東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620

近年來，隨著科技的發(fā)展，有關(guān)柔性電容觸摸裝置在智能紡織品中應(yīng)用的研究，得到了越來越多的關(guān)注，主要包括織物開關(guān)、織物鍵盤、織物電容觸摸墊等[1]。前兩種觸摸裝置的研究已經(jīng)比較成熟，但織物電容觸摸墊因其性能受干擾因素較多，仍在研發(fā)階段。

織物電容觸摸墊分為織物表面式電容觸摸墊和織物投射式電容觸摸墊，而且電容觸摸墊的結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響觸摸效果的重要因素，諸如極板尺寸、形狀及極板間相互位置、介質(zhì)介電常數(shù)等。蔣晶晶等[1]、HELLER等[2]、HAMDAN等[3]研究了矩形電極對(duì)實(shí)際操作過程中織物表面式電容觸摸墊的分辨率和線性度的影響，發(fā)現(xiàn)在觸摸墊有效使用范圍內(nèi)，其分辨率和線性度都較高，但在靠近觸摸墊邊緣處較低，響應(yīng)速度較慢。KANG等[4]采用相互垂直的條形電極，JOSUE等[5-6]采用相互垂直的菱形電極，研究觸摸位置對(duì)織物投射式電容觸摸墊的電容變化的影響，發(fā)現(xiàn)織物投射式電容觸摸墊的電容變化與中間介質(zhì)層的厚度、介電性能、表面粗糙度有關(guān)。SERGIOM等[7]把條狀導(dǎo)電織物作為電極并以相互垂直的方式分布在泡沫隔離板的兩側(cè)，上下行列交叉的導(dǎo)電織物形成電容陣列，構(gòu)成觸摸墊，其像素為(24×16)dpi，電極間距為8.000 mm，在該觸摸墊上進(jìn)行按壓形成圖像，發(fā)現(xiàn)圖像的清晰度與導(dǎo)電織物表面粗糙度、織物厚度不勻及織物表面尺寸有關(guān)，并提出可利用降噪算法及增大信號(hào)方法改善圖像清晰度和邊界效應(yīng)，驗(yàn)證了此導(dǎo)電織物用作電容觸摸裝置的可行性。TAKAMATSU等[8]4485以聚噻吩涂層導(dǎo)電針織物為電極、PDMS(聚二甲基硅氧烷)為中間介電層，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)電容陣列，證實(shí)了導(dǎo)電針織物形成電容觸摸裝置的可行性。顯然，這些研究表明電極材料及結(jié)構(gòu)、介電層材料等因素都會(huì)影響電容觸摸墊的觸摸性能，但尚未建立這些因素與觸摸性能之間的關(guān)系。

從基本原理看，電容觸摸墊的工作原理類似于電容式陣列傳感器。紡織結(jié)構(gòu)電容式陣列傳感器可以分為3類：同軸皮芯結(jié)構(gòu)電容紗及織物、上下表面電極為導(dǎo)電紗線的多層織物、導(dǎo)電織物夾持不帶電織物的復(fù)合結(jié)構(gòu)。GU等[9]、GORGUTSA等[10]、GUO等[11]和ROH等[12]將導(dǎo)電紗線與普通紗線復(fù)合得到復(fù)合導(dǎo)電紗線，再根據(jù)設(shè)計(jì)的電容式陣列傳感器結(jié)構(gòu)織成織物。他們研究了復(fù)合導(dǎo)電紗線長度、電容器單位長度和復(fù)合導(dǎo)電紗線電阻等參數(shù)對(duì)電容式陣列傳感器電容變化的影響，得出復(fù)合導(dǎo)電紗線長度和電容單位長度較短及復(fù)合導(dǎo)電紗線電阻較小時(shí)，電容式陣列傳感器的電容相對(duì)變化率較大的結(jié)論。胡爽[13]研究了電容式織物傳感器的性能，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電織物的紗線原料、織物面積、織物經(jīng)密、紗線細(xì)度均對(duì)電容式織物傳感器的性能有一定的影響，傳感器的電容值隨著織物面積和織物經(jīng)密增大而增加，隨著紗線細(xì)度增加而下降。已有學(xué)者從傳感性能角度探討了電容式陣列結(jié)構(gòu)及材料對(duì)織物電容觸摸墊性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過改善傳感器的走線長度、傳感器電極之間的間距、傳感器之間的干擾等，能提升織物電容觸摸墊的靈敏度[14]。

