電容筆工作原理，為什么能替代手指觸摸？

1、電容屏工作原理

容式觸摸屏是在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)，當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，觸點的電容就會發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。它就是利用人體電場可以導(dǎo)電，從而形成電流，這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出形成四個電流，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。

電容屏是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的。當(dāng)觸摸電容屏?xí)r，由于人體電場，用戶手指和工作面形成一個耦合電容，因為工作面上接有高頻信號，于是手指吸收走一個很小的電流，這個電流分別從屏的四個角上的電極中流出，且理論上流經(jīng)四個電極的電流與手指頭到四角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算，得出位置?？梢赃_到99%的精確度，具備小于3ms的響應(yīng)速度。

電容式觸摸屏工作原理

1）表面電容式觸摸屏

表面電容式觸摸屏結(jié)構(gòu)是在玻璃基礎(chǔ)上鍍上透明導(dǎo)電涂層，然后在導(dǎo)電涂層上增加一層保護涂層。其工作原理是：電極被放置在玻璃的四個角上，四個角都被施加上相同的相位電壓，在玻璃表面形成一個勻強電場。當(dāng)手指觸摸到玻璃表面，電流將從玻璃的四個角上流流經(jīng)手指，從四個角流經(jīng)的電流比例將被測量以判斷觸摸點的具體位置。測量出來的電流值跟觸摸點到四個角的距離是成反比的。

2）投射電容式觸摸屏

相比于表面電容式，投射電容觸摸屏通常用在較小的尺寸上，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括一個集成了IC芯片用于處理數(shù)據(jù)的線路板，擁有制定圖案的許多透明電極層，表面上覆蓋一層絕緣的玻璃或者塑料蓋板。當(dāng)手指接近觸摸屏表面，靜電電容在多個電極間同時變化，通過測量這些電流之間的比例，可以精確地半段出接觸的位置。同時，投射電容技術(shù)有兩種感應(yīng)方式，即柵格式和線感式。

電容筆，顧名思義就是電容屏用的觸控筆，它代替手指直接接觸屏幕，主要應(yīng)用于電容屏手機、平板電腦、觸控式筆記本等電子設(shè)備。

2、關(guān)于ITO材料

ITO 是通過真空磁控濺射鍍膜工藝生產(chǎn)的一種材料。

透明導(dǎo)電膜屏蔽玻璃的導(dǎo)電膜層材料主要為ITO（銦錫氧化物半導(dǎo)體）膜、金屬鍍膜等，其特點是在150KHz~1GHz范圍內(nèi)有適宜的屏蔽效能，透光性較普通網(wǎng)柵材料屏蔽玻璃好很多，電阻率介于10- 3～10- 4 Ω·cm 之間,透光率可達到85%以上。

1907 年，Badeker 等人第一次通過熱蒸發(fā)法制備了CdO透明導(dǎo)電薄膜，開始了對透明導(dǎo)電薄膜的研究和利用。十九世紀 50 年代，分別開發(fā)出基于 SnO2 和 In2O3 的透明導(dǎo)電薄膜。隨后的 30 年里，出現(xiàn)了 ZnO 基的薄膜。這個時期，TCO 材料主要基于這三種體系：In2O3、SnO2、ZnO。

然而，一種金屬氧化物薄膜的性能由于材料包含元素固有的物理性質(zhì)不能滿足人們的要求。為了優(yōu)化薄膜的化學(xué)和光電性質(zhì)，實現(xiàn)高透射率和低電阻率，科學(xué)家們做了進一步的研究。20世紀 90年代日本和美國一些科研機構(gòu)開始了兩種以上氧化物組成的多元化合物材料的研究與開發(fā)，通過調(diào)整成分與化學(xué)配比來獲得所需的 TCO 材料。目前，應(yīng)用最多的幾種 TCO 材料是：氧化銦錫(ITO, In2O3: Sn)，摻鋁的氧化鋅(AZO,ZnO: Al)，摻氟的氧化錫(FTO, SnO2: F)，摻銻的氧化錫(ATO, Sn2O: Sb)等。

TCO 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，主要用于液晶顯示器的透明電極、觸摸屏、柔性 OLED 屏幕、光波導(dǎo)元器件以及薄膜太陽能電池等領(lǐng)域。

在透明導(dǎo)電氧化物薄膜中，ITO 具有很高的可見光透射率(90%)，較低的電阻率(10-4~10-3Ω?cm)，較好的耐磨性，同時化學(xué)性能穩(wěn)定。

