电容式柔性触控装置的研制

蒋晶晶， 丁 辛, 2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

电容式柔性触控装置的研制

蒋晶晶1， 丁 辛1, 2

(1. 东华大学 纺织学院， 上海 201620； 2. 东华大学 纺织面料技术教育部重点实验室， 上海 201620)

为克服现有柔性触控装置分辨率较低及结构复杂等问题，应用电容式触控原理，开发了一种以单层非织碳膜为感应材料的柔性触控装置。测试表明，直角电极长度为72 mm的触控装置在126 mm×72 mm的工作区域内，X方向的线性度为4.40%，Y方向的线性度为4.39%；分辨率为251 dpi×243 dpi。为进一步讨论装置的触控精度，定义了偏移率。测试表明：偏移率在6%以上的感应点集中于工作区域边缘；增加电极长度有利于提高线性区域面积，但幅度不大。基于柔性与可携带性需求，选用点电极制作触控装置较优。

柔性触控装置； 电容式； 非织碳膜； 线性度； 偏移率； 电极

通过触摸方式输入信号的触控装置，是人机信息交互的媒介。一般的触控装置柔性差，携带不方便，开发柔性触控装置成为该领域的重要工作[1]。

已开发的柔性触控装置有织物开关、织物键盘[2]。织物开关仅能实现织物上电路的通断，功能较单一[3-4]。织物键盘引出导线密集、结构复杂，且易受信号干扰[5-6]。为此，刘玲玲等[7]根据四线电阻式触摸屏的原理研制出柔性触控装置，将引出导线减少到4根。但由于其触控传感部分中间隔离层的存在，导致触控点不连续，限制了分辨率的提高。

本文根据电容式触控原理，研制了一种采用非织碳膜为传感材料的柔性触控装置。该装置不仅轻薄、柔性，且感应点连续，具有较高的触控分辨率。在此基础上，评价了所研制触控装置的典型性能，如X、Y方向的线性度；定义了偏移率，以描述工作区域内每个位置的触控精度，为寻求一种较高分辨率和触控精度的柔性触控装置进行了有益的尝试。

1 柔性触控装置的组成

触控装置由触摸垫、控制器引线和电容控制器组成，触摸垫包括非织碳膜和四角电极，见图1。非织碳膜为传感材料，尺寸为150 mm×150 mm×0.05 mm，方阻为(168.0±3.2) Ω/sq(测试仪器为RTS-2四探针测试仪)。触摸垫电极引出4根导线到电容控制器，再通过USB协议端口可与计算机对接。

图1 触控装置结构简图Fig.1 Schematic diagram of touch control device

图1中a、b、c、d分别代表触摸垫四角的电极，通过引出导线向电极输送相同的交变电压，使碳膜表面成为一个等势面。当手指触摸碳膜表面某个位置时，人体与碳膜表面形成耦合电容，在电位差的作用下，四角引线上产生微小的电流通过碳膜表面流向人体。连接电极a、b、c、d引出导线上的电流分别为Ia、Ib、Ic、Id。电流信号经控制器内一系列运算后向计算机输送2个可供识别的X、Y轴输出电压为信号VX、VY，再通过USB接入计算机，以计算机屏幕为显示终端。经控制器输入计算机的电压信号VX、VY满足式(1)[8]。

(1)

触控装置所采用的电容式触控原理实质为二维分流原理，碳膜表面的触摸点即为分流点，电极d的坐标定为(0，0)，电极d到电极c的连线方向为X轴向，到电极a的连线方向为Y轴向，触摸点的坐标(Xp，Yp)满足式(2)[9]。

(2)

式中，LX、LY分别为电极c和电极a到电极d的距离。

由式(1)和(2)可得：

(3)

VX、VY确定了触摸点的位置。而后，VX、VY由校正程序解析为像素坐标以光标的形式在计算机屏幕上反映触摸点的位置。

2 性能检测

根据触摸屏的测试方法及传感器测试参数[10-11]，以“米”字型测试法对触控装置作线性度测试。在此基础上，提出了偏移率指标，进一步表征触控装置的输出偏移。

2.1 线性度和分辨率

传感器的线性度定义为传感器平均输出特性曲线对校正直线的最大偏差，以传感器满量程输出的百分比来表示。该值越小，表明线性特性越好。X、Y方向的线性度可分别通过式(4)、(5)计算得到：

