电容式触摸屏技术综述

赵海增 刘腾飞

摘 要：本文从触摸屏硬件结构的角度总结了电容式触摸屏的发展历程，并重点分析了电容式触摸屏的两种内嵌式结构，即On-cell结构和In-cell结构，展望了电容式触摸屏技术的未来发展趋势和方向。

关键词：电容式触摸屏；On-cell；In-cell

中图分类号：TN873 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）19-0010-03

A Review of Capacitive Touch Screen Technology

ZHAO Haizeng LIU Tengfei

（State Intellectual Property Office Patent Office Patent Eeview Cooperation Henan Center，Zhengzhou Henan 450018）

Abstract： This paper summarized the development history of capacitive touch screens from the perspective of the touch screen hardware structure， and two embedded structures of capacitive touch screen， namely On-cell structure and In-cell structure， were emphatically analyzed， and the future development trend and direction of capacitive touch screen technology were prospected.

Keywords： capacitive touch screen；On-cell；In-cell

1 电容式触摸屏的概念

目前，有多种类型的输入设备可用在计算系统中执行操作，如按钮或按键、鼠标、轨迹球、操纵杆、触摸传感器面板、触摸屏等[1]。触摸屏因操作容易、通用性较强及价格不断降低而变得越来越流行。触摸屏主要分为以下几种：电阻式触控屏、电容式触控屏和声波式触控屏。而目前手机上应用最多的就是电容式触摸屏。电容式触摸屏已经成为市场上人机交互的主要部件，与传统电阻屏、红外线触摸屏相比，能提供更好的用户体验效果。

电容式传感器利用一个透明的电容传感器阵列进行工作，按电容形成的方式，其可分为自电容触摸屏和互电容触摸屏。其中，自电容触摸屏是利用传感电极与交流地或者直流电平电极形成的电容值的变化作为触摸传感信号；互电容式触摸屏是利用两个电极间形成的电容值的变化作为触摸传感的信号，有时也把互电容成为投射电容，其结构原理如图1所示。利用X-Y电极检测手指/专用触摸装置接触时因电容变化导致的电压变化，就可以判断出人体或者专用触摸装置在触摸区域内的触摸情况。

从结构来看，电容触摸屏屏幕的基本结构分为三层：保护玻璃、触控层和显示面板。保护玻璃就是最外层的玻璃盖板；触控层由ITO触控薄膜和ITO玻璃基板组成，是触摸屏最重要的一部分；显示面板可细分的程度高。这里只大致进行排列：从上到下，分别是上玻璃基板、液晶层和下玻璃基板；最后将保护玻璃、触控层和显示面板利用贴合技术贴合在一起就形成一个完整的触摸屏[2]。

2 电容触摸屏技术发展历程及其现状

2.1 电容触摸屏技术发展历程

最初的电容触摸屏就是将保护玻璃、触控层和显示面板贴合在一起。然而随着科技的发展，以及消费者对轻薄和触控性能的追求，电容触摸屏越來越趋于轻薄化，触控也由最初的单点触摸发展为多点触摸。从其轻薄化发展来看，其实现方案主要有以下五种：

①G+G：主要使用的是双面ITO玻璃，在玻璃基板上溅镀ITO的方式，属于玻璃电容式触控面板，厚度较厚。

②G+F+F：采用2张ITO薄膜传感器，外加一层保护玻璃，属于薄膜电容式触控面板，与G+G方案相比，厚度有所降低。

③OGS：是将触控屏与保护玻璃集成在一起，在保护玻璃内侧镀上ITO导电层，直接在保护玻璃上进行镀膜和光刻，这是目前国内采用较多的一项技术。

④On-cell：是将触控屏与显示面板集成在一起，将ITO触控薄膜放在显示面板的上玻璃之上，三星几代Galaxy旗舰就是采用这种形式。

⑤In-cell：是将触控屏与显示面板集成在一起，将ITO触控薄膜放在显示面板的上玻璃之下，一般是与液晶层融合在一起，代表机型是苹果的iPhone 5。

现在重点围绕目前较为热门的On-cell技术和In-cell技术进行分析。

2.2 On-cell技术

如图2所示，显示器的组成从上到下依次有上偏光片、上玻璃基板、彩色滤光片、液晶、TFT、下玻璃基板和下偏光片。On-cell技术是指将触摸屏和显示面板集成在一起，将触摸屏嵌入显示屏的彩色滤光片基板和偏光片之间的技术。

苹果公司于2009年6月24日提出了公开号为CN101467119A，发明名称为触摸屏液晶显示器。该发明公开的是将触摸感测部件与显示器电路相集成的液晶显示器（LCD）触摸屏，具体可以参照图3。

在滤色器（CF）板）（如顶部玻璃层）顶部可以图案化两个附加的氧化铟锡（ITO）层（ITO1 1301和ITO2 1302）。这些层可用于触摸传感器的触摸传感和触摸驱动部件，其中所述触摸传感器可以是互电容触摸传感器。这些ITO层可以被图案化成列和/或行（如图1所示），并且可以由电介质分开，如由玻璃基底或是薄（如5～12mm）SiO2层分开。

上述实施方式是将触摸传感器设置在显示面板的彩色滤光片上，其还可以设置在上偏光板面向上玻璃基板的一侧、上玻璃基板的上侧或下侧，两个触摸传感器可以同层设置，也可以异层设置。与OGS技术相比，该结构的厚度较薄，由于只需在彩色滤光片和偏光板之间形成透明电极图案，因此容易确保成品率，但尚存在触控时产生的颜色不均匀的问题。