基于上述分析發(fā)現(xiàn)，已有研究證實(shí)了以織物作為電極制備電容觸摸墊的可行性，但缺少織物電容觸摸墊的電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)對(duì)電容變化量的影響的研究。本文針對(duì)全織物投射式電容觸摸墊，研究電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)與觸摸墊的電容相對(duì)變化率之間的關(guān)系。

1 投射式電容觸摸墊的結(jié)構(gòu)、工作原理及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

投射式電容觸摸墊由相互垂直的行電極和列電極組成，每個(gè)電極與芯片連接，從而控制行電極的激發(fā)與列電極脈沖信號(hào)的感應(yīng)。每條行電極和列電極的交叉處形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)電容。當(dāng)手指觸摸到電容觸摸墊時(shí)，觸摸點(diǎn)附近的行、列電極之間的電容量發(fā)生變化，故而芯片通過識(shí)別電容量發(fā)生變化的位置檢測(cè)觸摸方位。利用交叉點(diǎn)掃描技術(shù)檢測(cè)整個(gè)電容觸摸墊的互電容量，在觸摸位置所發(fā)生的互電容量變化即為觸摸信號(hào)值。當(dāng)互電容量變化越大時(shí)，電容觸摸墊的靈敏度越高。

全織物投射式電容觸摸墊整體采用織物組成，其結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，包括5個(gè)部分：表層和底層為覆蓋層，其不導(dǎo)電；中間層為介質(zhì)層，其上層為行電極、下層為列電極，行、列電極之間相互垂直交叉排列。全織物投射式電容觸摸墊的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1(b)所示，分別是同一層上的電極間隙、電極寬度及觸摸墊厚度。

(a) 結(jié)構(gòu)

(b) 結(jié)構(gòu)參數(shù)

觸摸墊中存在互電容Cm和自電容CP。互電容指電極之間產(chǎn)生的電容，包括行、列電極之間產(chǎn)生的電容及同一層上相鄰電極之間產(chǎn)生的電容；自電容指電極與地之間產(chǎn)生的電容。互電容量可以用平板電容的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式給出：

(1)

式中：ε為織物的介電常數(shù)，F(xiàn)/m；s為行、列電極之間的正對(duì)面積，m2；d為行、列電極之間的間距，m；k為靜電力常數(shù)，k=8.988 0×109N·m2/C2。

圖2所示為單個(gè)觸摸點(diǎn)觸摸前后的等效電路圖，可以看出，在行電極上施加一定電壓，列電極便接收信號(hào)，每個(gè)列電極的信號(hào)傳遞給芯片。在手指觸摸情況下，手指與上電極之間產(chǎn)生的耦合電容和手指與下電極之間產(chǎn)生的耦合電容增加，下電極接收的信號(hào)將顯著減小?？椢锸侨嵝晕矬w，受到手指觸摸時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，使得行、列電極之間的間距d發(fā)生變化，而且由于織物結(jié)構(gòu)改變，電極織物的介電常數(shù)ε發(fā)生變化。這些因素相互作用，使得觸摸墊的電容發(fā)生變化[15]27-28。

(a) 觸摸前

(b) 觸摸后

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

靈敏度為評(píng)價(jià)觸摸墊觸摸性能的基本指標(biāo)，它指的是觸摸墊受到手指觸摸時(shí)產(chǎn)生的最大信號(hào)(即觸摸信號(hào))與設(shè)定的手指閾值的比值，即靈敏度=觸摸信號(hào)/手指閾值。手指閾值又叫臨界值，低于此閾值的觸摸信號(hào)不能識(shí)別。顯然，觸摸信號(hào)越大，靈敏度越大；手指閾值越低，靈敏度也越大。但手指閾值不能設(shè)置得太低或太高，太低會(huì)導(dǎo)致誤觸發(fā)，太高會(huì)降低靈敏度，一般確定為手指觸摸時(shí)產(chǎn)生的最大信號(hào)的1/2左右[15]4。

2 全織物投射式電容觸摸墊的制備

2.1 材料準(zhǔn)備

上、下覆蓋層和中間介質(zhì)層選用棉織物，行、列電極采用鍍銀導(dǎo)電織物(其電阻為0.17 Ω)。為了討論電極寬度和電極間隙對(duì)觸摸信號(hào)的影響，選擇5種電極寬度(3.000、 4.000、 5.000、 6.000、 7.000 mm)和3種電極間隙(2.000、 3.000、 4.000 mm)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)兩個(gè)因素，主要考察電極寬度、電極間隙及電極寬度/電極間隙比值對(duì)觸摸墊靈敏度的影響，共設(shè)計(jì)了25組試驗(yàn)，具體見表1。試驗(yàn)中采用砝碼觸摸試樣，施加壓力為822 Pa[8]4486-4487。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