因此，ITO 在 TCO 薄膜中的比重最高。

ITO 在一般情況下為體心立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，是基于 In2O3 晶體結(jié)構(gòu)的摻雜，In2O3 中 In 原子是六配位，O 原子是四配位。

In2O3 晶體結(jié)構(gòu)中本征缺位（氧缺位）和 Sn4+ 替代In位兩種機制共同貢獻了大量自由電子，因此 ITO 為 n 型半導(dǎo)體，載流子濃度在 1,021/cm3左右，為重摻雜

3、電容筆工作原理

如前文所述，電容觸摸屏是由一塊四層復(fù)合玻璃層成型在一起，各個玻璃層的內(nèi)表層和夾層都有一層ITO導(dǎo)電材料，以感應(yīng)電壓形成電流改變區(qū)域容值，從而讓四角的IC判斷感應(yīng)區(qū)域的坐標(biāo)位置。電容觸摸屏利用人體的電流感應(yīng)進行工作，當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場、用戶和觸控屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分別從觸控屏四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置信息。

電容筆就是利用導(dǎo)體材料模仿人體（主要是手指）完成人機對話一種輔助裝置。支持電容屏的觸控筆也主要分為兩大陣營：

EMR（電磁感應(yīng)輸入技術(shù)，Electro-Magnetic Resonance）和AES（主動式靜電感應(yīng)技術(shù)，Active Electrostatic Solution）

EMR原理：

在屏幕下方有可以探測到EMR筆活動的電磁感應(yīng)板（圖片中EMR傳感器所在位置），在感應(yīng)板上面縱橫分布著線圈。

“磁生電，電生磁”，隨著筆的移動，在通電的感應(yīng)板所產(chǎn)生的磁場范圍內(nèi)，筆中的共振回路能夠積蓄微弱的電能。當(dāng)筆積蓄到能量后，控制回路就會停止向循環(huán)線圈提供電流并把循環(huán)線圈接通到接收回路。此時筆所積蓄到的能量會通過共振回路的自由震蕩，將能量從筆尖的線圈處傳送回感應(yīng)板。在將能量傳回電磁感應(yīng)板之后，控制回路首先通過對感應(yīng)板上循環(huán)線圈的掃描，從而初步檢測出筆的大致位置。

接下來再對筆周圍的多個循環(huán)線圈進行掃描，并對檢測出的信號進行計算，即可十分精確地計算出筆的座標(biāo)值。

通過以上的過程，并不斷進行計算，系統(tǒng)不僅可以得到筆當(dāng)前的坐標(biāo)，還能獲取筆的移動速度等數(shù)據(jù)。

壓感的實現(xiàn)，是通過筆內(nèi)部的、在筆尖后端的電容器實現(xiàn)。當(dāng)施加壓力的時候，筆尖會向筆里面運動，從而導(dǎo)致電容器正負極之間的距離變化，從而改變電容，實現(xiàn)了對于壓力的感應(yīng)。

現(xiàn)在的平板電腦，將顯示屏、電容感應(yīng)屏幕和電磁感應(yīng)板堆疊在一起，從而實現(xiàn)EMR手寫筆和手指都能夠操作。

EMR作為久經(jīng)考驗的手寫筆技術(shù)，EMR非?？煽?，技術(shù)成熟，也意味著廉價。所以EMR技術(shù)幾乎成為入門級別產(chǎn)品的標(biāo)配。并且由于不需要電源，EMR的筆可以做得很細，非常適合需要在機身開筆槽的機器，例如三星的Note系列手機。

但是由于EMR的工作原理，必須在屏幕上放置感應(yīng)器，所以會增加整個屏幕的厚度。這也是一些追求極致的平板所不能接受的問題（Surface Pro 3放棄在前兩代使用的Wacom的筆的原因之一）。

此外，EMR技術(shù)在邊緣準(zhǔn)確度上有很大問題（Surface Pro 3開始微軟放棄Wacom的EMR筆技術(shù)的第二個原因）。EMR技術(shù)在小屏幕上表現(xiàn)良好，譬如三星Galaxy Note系列的手機屏幕；但是在平板這種屏幕尺寸較大的設(shè)備上，其邊緣的準(zhǔn)確度會明顯下降，甚至?xí)霈F(xiàn)邊緣筆跡斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。

