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電子工程專輯論壇>自由討論>光電/顯示技術>深入電容觸控技術就從這個問題開始
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問題:

深入電容觸控技術就從這個問題開始

發表時間::2011/5/1 上午 10:37
 

作者: Idea

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下圖是最簡化的電容式觸控的模型
a2.jpg
   其中的R為ITO的電阻隨手指觸摸ITO電極的距離成正比改變,數值與ITO的厚薄成反比與ITO電極的線寬成正比,約在數K毆姆到數十K歐姆之間,C 為 ITO 的感應電容與所有的雜散電容之合,約在數 pF 到數十 pF,手指觸摸時,C 的改變量約為 1~5%,約0.1 fF 到 1pF之間,測量點為設計電路時可以測量到的點,R 與 C之間的位置是無法接觸到的。

   請問如何設計一種電路可以準確的測量出上圖的  R 值與 C 值。
   標籤: touch 觸控
Idea 編輯於 2011/5/1 上午 10:40
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第1樓

使用電荷不滅定律,可以準確的測量電容。

發表時間::2011/5/2 上午 4:28
 

作者: Idea

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(方法一) 使用電荷不滅定律,可以準確的測量電容。

a3.jpg
          用參考電容Cr充飽到電壓V,將測量端的電容C放電到0 電壓,
此時整個系統的總電荷為 Cr * V, 將開關放下,Cr電容開始對C電容放電,當達到穩態時,在測量穩態時的Cr電容上的電壓 Va,此時Cr電容上的電荷 Cr * Va,C電容上的電荷 C * Va,由於電荷不滅定律,
Cr * V = (Cr * Va) + (C * Va),可計算出
C= Cr * (V-Va) / Va
也就是Cr少掉的電荷等於C增加的電荷,上述的公式中不包含電阻R,所以ITO 電阻的變化不會影響電容的計算,堪稱簡單又好用。

 
Idea 編輯於 2011/5/2 上午 4:31
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第2樓 深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/3 上午 5:20
 

作者: Idea

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      上述的方法是我跨進觸控技術這領域用的第一種方法,只要對基本電子學有慨念的工程師都可以輕易的想到,也讓我產生很大的疑惑,測量電容其實很容易,為什麼大家卻做的很辛苦,其中必有緣故,於是動手實做看看能否知道個中緣由,這簡單的觸控實驗,整整困住我四個月,讓我真正領教到觸控其實非常不簡單,不是測量電容這麼單純,尤其是我做實驗用的工作桌,是讓我今天能在觸控領域獲得成功的最大因素,接下來我會把做實驗的心得為大家做報告,讓大家可以領教到這工作桌就竟有多神奇,以及觸控就竟是怎麼回事。
Idea 編輯於 2011/5/3 上午 5:21
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推薦閱讀 : 想了解Touch Panel投射式電容製程中需要用的材料
第3樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/3 下午 4:24
 

作者: cache

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     請 idea 說明詳細些
cache 編輯於 2011/5/3 下午 4:26
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推薦閱讀 : 電容式觸控技術其實可以很簡單
第4樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/4 上午 5:34
 

作者: Idea

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      首先要驗證電阻的變化不會影響測量電容值,上圖的電容器C使用 100pF,電阻 R 使用 100K歐姆的可變電阻,開關使用 CD4053 , 初始的V使用 5Volt,固定電容Cr 使用 470pF,使用 ADLINK 的 PCI-9111 12 Bits ADC讀取在進入穩定狀態下的電壓,變換不同的電阻值重複實驗,讀取的電壓變化量小於1%,在實驗誤差範圍內,更換不同值的 電容器 C 結果讀取的電壓值則明顯不同,C 的電容值愈大,讀取的電壓值愈小,反之C 的電容值愈小,讀取的電壓值愈高,證明理論為正確。

       更換 C 的電容值,由 1pF 到 100pF間隔 1pF實驗一次,紀錄其電壓值,如此可以排除電路雜散電容的影響,用比對的方法測量出觸控面板的電容值,使用觸控面板取代電容器C,讀取電壓值,再與上述之1pF ~100 pF的實驗數值比較,取得最接近的兩端電容值,利用插執法預估出實際的電容值,例如使用觸控面板實驗時得到的數值在20pF與 21pF的數值之間,可計算出觸控面板的電容值為20.1 ~20.9 pF,看讀取的數值較接近20pF或 21pF而定。

     實驗用的觸控面板為單層條狀佈局ITO,寬度 5mm ,長度 65mm,共計 8條平行的ITO導電電極,沒有遮蔽層,實驗結果讀取的數值變化非常不穩定,不像使用固定電容時讀取的數值穩定,如此可以證明觸控面板的電容特性為隨時間(或隨環境因素)改變電容值的可變電容,而不類似單純的固定電容,然後當手指接觸時,讀取數值的變化範圍更加擴大(雜訊),超過沒接觸時所產生的變化(訊號),讓接觸動作不能輕易的被辨認。

      重複1000次讀取沒接觸時的數值取其平均值,1000次接觸時的數值取平均值,計算兩平均值的差作為訊號的變化量,如此測量到的變化量約可達3~6%,可是不同的人接觸時產生的變化量不同,穿鞋子與不穿鞋時也不相同,接觸的面積不同與接觸時用的力量不同也會造成明顯的差異,使用同一手指但不同的部位來接觸也會不同,看來能夠造成不同的原因非常多,足以影響觸控的識別。
Idea 編輯於 2011/5/4 上午 5:36
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第5樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/4 下午 4:50
 

