电容屏
样
人
假象
接地物（零电势体）
给工作面通上
低
电压
当用户触摸屏幕时
手指头吸收走
小
电流
电流分从触摸屏四
角或四条边上
电极
流出
并且理论上流经
四
电极
电流与手指
四角
距离成比例
控制器通过对
四
电流比例
精密计算
得出触摸点
位置电容屏
静电感应
需要导体接触屏幕才会有反应
所
需要
用力
只要手指轻轻触摸屏幕即
被识别
普通
手写笔
没法用于电容屏了
电容屏有专用手写笔
带静电
方便
苹
UI
样
特别
自带键盘
字小
去买只手写笔
电容屏专门用
触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，如图2所示。当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。比如，在顶层的电极(X+,X－)上加上电压，则在顶层导体层上形成电压梯度，当有外力使得上下两层在某一点接触，在底层就可以测得接触点处的电压，再根据该电压与电极(X+)之间的距离关系，知道该处的X坐标。然后，将电压切换到底层电极（Y+,Y－）上，并在顶层测量接触点处的电压，从而知道Y坐标。
2 触摸屏的控制实现
现在很多PDA应用中，将触摸屏作为一个输入设备，对触摸屏的控制也有专门的芯片。很显然，触摸屏的控制芯片要完成两件事情：其一，是完成电极电压的切换；其二，是采集接触点处的电压值（即A/D）。本文以BB (Burr-Brown)公司生产的芯片ADS7843为例，介绍触摸屏控制的实现。
放置一个金属片模拟人手指的接触形状。
此时金属片与屏幕的接触面
同
ITO
工作层形成耦合电容，
同时金属片的另一面与大地形成耦合电
容，
两个电容器皆可视为平行板电容器。
对于金属片与大地形成的耦
合电容，由平行板电容器电容表达式
4
S
C
kd
ε
π
=
可知，此时面积
S
为金
属片面积，距离
d
非常大。因而电容值可很小，因而容抗很大，电流
信号太小，无法被处理器识别。在金属片上置一体积较大的金属棒，
可视为在两板间放置了一个金属导体，
相当于缩小了两板间距离，
并
扩展了金属板的面积。由此电容值增大，容抗减小，电流信号接近于
徒手触摸电容屏，因此能够被处理器识别。
当用戴手套的手接触金属棒控制触摸屏，相当于形成了两个耦合
电容，
一个是由金属片和
ITO
工作层形成，
另一个由手与金属棒形成。
由于电容屏产生的是交流电压，
因此虽然有手套的隔离，
人体依然可
以间接地触控触摸屏。金属片与
ITO
工作层形成的是平板电容器，金
属棒与戴手套的手可以粗略地看作是一个球形电容器。
根据平行板电
容器电容表达式
4
S
C
kd
ε
π
=
以及球形电容器的电容表达式
0
1
2
2
1
4
r
R
R
C
R
R
πε
ε
=
，
电容与接触面积成正比，与板间距成反比。再由
1
2
c
X
fC
π
=
，容抗与
电容成反比，当电容以各种方式减小的时候，高频电压不变，因而高
频电流减小，信号变弱，导致处理器不能识别。
这也就解释了实验
4
中不能控制触摸屏的原因：相比实验
2
，当
徒手接触金属片时，手指与金属片的距离趋于
0
，电容值较大，而戴
上手套的时候，手指与金属片板间距增大，电容值减小，容抗增大。
10
相比实验
8
，尽管金属片与
ITO
的电容板面积不变，但是手指与金属
片的接触面积远远小于手掌握住金属棒的接触面积，
电容值减小，
容
抗增大。
而高频电压的电压值非常小，
因此处理器对容抗的改变比较
敏感。
所以说，
实验
4
中这种接触情况在理论上并非完全不能控制电
容屏，
只是产生了非常大的漂移现象，
使得处理器很难识别出控制信
号。
同样，当人佩戴手套直接接触触摸屏时有着同上的结论。这也就
解释了
1.3
中所述戴手套时不能控制电容屏的原因。
由此可以得出结论：为了使包含手写笔的电路中的电流尽可能接
近于徒手接触触摸屏时产生的电流，
应该尽可能地增大棒与屏以及手
与棒的接触面积，并且手套的厚度不能过大。
5.
简易手写笔的设计
由上述实验结论，设计可戴手套使用的手写笔有两种思路：
（
1
）选择合适的材料，制作一定体积的笔杆，使得笔杆可以等效成
人体，因而可以实现漂移很小的操控。笔杆应具备轻巧便携的特点，
而笔杆的体积可以制成多小，是由材料的物理性质决定的。
（
2
）在不能找到合适的材料代替人手的情况下，将人体作为耦合电
容接入电路中，
尽可能地减小各接触点的容抗，
产生接近于徒手控制
电容屏的信号。
由于实验材料的限制，在思路（
1
）中很难找到合适的材料使得笔
杆有足够小的体积。
很显然我们不能使用类似猪肉的材料制作手写笔。
11
因此我们在现有条件下只能选择思路（
2
）
。
在思路（
2
）中，电路中存在两个串联的耦合电容。分别尽可能地
增大两个耦合电容的电容值，
以减小容抗。
手写过程中受到握笔姿势
的限制，
我们不能要求在用户使用过程中像实验
8
中一样整个手掌握
住笔杆，
因此更需增大各点电容值。
为增大手套与笔杆接触处的电容
值，
笔杆全部使用金属材料，
使得各种握笔方式都可以产生较大的接
触面积。
在笔头使用指尖大小的导电硅胶，
由于导电硅胶具有柔软的
质地以及良好的导电性能，
因此可以在和屏幕的挤压过程中模拟出手
指的触摸形状，并且不会对屏幕产生划痕（如图
5-1
）
。
图
5-1
如果能够找到合适的思路（
1
）中的材料，可以在手套与手写笔的
接触部位包裹一层相应的材料，
这样可以实现更可靠的控制，
更大程
度的减小漂移现象（如图
5-2
）
。
12
图
5-2
在家中使用金属长螺钉以及导电硅胶片作为材料，作者制作出了
简易的触摸笔雏形，
并成功地在佩戴厚手套的情况下控制电容式触摸
屏。
对于无法用手指实现触控的残疾人，可以将这种手写笔的结构稍
加改进安装在假肢中。
在假肢末端使用导电硅胶以及金属导体，
与断
肢末端形成耦合电容，由此实现触控。
6.
结束语
电容式触摸屏技术发展到今天已日趋成熟，但依然存在着一些缺
陷。通过上述简易实验和分析，根据电容式触摸屏的结构原理，上文
中建立了关于耦合电容的简单的物理模型，
并构思出两种手写笔的设
计思路。
由此设计出可戴手套使用的简易手写笔。
利用基本的电学知
识和简单廉价的材料解决了非生命物体无法触控电容式触摸屏这一
问题。使得戴手套触控以及残疾人假肢触控成为可能。
9
13
希望在学习完大学物理和电路原理之后，能够对这个问题进一步
探究，建立更严谨的物理模型，并对结果进行定量分析。材料仍然是
手写笔设计过程中的一大限制，
希望能够找到比硅胶更接近人体性质
的材料来改进手写笔。
本站仅提供存储服务，所有内容均由用户发布，如发现有害或侵权内容，请
点击举报。
