蔣晶晶， 丁 辛, 2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

電容式柔性觸控裝置的研制

蔣晶晶1， 丁 辛1, 2

(1. 東華大學(xué) 紡織學(xué)院， 上海 201620； 2. 東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201620)

為克服現(xiàn)有柔性觸控裝置分辨率較低及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，應(yīng)用電容式觸控原理，開發(fā)了一種以單層非織碳膜為感應(yīng)材料的柔性觸控裝置。測試表明，直角電極長度為72 mm的觸控裝置在126 mm×72 mm的工作區(qū)域內(nèi)，X方向的線性度為4.40%，Y方向的線性度為4.39%；分辨率為251 dpi×243 dpi。為進(jìn)一步討論裝置的觸控精度，定義了偏移率。測試表明：偏移率在6%以上的感應(yīng)點(diǎn)集中于工作區(qū)域邊緣；增加電極長度有利于提高線性區(qū)域面積，但幅度不大?；谌嵝耘c可攜帶性需求，選用點(diǎn)電極制作觸控裝置較優(yōu)。

柔性觸控裝置； 電容式； 非織碳膜； 線性度； 偏移率； 電極

通過觸摸方式輸入信號的觸控裝置，是人機(jī)信息交互的媒介。一般的觸控裝置柔性差，攜帶不方便，開發(fā)柔性觸控裝置成為該領(lǐng)域的重要工作[1]。

已開發(fā)的柔性觸控裝置有織物開關(guān)、織物鍵盤[2]。織物開關(guān)僅能實(shí)現(xiàn)織物上電路的通斷，功能較單一[3-4]?？椢镦I盤引出導(dǎo)線密集、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且易受信號干擾[5-6]。為此，劉玲玲等[7]根據(jù)四線電阻式觸摸屏的原理研制出柔性觸控裝置，將引出導(dǎo)線減少到4根。但由于其觸控傳感部分中間隔離層的存在，導(dǎo)致觸控點(diǎn)不連續(xù)，限制了分辨率的提高。

本文根據(jù)電容式觸控原理，研制了一種采用非織碳膜為傳感材料的柔性觸控裝置。該裝置不僅輕薄、柔性，且感應(yīng)點(diǎn)連續(xù)，具有較高的觸控分辨率。在此基礎(chǔ)上，評價了所研制觸控裝置的典型性能，如X、Y方向的線性度；定義了偏移率，以描述工作區(qū)域內(nèi)每個位置的觸控精度，為尋求一種較高分辨率和觸控精度的柔性觸控裝置進(jìn)行了有益的嘗試。

1 柔性觸控裝置的組成

觸控裝置由觸摸墊、控制器引線和電容控制器組成，觸摸墊包括非織碳膜和四角電極，見圖1。非織碳膜為傳感材料，尺寸為150 mm×150 mm×0.05 mm，方阻為(168.0±3.2) Ω/sq(測試儀器為RTS-2四探針測試儀)。觸摸墊電極引出4根導(dǎo)線到電容控制器，再通過USB協(xié)議端口可與計算機(jī)對接。

圖1 觸控裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Schematic diagram of touch control device

圖1中a、b、c、d分別代表觸摸墊四角的電極，通過引出導(dǎo)線向電極輸送相同的交變電壓，使碳膜表面成為一個等勢面。當(dāng)手指觸摸碳膜表面某個位置時，人體與碳膜表面形成耦合電容，在電位差的作用下，四角引線上產(chǎn)生微小的電流通過碳膜表面流向人體。連接電極a、b、c、d引出導(dǎo)線上的電流分別為Ia、Ib、Ic、Id。電流信號經(jīng)控制器內(nèi)一系列運(yùn)算后向計算機(jī)輸送2個可供識別的X、Y軸輸出電壓為信號VX、VY，再通過USB接入計算機(jī)，以計算機(jī)屏幕為顯示終端。經(jīng)控制器輸入計算機(jī)的電壓信號VX、VY滿足式(1)[8]。

(1)

觸控裝置所采用的電容式觸控原理實(shí)質(zhì)為二維分流原理，碳膜表面的觸摸點(diǎn)即為分流點(diǎn)，電極d的坐標(biāo)定為(0，0)，電極d到電極c的連線方向?yàn)閄軸向，到電極a的連線方向?yàn)閅軸向，觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)(Xp，Yp)滿足式(2)[9]。

(2)

式中，LX、LY分別為電極c和電極a到電極d的距離。

由式(1)和(2)可得：

(3)

VX、VY確定了觸摸點(diǎn)的位置。而后，VX、VY由校正程序解析為像素坐標(biāo)以光標(biāo)的形式在計算機(jī)屏幕上反映觸摸點(diǎn)的位置。