作者: Idea

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      不斷的重複做實驗,希望找出關鍵的影響因素,優先懷疑是AC電源造成的影響,將供電的Switching Power更改成鋰電池供電,將示波器的電源接上UPS,由UPS的電池供電,電容改變的狀態減少一些,確定AC電源會對測量觸控面板的電容值產生影響,改用Cypress的發展系統取代電腦以及ADLINK ADC9111,用 Psoc 5內部的 ADC讀取電壓值,用發展系統的LCD顯示結果,不用示波器,完全隔離AC電源的因素,效果又改善一些,但變動量依然大於訊號,無法成功的識別接觸是否發生,使用PSoc 5內部的多工選擇器,掃描8條 ITO電極,可以成功分辨出相對的大小,有手指接觸到的ITO電極讀到的電壓較小,表示電容值較大,但不同次的實驗表現出的相對大小卻不穩定,有時幅度大,有時幅度小,雖然可識別卻不一定每次成功,對這結果我並不滿意,希望能再突破,相信有許多的觸控技術研發團體,都與我一樣碰到相同的障礙無法跨越,然後使用軟體演算法來解決。

      四個月的時間,重複上千次的實驗,總算靈機一動想出解決的辦法,一舉將3~6%的訊號變動量一次增加到 100~300%的訊號變動量,成功的跨越障礙,完成第一次的大突破,讓電容式觸控變簡單。
Idea 編輯於 2011/5/4 下午 4:50
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推薦閱讀 : 深入電容觸控技術就從這個問題開始
第6樓 使用能量不滅定律,可以準確的測量ITO電阻R。 發表時間::2011/5/6 上午 8:43
 

作者: Idea

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(方法二) 使用能量不滅定律,可以準確的測量電阻R,與電容C的大小無關。
3.jpg

      
       上圖的回路中,只有電阻會消耗能量,電容不會,所以計算能量可以計算出回路上的總電阻,其中
Rf為已知,因此ITO的電阻R可以測量得知,觸控位置也就可被測量得知。

Idea 編輯於 2011/5/6 上午 8:50
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推薦閱讀 : 電容式觸控技術其實可以很簡單
第7樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/9 上午 10:08
 

作者: Idea

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關於上述理論的說明,因為較為複雜,避免在此累述,請至部落格參考。
http://superctouch.blogspot.com/
Idea 編輯於 2011/5/9 上午 10:45
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第8樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/10 上午 9:48
 

作者: Idea

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      上述測量電容與電阻的方法與傳統的方法不同之處,在於不確定的電容值與電阻值不會互相影響,可以用來設計大尺寸的單層式觸控面板 Touch Lens 。
Idea 編輯於 2011/5/10 上午 9:49
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推薦閱讀 : 觸控面板的終極解決方案 Touch on Cover Lens
第9樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/13 上午 9:33
 

作者: Idea

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      電容式觸控發展至今,許許多多測量電容的方法被提出,而測量電阻的技術卻沒什麼人著墨,隨著觸控面板的尺寸越來越大,ITO的鍍膜越來越薄,面臨的ITO電阻問題造成的困擾越大,與其在觸控面板上想破腦袋,不如由根源的觸控方法來解決,可能相對容易。
Idea 編輯於 2011/5/13 上午 9:35
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推薦閱讀 : Apple 的第二代的新觸控面板,透露出什麼訊息。
第10樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/5/16 上午 10:45
 

作者: Idea

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      ATmel 與 Microchip 的電荷移轉技術也是基於電荷不滅的原理,所以 ITO 的電阻不會造成影響,參考ATmel的設計可以發現,為了降低雜訊還會刻意的串上電阻。

      對ITO電阻敏感的技術要以Apple的阻抗分壓的方法影響最大,因為 Apple 的觸控方法無法分辨電壓向量的變化來自電容的變化還是ITO位置不同時電阻不同所產生的變化,除非Apple 增加測量相位變化的功能,增加相位移偵測電路會讓Apple原本已經很複雜的電路變得更複雜。
Idea 編輯於 2011/5/16 上午 10:49
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推薦閱讀 : 各家觸控技術的SNR比較
第11樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/7/22 上午 9:18
 

作者: tino

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超強的 IDEA 大大... 佩服!!
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推薦閱讀 : 關於日本四大廠之光學PET Base film
第12樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/7/31 下午 9:28
 

作者: Charles888

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一舉將3~6%的訊號變動量一次增加到 100~300%的訊號變動量
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推薦閱讀 : Apple 的第二代的新觸控面板,透露出什麼訊息。
第13樓 使用電荷不滅定律,可以準確的測量電容。 發表時間::2011/8/9 下午 9:37
 

作者: linn

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請教idea大大
可否留給我您連絡網站,有些問題想請教您
lcs5441@mail2000.com.tw  這是小弟我mail
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推薦閱讀 : 需求大量的光學級PET薄膜
第14樓 回覆主題:深入電容觸控技術就從這個問題開始 發表時間::2011/8/23 上午 11:13
 

作者: JamesWu

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不論如何
ITO的電阻 都會影響整個系統的反應速度  
所以你的結論可能要修正ㄧ下喔
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推薦閱讀 : 需求大量的光學級PET薄膜
第15樓 回覆14樓 發表時間::2011/8/24 下午 3:26
 

作者: Idea

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   ITO電阻對反應速度的影響,以RC時間來看 pF級的電容與百K級的電阻組合時間延遲小於 1 us,大部分的觸控技術,取樣頻率都在數百 us,所以影響反應速度的不是RC產生的時間延遲,最有可能的是,ITO電阻增加造成誤判的機會增加,影響到反應速度,如果ITO電阻的增加不會造成誤判,相對的反應速度是不會受到影響的。
Idea 編輯於 2011/8/24 下午 3:28
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