AES 的工作原理

首先，有源的手寫筆不斷發(fā)出低頻信號（頻率一般在30～70KHz之間），信號中包含筆尖所感受到的壓力、筆的按鍵狀態(tài)和筆的ID序列號等信息。通過上面的結(jié)構(gòu)圖可以看出，對于壓力的數(shù)字化，是通過筆尖壓迫快門，促使快門遮擋LED的光線，從而影響在LED對面的檢測器的受光量和感光位置，進而計算出筆尖受到的壓力。

其次，在機器屏幕上，有網(wǎng)格狀的投射式電容傳感器，負責(zé)整個觸摸和筆的感知。這些網(wǎng)格狀的電容傳感器排線分組連接到若干個控制器上，這若干個小的控制器又連接到一個主控制器上。在工作的時候，主控制器負責(zé)控制和管理若干個小的控制器，與這些小的控制器進行數(shù)據(jù)交換，并收集這些控制器傳過來的筆或者觸摸的位置信息，同時也將收集到的所有數(shù)據(jù)處理后提交到主板的相應(yīng)接口，從而完成對于觸摸或者筆的工作流程。

AES 的最大特點是將觸摸和筆識別結(jié)合在了一套系統(tǒng)上，屏幕上只需要放置一層感應(yīng)層就可以完成。從而減少了屏幕厚度，也減輕了重量。同時，屏幕層數(shù)越少，光的折射效果便越不明顯，就可以讓視差也隨之縮小。

當(dāng)然，實際體驗上來看，AES 的確在很大程度上解決 EMR 筆的視差偏移和邊緣靈敏度問題。當(dāng)然，如果嚴格來說，一點偏移都沒有的筆是不存在的，尤其是筆尖的角度較為傾斜的時候。

4、Surface 觸控筆拆解

1）拆開之前

2）擰開筆帽



3）翹掉筆夾

4）去除磁鐵裝飾貼

5）去除磁鐵

6）一邊旋轉(zhuǎn)一邊抽拉去掉筆帽外殼



7）利用手中的工具去掉電池正極處銅環(huán)


8）輕輕撕掉黑膜


9）切除這個固定點 上下兩半靠這連接，沒這兩個點組裝好后，使用問題不大




10）輕輕掰開上下兩半，就得到了以下一堆奇奇怪怪的東西 慢點別丟點什么就麻煩了



11)用酒精棉球擦拭 按鈕接觸點，有沒有可能含金？




12）用酒精棉球擦拭按鈕鐵片，灰塵就是被靜電吸附在這上面，忘記拍灰塵在上面的圖了



13）需要擦拭的部分基本完了，其他的問題咱也不會修啊，各零件細節(jié)看一下
完成按鈕功能的電路板及接觸彈片，這樣的設(shè)計，壽命真的有保障

按鈕本體，我猜測這個螺紋鐵絲是為了產(chǎn)生電磁給屏幕反饋橡皮功能的吧

電路板，據(jù)說黑色的PCB板代表高端專業(yè)，舔一下巨硬的屁股

這玩意是用來卡住筆套不旋轉(zhuǎn)的，沒有通電功能可不擦拭


14）組裝
選擇有鐵絲安裝槽的那片 先安裝按鈕，鐵絲固定好



15）放入固定彈片 就那個不用擦拭的鐵片，有左右之分，放主板上確認方向。



16）將彈片和接觸點零件 放入組件中，



17）放入主板



18）確認在卡槽內(nèi)后蓋上上半部分


19）測試功能是否恢復(fù)，長按橡皮擦，燈亮了

5、拆解apple pencil

主板正面主要IC：

§紅色：Maxim-MAX14654EWC-電路保護芯片

§綠色：Fairchild Semiconductor-FPF1204-電路保護芯片

§青色：Broadcom-BCM59358AOIUPG-觸控控制器

§洋紅色：ADI(AnalogDevices)-343S00250-觸控控制器

主板背面主要IC：

§青色：STMicroelectronics-STM32L052x6-微控制器

§綠色：STMicroelectronics-STM32L476JGY6-微控制器

§黃色：T1-TPS743-電源芯片

§紅色：Nordic(NordicSemiconductor)-nRF52832-射頻模擬器件

為了保持“筆”的形態(tài)， Apple Pencil （第二代）的主板顯然經(jīng)過精心設(shè)計。主板的寬度幾乎與面積最大元器件的寬度相同，此外，主板上還設(shè)有多個控制器芯片，使得主板上的元器件排布相當(dāng)緊湊。拆解總結(jié)通過拆解我們發(fā)現(xiàn)，為了讓Apple Pencil （第二代）有更好的防護，蘋果公司不惜加入了多層金屬片并用上一體式設(shè)計。