2 性能檢測

根據(jù)觸摸屏的測試方法及傳感器測試參數(shù)[10-11]，以“米”字型測試法對觸控裝置作線性度測試。在此基礎(chǔ)上，提出了偏移率指標(biāo)，進(jìn)一步表征觸控裝置的輸出偏移。

2.1 線性度和分辨率

傳感器的線性度定義為傳感器平均輸出特性曲線對校正直線的最大偏差，以傳感器滿量程輸出的百分比來表示。該值越小，表明線性特性越好。X、Y方向的線性度可分別通過式(4)、(5)計算得到：

(4)

(5)

式中:PX、PY分別為X、Y方向的線性度;△Xmax、△Ymax分別為X、Y方向最大偏差;Xmax、Ymax分別為工作區(qū)域在X、Y方向的最大坐標(biāo)值，Xmin、Ymin分別為工作區(qū)域X、Y方向的最小坐標(biāo)值。

為使觸摸墊上的工作區(qū)域與屏幕長寬比相對應(yīng)，應(yīng)將觸摸墊上的位置與屏幕上像素坐標(biāo)一一對應(yīng)。為此，先在觸摸墊上的四電極范圍內(nèi)通過四點(diǎn)校正程序定義1個矩形區(qū)域與屏幕完成映射，矩形區(qū)域的4個端點(diǎn)為校正點(diǎn)。本文采用的工作區(qū)域面積為126 mm× 72 mm。

“米”字形測試法即為沿工作區(qū)域主對角線、副對角線、水平中心線、豎直中心線作線性度測試。測試中沿這4條校正直線每隔3 mm取點(diǎn)，用金屬筆觸碰。以屏幕左上角位置作為像素零點(diǎn)，通過像素解析軟件提取屏幕上相應(yīng)顯示點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)；每個點(diǎn)觸摸5次，求顯示點(diǎn)的像素坐標(biāo)平均值；在上述4個方向，離校正直線最遠(yuǎn)的點(diǎn)為最大偏差點(diǎn)；根據(jù)該點(diǎn)的坐標(biāo)及校正直線理論方程，由式(4)、(5)計算線性度。

直角電極長度為72 mm的觸控裝置中，各方向測試點(diǎn)與校正直線關(guān)系如圖2所示。由圖可見，最大偏移點(diǎn)出現(xiàn)在副對角線方向。經(jīng)計算，X方向線性度PX=±4.40%，Y方向線性度PY=±4.39%。測試結(jié)果表明，該柔性觸控裝置線性度良好，接近商業(yè)用觸摸屏標(biāo)稱線性度±1.5%。

圖2 各方向測試點(diǎn)及校正直線Fig.2 Test results and reference lines. (a)Leading diagonal; (b)Sub-diagonal; (c)Vertical centerline; (d)Horizontal centerline

分辨率是輸入設(shè)備的定位精度指標(biāo)，是指觸控裝置每移動2.54 cm能準(zhǔn)確定位的最大信息數(shù)。柔性觸控裝置可通過設(shè)定工作區(qū)域面積調(diào)節(jié)分辨率大小，126 mm×72 mm工作區(qū)域內(nèi)X方向和Y方向的分辨率為251 dpi×243 dpi,接近于市場上手寫板的標(biāo)定分辨率300 dpi。

2.2 偏移率

由于線性度是表征測試直線上偏移的指標(biāo)，無法有效表征觸摸墊各位置的輸出偏移，故提出偏移率作為評價指標(biāo)。偏移率定義為觸控點(diǎn)輸出偏移相對屏幕的百分比，由式(6)計算。

(6)

式中:X2、Y2為顯示點(diǎn)的實(shí)際像素坐標(biāo)，X1、Y1為顯示點(diǎn)的解析坐標(biāo)，Xfs、Yfs為屏幕在X方向和Y方向上的最大像素。

目前主流屏幕長寬比為16∶9的計算機(jī)屏幕分辨率為1 366 像素×768像素，本文設(shè)定的矩形工作區(qū)域的4個頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為(9，36)、(9，108)、(135，108)、(135，36)，故經(jīng)4點(diǎn)定位后理想的柔性觸控裝置觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)Xp、Yp與顯示點(diǎn)解析坐標(biāo)X1、Y1應(yīng)滿足以下關(guān)系[12]：

(7)