2.3 In-cell技术

与OGS技术相比，On-cell虽然降低了触摸屏的整体厚度，但结合On-cell的结构可知，其在集成到显示面上时，通常需要在显示面板原有器件的基础上，增加新的触摸感测用电极结构，且由于触摸电极结构设置在彩色滤光片上部，对显示面板的显示效果产生了影响，容易使得显示画面颜色不均匀。为了解决该技术问题，出现了一种新的内嵌式触摸屏结构，将触摸面板功能嵌入到液晶像素中，即In-cell技术。

例如，专利文件CN104133590A于2014年11月5日公开了一种内嵌式触控面板及其制造方法，该内嵌式触控面板包括：阵列基板；第一绝缘层，位于阵列基板的上方；驱动电极，设置于第一绝缘层且电性耦接至触控驱动线；多条数据线，与驱动电极位于同一层；第二绝缘层；共通电极，位于第二绝缘层的上方且经由一过孔电性耦接至驱动电极。与现有技术相比，本发明将驱动电极与数据线设置于同一层，藉由过孔和驱动电极，从而使共通电极电性耦接至触控驱动线。如此一来，该触控面板不必形成网格状的金属层，触控信号走线在感测区块内部即可实现，因此也无需额外地扇出区域来容置该走线宽度，有利于触控面板的窄边框设计，相对增加了触控区域面积，降低了制造成本。

In-cell技术由于将触摸电极嵌入到液晶像素中，屏幕的显示画面得到了改善，屏幕的画面要比使用On-cell技术的屏幕更清晰，能够获得更好的用户体验。

2.4 On-cell技术和In-cell技术比较

On-cell技术和In-cell技术都降低了触摸屏的整体厚度，将触摸电极集成到显示面板的内部，与将触摸面板和显示面板相黏合的技术相比，其省略了一层玻璃盖板和基板，因此大大减小了触摸屏的整体厚度；其次，彩色滤光片包括彩膜基板，设置有黑矩阵和公共电极，而TFT基板由TFT晶体管、存储电容、像素电极等构成，On-cell技术中，触摸电极可以和公共电极同层设置、部分复用或者全部复用，进一步降低触摸屏厚度，而In-cell技术中，触摸电极可以和像素电极同层设置、部分复用或者全部复用，进一步降低触摸屏厚度，因此二者在降低触摸屏整体厚度方面的贡献不分上下。

由于On-cell技术中触摸电极位于彩色滤光片上侧，而In-cell技术中，将触摸电极嵌入了液晶像素中，位于彩色滤光片的下侧，因此，In-cell技术的屏幕画面比On-cell技术中的屏幕画面更为清晰。但是，将触摸电极集成到液晶像素中，其技术难度要比On-cell更为困难，且一旦损坏，损失的不仅仅是触摸屏，显示屏也将连同一起报废，导致产品的生成成本较高，因此二者各有利弊。

由于On-cell技术和In-cell技术通常采用触控电极与显示面板电极复用的方式以进一步降低显示屏的厚度，因此，通常采用分时法进行触控感测和显示，即将一个显示帧的时间切成显示周期和触控感测周期，在显示周期中，显示面板的电极用于显示画面，而在触控感测周期，显示面板的电极复用为触控电极，进行触控感测。此种分时工作方式随着显示面板的分辨率越来越高，显示驱动集成電路所需刷新的像素也越来越多，因此需要的时间也越来越长。但是，显示帧更新率必须维持在60Hz以上，即每一帧都只有16.6ms。由于显示面板的分辨率越来越高，在16.6ms内要执行显像及触控感测越发困难，反过来，这也限制了影像分辨率的提升，因此，二者还需要在触控感测灵敏度和显示效果提升方面作进一步改进。

3 电容触摸屏未来发展方向和动态

目前，基于On-cell和In-cell技术的内嵌式电容触摸屏技术已经得到了普及，但其仍有很大的发展空间，将触控电极嵌入到显示面板中需要使用复杂发半导体制造工艺，尤其是在In-cell技术中，将触摸电极集成到液晶像素中，因此，进一步提高制造工艺，以提高成品率是电容触摸屏未来发展的方向之一。

对于直接在显示面板中增加触控电极，不采用分时处理的内嵌式触摸屏而言，由于显示与触摸操作同时进行，因此，显示信号必定对触摸感测造成干扰，显示与触控感测的信号防干扰也是研究热点。

现有触摸屏的触摸精度和灵敏度虽然已经能满足人们的日常需求，但随着科技的进步和触摸控制在日常生活中的广泛应用，人们一直在追求更高的精度和灵敏度，且电容触摸屏在其硬件结构上的发展空间已达到一个瓶颈，各知名企业和研究单位将更多精力放在了软件提升上，未来有望在精度、灵敏度和多点触控等方面进一步提升电容触摸屏的性能。

目前，日本、台湾、韩国和美国都是电容式触摸屏领域研究机构和生产的重要聚集地，且实力强劲，其中苹果、三星和JDI等不仅技术领先，而且在美国、中国、欧洲市场中均有较强的影响力；而中国的京东方、欧菲光和上海天马等专注于触摸显示技术的企业也不断在崛起，且已经进行了专利布局，未来有望在该技术领域处于领先与主导地位。

参考文献：

[1]越石健司.触摸屏技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2014.

[2]周志敏，纪爱华.触摸屏实用技术与工程应用[M].北京：人民邮电出版社，2011.