動IC方面,在提高驅(qū)動IC性能的同時,將LCM驅(qū)動和CTP驅(qū)動融合在一起是一種方向。2、在玻璃面板方面,輕薄是未來努力的主要方向。一種是在LCD玻璃表面做CTP的ITO Sensor,將LCM與CTP融合到一起;一種是in-cell,即直接將CTP Sensor融合在LCD玻璃里面,即LCD玻璃本身帶有CTP功能。
【結(jié)構(gòu)設(shè)計】
一、結(jié)構(gòu)及材料使用
1、結(jié)構(gòu)
G+F結(jié)構(gòu)
? ?結(jié)構(gòu):cover glass+film sensor。
特點:此結(jié)構(gòu)用單層film sensor,ITO為三角形結(jié)構(gòu),只支持單點,可做到虛擬兩點手勢。
優(yōu)點:開模成本很低,性價比高,單價屬電容TP中最低的結(jié)構(gòu),總厚度可做薄,透光性好,交期短,Cover外形可更換。
缺點:單點為主,手寫較差,虛擬兩點手勢準(zhǔn)確度差。
G+F+F
? ?結(jié)構(gòu):cover glass+film sensor+film sensor。
特點:此結(jié)構(gòu)用兩層film sensor,ITO為菱形結(jié)構(gòu),支持真實多點操作。
優(yōu)點:準(zhǔn)確度高,手寫效果好,支持真實兩點,cover外形可更變。
缺點:透光性差,比G/G結(jié)構(gòu)低5%。價格比G/F高,比G/G低。
G+G
? ?結(jié)構(gòu):cover glass+glass sensor
特點:此結(jié)構(gòu)用單層glass sensor,ITO為菱形結(jié)構(gòu),支持真實多點。
優(yōu)點:準(zhǔn)確度高,透光性好,手寫效果好。支持真實多點,cover外形可更變,可靠性好及使用壽命長。
缺點:受撞擊后的底面glass sensor容易破壞,開發(fā)成本高,周期長,可替換性差。
2、材料使用
1)ITO GLASS:是Indium Tin Oxide 三個英文字母的縮寫,即氧化銦錫。ITO 玻璃是在清潔的絕緣素玻璃表面上,以真空鍍膜法依序鍍上SiO2 層及ITO 層所制成,ITO薄膜的特性是,在可見光區(qū)具有高度的穿透率與極佳的電導(dǎo)性。
a、目前常用的ITO GLASS廠家有:百旭子,旭硝子。
b、GLASS SENSOR:0.33mm,0.4mm,0.55mm。
2)ITO Film:氧化銦錫薄膜。常用0.125mm。
3)OCA:常用規(guī)格有50um、100um、150um、200um、250um、300um。廠家主要有3M,日立化成,三菱樹酯。
4)Cover Glass:使用強(qiáng)化玻璃,厚度有0.55、0.7、0.8、0.95、1.0、1.1規(guī)格的,表面硬度一般為7H。
5)PMMA:使用厚度建議1.0mm以上,且LCM與CTP間隙至少要0.5mm。
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