在偏移率測試中，可將工作區(qū)域分為若干個測試單元(在實(shí)驗(yàn)中為3 mm×3 mm的矩形單元)，以每個單元的頂點(diǎn)為觸控點(diǎn)，記錄觸控點(diǎn)坐標(biāo)和顯示點(diǎn)的像素坐標(biāo)，計算觸摸墊上各個位置的偏移率C，用MatLab軟件生成觸摸墊觸控點(diǎn)的偏移率網(wǎng)格圖，如圖3所示。

圖3 觸摸墊的偏移率網(wǎng)格圖Fig.3 Grid map of deviation rate of touch pad

由圖3可知，觸摸墊中間區(qū)域輸出偏移較小，邊緣區(qū)域輸出偏移相對較大，實(shí)際顯示區(qū)域較理論顯示區(qū)域向中心收攏；偏移率大于6%的區(qū)域存在于邊緣，感應(yīng)點(diǎn)越接近邊緣區(qū)域偏移率越大。測試結(jié)果與朱維安等[9]的模擬結(jié)果一致。

3 電極形式對輸出偏移的影響

為了解電極形式對觸控裝置輸出偏移的影響，以偏移率為評價指標(biāo)，分別對長電極(直角電極邊長=72 mm)、短電極(直角電極邊長=36 mm)和點(diǎn)電極(圓形電極直徑=8 mm)的柔性觸控裝置作了偏移率測試，結(jié)果如圖4所示。

比較圖中的偏移率可知，長電極觸摸墊線性區(qū)域(偏移率小于6%的區(qū)域)較大且比較集中；點(diǎn)電極式觸摸墊線性區(qū)域較小，且線性區(qū)域存在較小的經(jīng)、離散。增加電極長度一定程度提高了線性區(qū)域的面積，但幅度并不大。基于柔性與可攜帶性需求，選用點(diǎn)電極制作觸控裝置較優(yōu)。

圖4 不同形式電極觸摸墊的偏移率網(wǎng)格圖Fig.4 Grid maps of deviation rates of touch pads with different types of electrodes. (a) Long electrode; (b) Short electrode; (c) Point electrode

4 結(jié) 論

以非織碳膜為傳感材料，運(yùn)用表面電容式觸控原理研制了柔性觸控裝置，包括觸摸墊、控制器引線和表面電容控制器。測試了觸控裝置的線性度及分辨率，并以偏移率評價了電極形式對柔性觸控裝置輸出偏移的影響。

1)電極長度為72 mm的觸控裝置在126 mm×72 mm工作區(qū)域內(nèi)，觸摸點(diǎn)和顯示點(diǎn)間信號的線性度：X向?yàn)椤?.40%，Y向?yàn)椤?.39% ；分辨率為251dpi×243 dpi。

2)觸摸墊中間區(qū)域輸出偏移較小，邊緣區(qū)域輸出偏移相對較大，實(shí)際顯示區(qū)域較理論顯示區(qū)域向中心收攏；偏離大于6%的區(qū)域存在于邊緣位置，觸點(diǎn)越接近邊緣區(qū)域偏移率越大。

3)長電極觸摸墊線性區(qū)域較大且比較集中；點(diǎn)電極式觸摸墊線性區(qū)域較小，線性區(qū)域存在較小的離散。增大電極長度一定程度提高了線性區(qū)域的面積，但幅度并不大?；谌嵝耘c可攜帶性需求，選用點(diǎn)電極制作觸控裝置較優(yōu)。

FZXB

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Development of flexible capacitive touch control device

JIANG Jingjing1, DING Xin1,2

(1.CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai201620，China; 2.KeyLaboratoryofTextileScienceandTechnology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

To overcome the problems such as low resolution and complicated structure that are associated with the existing touch control device, based on the capacitive touch principle a flexible touch control device is developed using a single-layer inductive non-woven carbon film as its touchpad. When a working area in the touch pad is set as 126 mm×72 mm, with 72 mm side length of L-shape electrode, the test results show that the linearity of the touch control device inXandYdirections is4.40% and4.39%, respectively, and that the resolution reaches as high as 251 dpi×243 dpi. For further discussion on the controlling accuracy of the device, the deviation rate is defined. The test results show that the control positions, of which the deviation rates are greater than 6%, are located near the edges of the working area. In addition, increasing the side length of the L-shape electrodes has positive but limited effects on the improvement of the linearity. Therefore, it would be preferable to use point electrodes for flexibility and wearablity.

flexible touch control device; capacitive; non-woven carbon film; linearity; deviation rate; electrode

0253- 9721(2013)09- 0053- 05

2012-10-19

2013-01-08

蔣晶晶(1987-)，男, 碩士生。 主要研究方向?yàn)槿嵝杂|控裝置的研制。 丁辛, 通信作者, E-mail:xding@dhu.edu.cn。

TP 212.1

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