(4)

(5)

式中:PX、PY分别为X、Y方向的线性度;△Xmax、△Ymax分别为X、Y方向最大偏差;Xmax、Ymax分别为工作区域在X、Y方向的最大坐标值，Xmin、Ymin分别为工作区域X、Y方向的最小坐标值。

为使触摸垫上的工作区域与屏幕长宽比相对应，应将触摸垫上的位置与屏幕上像素坐标一一对应。为此，先在触摸垫上的四电极范围内通过四点校正程序定义1个矩形区域与屏幕完成映射，矩形区域的4个端点为校正点。本文采用的工作区域面积为126 mm× 72 mm。

“米”字形测试法即为沿工作区域主对角线、副对角线、水平中心线、竖直中心线作线性度测试。测试中沿这4条校正直线每隔3 mm取点，用金属笔触碰。以屏幕左上角位置作为像素零点，通过像素解析软件提取屏幕上相应显示点的X、Y坐标；每个点触摸5次，求显示点的像素坐标平均值；在上述4个方向，离校正直线最远的点为最大偏差点；根据该点的坐标及校正直线理论方程，由式(4)、(5)计算线性度。

直角电极长度为72 mm的触控装置中，各方向测试点与校正直线关系如图2所示。由图可见，最大偏移点出现在副对角线方向。经计算，X方向线性度PX=±4.40%，Y方向线性度PY=±4.39%。测试结果表明，该柔性触控装置线性度良好，接近商业用触摸屏标称线性度±1.5%。

图2 各方向测试点及校正直线Fig.2 Test results and reference lines. (a)Leading diagonal; (b)Sub-diagonal; (c)Vertical centerline; (d)Horizontal centerline

分辨率是输入设备的定位精度指标，是指触控装置每移动2.54 cm能准确定位的最大信息数。柔性触控装置可通过设定工作区域面积调节分辨率大小，126 mm×72 mm工作区域内X方向和Y方向的分辨率为251 dpi×243 dpi,接近于市场上手写板的标定分辨率300 dpi。

2.2 偏移率

由于线性度是表征测试直线上偏移的指标，无法有效表征触摸垫各位置的输出偏移，故提出偏移率作为评价指标。偏移率定义为触控点输出偏移相对屏幕的百分比，由式(6)计算。

(6)

式中:X2、Y2为显示点的实际像素坐标，X1、Y1为显示点的解析坐标，Xfs、Yfs为屏幕在X方向和Y方向上的最大像素。

目前主流屏幕长宽比为16∶9的计算机屏幕分辨率为1 366 像素×768像素，本文设定的矩形工作区域的4个顶点坐标分别为(9，36)、(9，108)、(135，108)、(135，36)，故经4点定位后理想的柔性触控装置触摸点的坐标Xp、Yp与显示点解析坐标X1、Y1应满足以下关系[12]：

(7)

在偏移率测试中，可将工作区域分为若干个测试单元(在实验中为3 mm×3 mm的矩形单元)，以每个单元的顶点为触控点，记录触控点坐标和显示点的像素坐标，计算触摸垫上各个位置的偏移率C，用MatLab软件生成触摸垫触控点的偏移率网格图，如图3所示。

图3 触摸垫的偏移率网格图Fig.3 Grid map of deviation rate of touch pad

由图3可知，触摸垫中间区域输出偏移较小，边缘区域输出偏移相对较大，实际显示区域较理论显示区域向中心收拢；偏移率大于6%的区域存在于边缘，感应点越接近边缘区域偏移率越大。测试结果与朱维安等[9]的模拟结果一致。

3 电极形式对输出偏移的影响

为了解电极形式对触控装置输出偏移的影响，以偏移率为评价指标，分别对长电极(直角电极边长=72 mm)、短电极(直角电极边长=36 mm)和点电极(圆形电极直径=8 mm)的柔性触控装置作了偏移率测试，结果如图4所示。

比较图中的偏移率可知，长电极触摸垫线性区域(偏移率小于6%的区域)较大且比较集中；点电极式触摸垫线性区域较小，且线性区域存在较小的经、离散。增加电极长度一定程度提高了线性区域的面积，但幅度并不大。基于柔性与可携带性需求，选用点电极制作触控装置较优。

