1 引 言

电容触摸屏在消费类电子产品中已有广泛的应用，比如手机、电脑、电视以及游戏机等。它具有多点触摸的优点，可实现划线、拖拽、放大缩小等复杂手势操作，具有良好的人机交互功能，近几年也逐步应用在工控、医疗等领域的高端显示器上，但应用中也有一些难题需要攻克。首先，因电容触摸屏由多层玻璃或多层膜结构组成，且下层玻璃或膜层有ITO镀层，贴在显示器表面，具有较高的反射率且存在眩光现象，直接影响显示器的显示效果和可读性。其次，高端显示器对电磁兼容有较高要求，而基于电容触摸屏的工作原理，其存在较强的电场辐射发射能量，可能会干扰其他设备，也容易受到外界电场干扰，导致出现误报点或者无法触摸的情况。电磁兼容问题在中大尺寸的触摸屏上更为突出。为解决这些难题，开展了电容触摸屏的减反、防眩和电磁兼容研究。

1 电容触摸屏的工作原理及堆叠结构

1.1　工作原理

电容触摸屏是利用透明电极与触摸体之间的静电耦合所产生的电容变化来实现触摸的。当手指接触触摸屏时，手指作为导体，会和触摸屏的Sensor（ITO导电层）形成外部电容，外部电容和Sensor自有的内部电容形成并联电路，改变内部电容的容量。通过高频交流电检测电容容量的改变，计算出触摸点的位置。

电容触摸屏可分为表面电容式和投射电容式两大类，而投射电容触摸屏又分为自电容模式和互容式电容模式^[1]。其中，表面电容式触摸屏和投射自电容式触摸屏无法实现真正的多点触摸。因此投射式互容触摸屏是目前主流的电容触摸屏。

投射式电容屏的互容实现方式如图1所示。利用两个电极传输电荷，通常一端接激励，称为TX，另一端接采样电路，称为RX；上电后，当无手指触摸时，TX和RX之间形成稳定的电容值，这个值称为Baseline。当手指由远及近靠近电容触摸屏的时候，RX的感应电容逐渐发生改变，此时RX的感应电容值越来越小于Baseline，通过检测RX的感应电容是否低于设定的阈值来判定触摸位置^[2]。

图 1. 互电容示意图

Fig. 1. Diagram of mutual capacitance

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1.2　主流堆叠结构

目前主流的电容触摸屏依然采用ITO作为电极层，根据电容触摸屏Sensor使用材料的不同，可以分为如下两种：Film电容屏和Glass电容屏，Film电容屏的Sensor采用PET镀膜（ITO Film）技术实现，Glass电容屏的Sensor采用玻璃镀膜（ITO Glass）技术实现，二者的对比见表1。

依据Sensor的材料和ITO的位置不同，电容触摸屏主要有3种屏体堆叠方式^[3]，GG(Cover Glass⁃Glass Sensor)^[4]、GF(Cover Glass⁃Film Sensor)^[5]、OGS （One Glass Solution ）^[6,7]，其性能对比见表2。

2 电容触摸屏的减反、防眩技术

基于可靠性考虑，高端显示器的电容触摸屏优先选用GG结构，对重量敏感的产品会选用GF结构，但减反方案一致。GG结构的电容触摸屏由两片玻璃组成，下层玻璃有ITO镀层，界面数量的增加和折射率差值增加都提高了显示器的反射率，从而影响显示效果和可读性，其各层反射率分布如图2。

图 2. 带电容触摸屏的显示器反射率分布

Fig. 2. Reflected ambient light from an LCD with a CTP

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光线从一种介质进入另一种介质在界面上都会产生反射，反射光线强度与入射光强度的比例就是反射率，法线方向反射时反射率R为：

R＝((n₁-n₂)/(n₁+n₂))²

n₁、n₂分别是两种介质的光折射率。入射角越大，反射率越高。已知各介质的折射率，由上述公式可计算出，当原始状态电容触摸屏贴合在液晶屏表面，在法线方向的反射率就高达6.8%左右(见表4)，不能满足高端显示器的要求。

有效降低反射率的方法有两种：一是镀AR膜层，这种多层膜可以实现折射率匹配，降低介质间的折射率差值，从而降低了反射率；二是圆偏光片减反，圆偏光片由线偏光片加延迟片组成，通过延迟片改变反射光的偏振态，使触摸屏内部的反射光偏振态与表面线偏光片的角度正交，从而达到消光的目的，大幅度降低了反射光的强度。在表面镀AR膜层，可以将反射率降低至3.05%左右，若两种方法结合使用可以使反射率降低至1%以下，AR膜层和圆偏光片在电容触摸屏上的应用如图3所示，具体数据如表4。

图 3. AR膜和圆偏光片在电容触摸屏上的应用

Fig. 3. Application of AR film and circular polarizer on CTP

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圆偏光片中线偏光片角度需要和液晶屏上偏光片角度一致，否则会造成显示器的亮度损失。

AR处理可以有效地降低反射率，但无法解决眩光问题，外界景物在显示器上产生目视清晰的影像（如灯影或者人影等），影响信息判读。为实现减反和防眩光效果，需对盖板玻璃表面先进行AG处理，再镀AR膜层。AG处理是通过化学蚀刻或喷涂的方式，使玻璃表面变为凹凸不平的颗粒状（见图4），达到漫反射的作用，减少到人眼的反射光，使观察者体验到更佳的视觉效果，如图5。一般评估AG的主要参数包括雾度、光泽度等，光泽度越低，雾度越高，它表面的漫反效果就越好，外界的眩光影响就越小，但图像清晰度会有所下降，因此需要综合考虑确定参数。

