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电容式触摸感应技术中的电容物理学

—— Physics of Capacitive Sensing
作者:何燕冬 北京大学微电子系 杨龙 Ansoft公司高级应用工程师 彭涛 Cypress公司触摸事业部主要电路及系统设计工程师时间:2009-08-07来源:电子产品世界

  引言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/96983.htm

  式触摸屏设计制造技术是材料物理与电子技术相结合的产物[1-3]。材料特征参数、三维结构(stackup)和二维版图形状 (layout) 决定了触摸屏的全部电学特性。这些电学特性可以用等效的分布式阻抗电路来描述,并可以与感应拾取电路一起在电路仿真系统中进行完整的系统模拟。

  在上述的系统设计流程中,两个最重要的环节是, 第一, 正确全面的获得电阻、及其拓扑结构的信息, 第二, 正确区分手指触摸后的感应电容和寄生电容。这些往往与所选用的电路有着极为密切的联系[4-5],而其中对于各种电容性质的正确认识是最基本也是至关重要的。由于电容式触摸屏技术中涉及到众多的电容类型,如何得到正确的电容特性成为大多数工程教育背景的开发人员所面临的一个难点问题。本文将运用基本原理,对分布在触摸屏上的不同电容特性进行分析。

  基本概念

  这里的核心物理问题是,什么叫电容?电容是一种电荷储存器件。对这个概念的一种错误理解经常是:电容是净电荷的积累。事实上,电容可以进一步描述成等量的正负电荷在两个电极分布的一种储存结构,这里的两个关键词是:等量,两极。我们可以用物理中的概念将这两个关键词联系在一起:从正电荷出发终止于负电荷。电力线的存在决定了电容的存在,电力线的路径和密度决定了电容的性质和大小。

  触摸屏寄生电容物理模型

  先看一下最简单的平板电容, 如图1所示。虚线是电力线。众所周知的平板电容表达式为:

  这个公式成立的前提假设是:W>>d,L>>d。其物理含义是:全部电力线平行的分布在两个平板之间。

  对比一条状金属与平板之间的电容。先画出它的电力线分布图,如图2所示。

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