电容式触摸屏中寄生电容原理及测量方法探讨

龙玲丽 张樱凡 何宜洋

（西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳621000）

0 引言

以往电容式触摸屏中寄生电容的大小通常都是根据经验所得，一般设定在5～15pF［1］范围内，但是这种基于经验的设计在实践中会带来触摸精度不够高等问题。寄生电容的测量在以往的研究中讨论得比较少，但在触摸按键的设计过程中，如果能够通过实验准确测出寄生电容的大小，就可以为触摸按键的参数设计提供理论计算值，并且可以对触摸按键中的寄生电容值大小进行定量更改。下文介绍并分析了一种寄生电容的测量方法。

1 寄生电容设计分析

电容式触摸屏的结构如图1所示。

图1 电容式触摸屏结构

寄生电容就是图1中的PCB与覆铜的电极X、Y构成的。

在触摸按键的设计过程中，寄生电容的大小表达式为：

式中，ε为介电常数；s为耦合面积；d为极板间的距离。

因为电容的大小跟这3个因素有关，所以通过改变电容的这些因素，就可以改变电容值的大小。共有3种方法，分别为改变极距、改变面积和改变介质。下面就着重讨论这3种因素对电容值的影响以及这些因素的变化会对寄生电容传感器灵敏度、线性度带来哪些影响。

1.1 变极距型寄生电容

下面讨论变极距型电容传感器的灵敏度和非线性。平行板电容器的电容量由式（1）可知。假设两极板间距离的初始值为d0，电容器初始电容为c0，当极板间距有一定增量时Δd，传感器的电容为：

可求得：

当Δd／d0〈〈1时，上式可以展开成级数形式：

于是灵敏度K为：

由式（5）可知，极距变化型电容式传感器的灵敏度并非常数，只有比值Δd／d0很小时，才可认为是近似线性关系。当ε和s固定不变时，灵敏度K与极距d的平方成反比，极距d越小，灵敏度越高。由于灵敏度随极距变化，这将引起该寄生电容传感器的非线性误差，故对于极距d的选取至关重要，太大可以增加灵敏度，但会造成非线性误差增大。

1.2 变面积型寄生电容

设极板的初始耦合面积为s0，电容器初始电容为c0，极板耦合面积的变化为Δs时，传感器电容为：

可求得：

灵敏度为：

由此可知，变面积型的寄生电容，其变化面积的大小不影响测量灵敏度，测量的线性度也非常好。

1.3 变介质型寄生电容

介质变化型电容的结构原理如图2所示。由图2可知，电容量为：

其中：

图2 介质变化型电容

式中，b为宽度；ε1为空气的介电常数；ε2为可移动介质的介电常数；l为极板的长度。

设在极板中无ε2介质时的电容量为：

将cA、cB带入式（12）可得：

灵敏度为：

由上式推导可知，电容量c与线位移x呈线性关系。灵敏度K也是定值，只与可移动介质和进入极板内的长度有关。

1.4 小结

在设计触摸按键的寄生电容时，覆铜的厚度、面积大小以及PCB与电极之间的材料都会影响寄生电容的大小，也会影响寄生电容传感器的灵敏度、非线性大小等。

电容式触摸屏的设计中，寄生电容传感器的设计尤其重要，其极板间距、耦合面积、极板间介质就直接影响了触摸的灵敏度以及传感器的线性度。通过对寄生电容的提取测试，可以定量判断寄生电容的大小设定是否满足设计的需要，有非常重要的意义。

2 基于电荷放大原理的电容测量电路

前面提到，寄生电容值很小，测量很不方便，因此要对寄生电容进行测量，就需要用特殊电路来实现。下面提供了一种测量寄生电容的方法。

基于电荷放大原理的电容测量电路［2］如图3所示。

图3 基于电荷放大原理的电容测量电路

该种测量微小电容的方法在很多其他地方都有使用，触摸屏中的寄生电容向来都是根据设计者的经验来设定的，没有一定的准确性，用电荷放大电路的实质就是将输入信号在开关的几种控制状态下经过各级运放得到输出信号，通过输出信号与输入信号之间的关系来求出寄生电容的大小。

电路图中Vi是激励信号源，运放U1、电容Cf和开关S1构成电荷放大器；开关S2、S3和运放U2、U3组成基本采样保持器，U4为仪表放大器。

电路开始工作时，Vi输入初始电压Vi1，Vi1为高，开关S1、S2、S3闭合。因为S1闭合，U1输出0。在第一个时刻S1断开，在电荷注入效应的作用下，注入电容Cf，U1输出降低至VL。U2输出随U1输出降低，一段时间后U2的输出趋于稳定。在第二个时刻，断开S2，U2采样保持，U2输出Vo2＝VL。在第三个时刻，激励源Vi由高Vi1向低Vi2跳变，幅度为：

电压变化使电容Cx右极板产生感应正电荷，其电量为：

此时U1输出上升为：

U3输出随U1输出上升，一段时间后U3输出趋于稳定。在第四个时刻，S3断开，采样保持电路作用下U3输出Vo3＝VH。此时仪表放大器U4输出为：

图中Ca和Cb是每个电极上所有杂散电容的等效电容。由激励源驱动的Ca对流过被测电容的电流没有影响。理论上，Cb始终处于两端无电压差的虚地状态，但实际上在加激励信号后，激励电压同时作用于Cx与Cb上，由于Cx上产生的激励电荷远远大于Cb产生的激励电荷，Cb被大大抑制，因此测量结果也不会因为Cb存在产生影响。

在测试电路中只需要知道Vo、Cf、Vi1、Vi2，即可求出寄生电容的大小。测试中设定Cf的大小为5pF［2］，因此通过测得几组数据便可求得Cx的大小。

3 测试结果与分析

测试这种电路是否符合要求时，拿了一个容值为10pF的小电容进行实验，对比一下经过这个电路后的测试结果，即可判断该电容测试电路的精确度。

测试结果如表1所示。

表1 电荷放大电路对已知微小电容的测试结果

由表1可知，测试结果的误差率比较低，接近实际值，说明该电容测试电路有效，可以用来测量微小电容的大小，且精确度较高。

4 结语

本文就触摸按键中的寄生电容传感器作了两方面的讨论：一是对寄生电容传感器测量的几种类型作了理论误差和线性度的详细分析，表明在设计中该电容的重要意义；二是基于触摸按键中这一电容的重要性，探讨了一种可以测量该寄生电容大小的电路。以往的电容式触摸按键设计都是靠一些有经验的设计者根据经验值估计得到寄生电容大小，本研究提供的方法可以较为精确地测量出这一容值，并通过对寄生电容大小影响因素的理论探讨，可实现设计过程中对电容大小的定量更改，为以后的触摸按键设计提供理论基础，具有很好的参考意义。

［1］田野，廖明燕.基于充放电原理的电容式触摸按键设计［J］.电子设计工程，2010（10）

［2］王雷，王保良，冀海峰，等.两相流检测ECT高速数据采集系统的研制［J］.浙江大学学报：工学版，2002（2）