图 4. 显微镜下AG玻璃的表面状态

Fig. 4. Surface state of AG glass under microscope

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图 5. AG处理前后的视觉效果对比图

Fig. 5. Comparison of visual effects before and after AG processing

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3 低辐射、抗干扰电容触摸屏技术

基于电容触摸屏的工作原理，无法在其表面贴屏蔽材料，因此，在工作频率存在较高的辐射能量^[8]，有干扰其他电子设备的风险，也易受到外界电场的干扰，可能会出现误报或死机。用于高端显示器后，主要影响的是电场辐射发射能量、电场辐射敏感度以及静电放电敏感度等项目测试结果。

测试原始状态的80 cm电容触摸屏在10 kHz~18 GHz频段（电容触摸屏在高于18 GHz频段的电磁辐射发射能量较低，可忽略）的电场辐射发射，发现其工作频率处的电场辐射发射能量较高，超出一般标准，其他频段也接近限值，见图6；在200 V/m的电场辐射敏感度测试过程中，出现误触现象；在进行接触放电8 kV和空气放电15 kV的静电放电敏感度测试时也出现触摸无反应现象。

图 6. 原始状态80 cm电容触摸屏电场辐射发射图

Fig. 6. The electric field radiation emission of original state 80 cm CTP

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研究发现，可以从屏蔽、接地、触摸屏参数设置三个方面降低电容触摸屏的电场辐射能量，提高其抗干扰能力。

3.1　屏蔽

电容触摸屏一般与液晶屏一起配对工作，放置在液晶屏上面，液晶屏工作时，V_com一直处于翻转状态，干扰到电容触摸屏，使其信噪比大幅度减小，严重时会导致触摸屏无法正常工作。解决这种干扰主要有两种方式，一是增加二者之间的距离，二是增加屏蔽层。高端显示器对可读性和可靠性要求高，一般采用全贴合的方式来提高显示效果和可靠性，无法增加二者之间距离。因此为避免液晶屏的干扰，在电容触摸屏和液晶屏之间增加屏蔽层。

3.2　接地

为提高电容触摸屏抗静电的干扰能力，在触摸屏Sensor四边设计有静电接地环线，接地环线必须接地才能起到抗静电干扰的作用。

高端显示器中，电容触摸屏后的屏蔽层四边都与金属机壳导电搭接，金属壳体与接地系统保持良好的接触，从而实现屏蔽层与接地系统的连接。

通过屏蔽和接地处理可以有效将电容触摸工作频率处的电场辐射发射能量降低11 dB左右，其他频段也有大幅度降低，见图7，可满足一般标准。

图 7. 屏蔽、接地后的电场辐射发射图

Fig. 7. The electric field radiation emission after shielding and grounding

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3.3　电容触摸屏参数的调整

用于工控、医疗等领域的触摸屏IC，为了支持厚手套模式等特殊需求，默认的工作电压较高，存在较大的辐射能量。通过屏蔽、接地手段可以使其电场辐射发射能量满足一般标准，但无法满足较为严格的特殊标准，见图7。因此，若无特殊使用要求，比如厚手套操作等，可以通过降低电容触摸屏的工作电压来降低电场辐射能量，使满足特殊标准，见图8。但是若将触摸屏工作电压降低太多，会影响触摸体验以及抗干扰能力，需要根据整机实际情况进行调整。

图 8. 调整触摸屏参数后的电场辐射发射

Fig. 8. The electric field radiation emission after adjusting CTP parameters

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屏蔽、接地以及触摸屏工作电压的调整都能有效地降低电容触摸屏在电场辐射发射能量，尤其是其工作频率处，对比见表5。工作频率的波动属于测试误差。

另外，当外界干扰信号频率同触摸屏脉冲工作频率一致或者是其倍频时，电容触摸屏更容易受到干扰，出现误报。为避免这一干扰，可以采用跳频的方法解决，即当检测到触摸屏在工作频率受到一定干扰时，跳到另一组工作频率工作，从而避开干扰。

通过上述的屏蔽、接地处理，配合调整电容触摸屏工作电压和频率，可使电容触摸屏具有较好的电磁兼容性能，达到表6所示的要求。

仅通过屏蔽、接地以及触摸屏的跳频设置处理可以使80 cm电容触摸屏的电场辐射发射满足一般标准，通过200 V/m的电场辐射敏感度和接触放电8 kV，空气放电15 kV的静电放电测试。若对电场辐射发射能量有更严格的要求，需要降低电容触摸屏的工作电压。调整工作电压使满足特殊标准后，电场辐射敏感度和静电放电依然可以满足上述要求。

4 总 结

文章就电容触摸屏的减反、防眩和电磁兼容技术展开了研究。通过在触摸屏表面玻璃镀AR膜和AG处理，并配合使用圆偏光片，可以将电容触摸屏的反射率从6.8%降至0.85%，较大程度地降低反射率，同时也实现防眩光效果，提高了图像可读性；通过对电容触摸屏进行屏蔽和接地，并配合调整工作电压和频率，可以使电容触摸屏具有较低的电场辐射能量，并可承受200 V/m的电场辐射干扰和接触放电8 kV、空气放电15 kV的静电放电测试。通过上述手段，电容触摸屏安装在显示器上后，具有较好的可读性和显示效果，并具有很好的电磁兼容性能，解决了电容触摸屏在高端显示器上的应用难题。