從外部看來，采用了磁吸充電設(shè)計避免觸控筆沒電時只能插在Lightning 接口充電的尷尬，無疑是Apple Pencil （第二代）的最大亮點。但在拆解后你會發(fā)現(xiàn)磁吸收納+ 充電的設(shè)計只不過是一個簡單的設(shè)計，為了讓用戶能夠簡單地用手指點兩下筆身即可切換功能，蘋果公司在Apple Pencil（第二代）內(nèi)還加入了控制器來實現(xiàn)這一功能。某程度上這也是 Apple Pencil （第二代）主板元器件排布如此緊湊的一個重要原因。

6、華為觸摸筆

外殼給去掉后的全家福。

初見 M-pencil 的硬件方案，既驚嘆于 PCB 設(shè)計的精致，又感嘆于目前的芯片集成度和封裝技術(shù)，這支筆的硬件復(fù)雜程度跟難度都遠超于一般的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。大致看了一下，板上的功能大概可以分為無線充電接收部分，電源供給部分，傳感器部分，核心控制部分以及無線傳輸部分。

這里是無線充電接收端的感應(yīng)線圈，而相對應(yīng)的背面就是無線充電接收端的電路，下圖中沒有絲印的這顆芯片（綠色）就是無線充電的控制芯片，不知是定制的產(chǎn)品還是華為海思自己的產(chǎn)品。

順著無線充電這邊就是從電池出來的電源供給部分，為板子上各芯片提供電壓。

另外傳感器部分又可以分為觸摸功能部分以及壓力傳感器采集處理部分，觸摸部分通過匯頂?shù)挠布|摸方案實現(xiàn)，實際表現(xiàn)為切換手寫筆的功能；

而壓力傳感器采集部分是整支手寫筆的核心電路之一，并且從實際拆解來看，電路也異常復(fù)雜。實現(xiàn)這部分的功能除了前端采集放大電路，主要依靠一顆FPGA芯片以及一顆 MCU 配合實現(xiàn)的。

與壓力傳感器采集處理電路相對應(yīng)的另一個核心硬件電路就是控制以及無線連接，但是看了一圈沒有找到相應(yīng)的芯片組，怎么回事？經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn) PCB 中間帶有屏蔽罩的器件周圍包含了實時時鐘以及射頻時鐘晶振，不難推測屏蔽罩里的就是 MCU 以及無線連接部分的芯片了。

只不過讓筆者比較意外的是原本以為它會像 Apple Pencil 那樣將無線連接以及 MCU 這兩部分分開，但是從這屏蔽罩尺寸來看應(yīng)該是集成在一起了？再看周圍電路很多都是空有焊盤沒有元器件，都是空貼，從這都能看出這硬件方案的厲害之處，大幅降低外圍元器件，可以有效降低硬件設(shè)計難度并減少 PCB 設(shè)計的空間，簡直就是為小巧的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備量身打造的硬件方案。

STM32WB雙核、多協(xié)議的無線微控制器芯片。

STM32WB 內(nèi)部集成了一個 64MHz 的 Arm Cortex-M4 內(nèi)核作為應(yīng)用處理器，一個 32MHz 的 Arm Cortex-M0+作為網(wǎng)絡(luò)處理器，獨立兩核設(shè)計，也就說是射頻處理部分不需要占用微控制器的大核心，這樣就能更合理的分配性能資源，雙核架構(gòu)下依然做到整體的低功耗，達到性能與功耗的最優(yōu)平衡點。

在微控制器部分，STM32WB 采用了與 STM32L4 相同的開發(fā)技術(shù)，換而言之，STM32L4 MCU 有的東西，像多種低功耗模式，數(shù)字模擬外設(shè)等，這顆無線微控制器也都有，這就方便了，相信熟悉 STM32L4 的工程師也能快速上手這顆器件的開發(fā)，簡單移植就能量產(chǎn)產(chǎn)品。

在無線連接方面，STM32WB 支持藍牙 5.0 和 IEEE 802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)，可以支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、ZigBee，OpenThread，并且強悍之處在于可以同時運行藍牙 5.0 和 802.15.4 無線協(xié)議。

審核編輯 ：李倩