图4 不同形式电极触摸垫的偏移率网格图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 结 论

以非织碳膜为传感材料，运用表面电容式触控原理研制了柔性触控装置，包括触摸垫、控制器引线和表面电容控制器。测试了触控装置的线性度及分辨率，并以偏移率评价了电极形式对柔性触控装置输出偏移的影响。

1)电极长度为72 mm的触控装置在126 mm×72 mm工作区域内，触摸点和显示点间信号的线性度：X向为±4.40%，Y向为±4.39% ；分辨率为251dpi×243 dpi。

2)触摸垫中间区域输出偏移较小，边缘区域输出偏移相对较大，实际显示区域较理论显示区域向中心收拢；偏离大于6%的区域存在于边缘位置，触点越接近边缘区域偏移率越大。

3)长电极触摸垫线性区域较大且比较集中；点电极式触摸垫线性区域较小，线性区域存在较小的离散。增大电极长度一定程度提高了线性区域的面积，但幅度并不大。基于柔性与可携带性需求，选用点电极制作触控装置较优。

FZXB

[1] AXISA F, SCHMITT P M, GEHIN C, et al. Flexible technologies and smart clothing for citizen[J]. Transactions on Information Technology in Biomedicine, 2005, 9(3): 325-335.

[2] OGURA H Y, SATO K. Novel fabric tactile sensor[C]//Proceedings of IEEE MEMS′07 Conference, Hyogo: Micro Electro Mechanical Systems, 2007: 22-25.

[3] SWALLOW S S, THOMPSON A P. Sensory fabric for ubiquitous interfaces[J]. International Journal of Human-Computer Interaction, 2001, 13(2): 147-159.

[4] SANDBACH D L, CHAPMAN C, WALKINGTON S M. Flexible data input device: US, 20020134828A1[P]. 2002-09-26.

[5] 黄晓梅，唐虹，张琛琛，等．键盘织物一体化结构的构建和织造[J]．纺织学报，2010，31(8)：45-47． HUANG Xiaomei, TANG Hong, ZHANG Chenchen, et al. Integral structure and weaving of keyboard fabric[J]. Journal of Textile Research,2010, 31(8): 45-47.

[6] MAZZEO A D, KALB W B, CHAN L, et al. Paper-based capacitive touch pads[J]. Advanced Materials, 2012, 24(21): 2850-2856.

[7] 刘玲玲，丁辛．一种柔性触控装置的研制[J]．纺织学报，2011，32(9)：59-63． LIU Lingling, DING Xin. Development of a flexible touch pad[J]. Journal of Textile Research, 2011, 32(9): 59-63.

[8] PEPPER W. Touch panel system and method: US, 4353552[P].1982-10-12.

[9] 朱维安，郑寿云，陈莉，等．电容触摸屏的坐标定位分析[J]．电子测量技术，2009，32(5)：13-16． ZHU Weian, ZHENG Shouyun, CHEN Li, et al. Analysis on coordinate positioning of capacitive touch panel[J]. Electronic Measurement Technology, 2009, 32(5): 13-16.

[10] 梁红飞，刘建成．四线电阻式触摸屏线性度测试的研究[J]．传感器世界，2008，14(11)：22-25． LIANG Hongfei, LIU Jiancheng. Research on testing linearity of resistant touch panel[J]. Sensor World, 2008, 14(11): 22-25.

[11] 王贵明，宋玉海，梁小霞，等．一种触摸屏线性度的测试方法：中国，02125497．4[P]．2002-08-13． WANG Guiming, SONG Yuhai, LIANG Xiaoxia, et al. A test method of linearity of touch panel: China, 02125497.4[P].2002-08-13.

[12] 张耀麒．应用于电阻式触摸屏的ADS7846控制器[J]．电子科技，2006(9)：49-53. ZHANG Yaoqi. The ADS7846 controller used in the resistive touch screen[J]. Electronic Science and Technology, 2006 (9): 49-53.

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

蒋晶晶(1987-)，男, 硕士生。 主要研究方向为柔性触控装置的研制。 丁辛, 通信作者, E-mail:xding@dhu.edu.cn。

TP 212.1

A