測(cè)試分兩種情況：一是不受干擾情況，即只測(cè)試1根上電極和1根下電極構(gòu)成的電容器；二是受周邊電極干擾情況，即在觸摸墊上取1根上電極、1根下電極進(jìn)行測(cè)試。電極根數(shù)的多少會(huì)改變觸摸墊上電容器陣列數(shù)量，且電容器陣列數(shù)量影響觸摸點(diǎn)的電容量。采用砝碼在每個(gè)觸摸墊的同一位置上觸摸6次，分別記錄每次觸摸前和觸摸時(shí)觸摸墊的電容，計(jì)算觸摸前和觸摸時(shí)觸摸墊的電容相對(duì)變化率(定義為電容變化量ΔC與初始電容C的比值，即ΔC/C，其中ΔC=觸摸時(shí)的電容量-觸摸前的初始電容)，結(jié)果取平均值。圖3為全織物投射式電容觸摸墊的觸摸試驗(yàn)示意圖。

圖3 全織物投射式電容觸摸墊的觸摸試驗(yàn)示意

3 結(jié)果與討論

3.1 電極寬度對(duì)電容相對(duì)變化率的影響

從圖4能夠看出，在觸摸墊上的觸摸點(diǎn)較少的情況下，電容相對(duì)變化率隨電極寬度增加逐漸減?。划?dāng)觸摸點(diǎn)增加到一定數(shù)量時(shí)，電容相對(duì)變化率隨電極寬度增加基本不發(fā)生變化。由式(1)可知電極寬度是影響互電容的關(guān)鍵因素，在其他條件不變的情況下，電極寬度增大，則電荷的接收面積擴(kuò)大，因此初始電容C增加，手指觸摸時(shí)所帶走的電荷數(shù)量相應(yīng)增多，即剩余電容量減少，故電容相對(duì)變化率減小。

(a) 電極間隙為2.000 mm

(b) 電極間隙為3.000 mm

3.2 電極間隙對(duì)電容相對(duì)變化率的影響

從圖5可以看到，隨著電極間隙增加，電容相對(duì)變化率無顯著變化。電極間隙增加使得相鄰節(jié)點(diǎn)電容之間的電場(chǎng)疊加作用減弱，觸摸點(diǎn)的初始電容減小，觸摸時(shí)電容變化幅度不大，所以電容相對(duì)變化率增加不明顯。另外，同一層上的電極根數(shù)減少，則相鄰節(jié)點(diǎn)電容之間疊加的電場(chǎng)強(qiáng)度下降，觸摸墊上各觸摸點(diǎn)的初始電容明顯減小，而砝碼觸摸時(shí)帶走的電荷數(shù)量減少不明顯，所以電容相對(duì)變化率變大。

(a) 電極寬度為4.000 mm

(b) 電極寬度為5.000 mm

3.3 電極寬度/電極間隙比值對(duì)電容相對(duì)變化率的影響

圖6所示為電容相對(duì)變化率與電極寬度/電極間隙比值的關(guān)系，可以看出，電容相對(duì)變化率受電極寬度/電極間隙比值的影響較大，當(dāng)電極寬度/電極間隙比值為3/2時(shí)，電容相對(duì)變化率最大。隨著電極寬度/電極間隙比值提高，相鄰節(jié)點(diǎn)電容之間的電場(chǎng)疊加作用呈不規(guī)律變化，在電極寬度/電極間隙比值為3/2時(shí)，相鄰節(jié)點(diǎn)電容之間疊加的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大，相應(yīng)的電容相對(duì)變化率最大。

圖6 電容相對(duì)變化率與電極寬度/電極間隙比值的關(guān)系

4 結(jié)論

本文采用5種不同電極寬度和3種不同電極間隙，考察電極尺寸及排列結(jié)構(gòu)對(duì)全織物投射式電容觸摸墊觸摸性能的影響，以觸摸墊的電容相對(duì)變化率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)：

(1) 觸摸墊的電容相對(duì)變化率與電極寬度的關(guān)系較顯著，受電極間隙的影響較小，受電極寬度/電極間隙比值的影響較大。

(2) 觸摸墊的最佳電極寬度/電極間隙比值為3/2。

(3) 比較不同電極根數(shù)的觸摸墊的電容相對(duì)變化率，在相同電極間隙條件下，隨著電極寬度增加，電容相對(duì)變化率逐漸減?。辉谙嗤姌O寬度條件下，隨著電極間隙增加，電容相對(duì)變化率基本不變。