1、 - 1 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 电容式主动笔技术结构与原理电容式主动笔技术结构与原理 孙心海，陈东坡* 作者简介：孙心海（1979），男，本科，产品应用工程师，主要从事电容式触摸屏技术应用. E-mail: （上海交通大学微电子学院，上海 200240） 5 摘要摘要：随着智能手机，平板电脑的爆发式增长，越来越多的应用软件需要更高精度的触摸， 例如绘画软件等，由此手写笔的使用渐渐广泛，对于手写笔的性能要求也越来越高。主动式 电容式手写笔是在现有电容式触摸屏系统的硬件基础上实现的高精度， 低成本， 优异用户体 验的手写笔方案。不同于普通的被动式电容笔，主动式电容笔自身相当于信号发

2、射源，触摸 屏的 sensor 来接收电容笔发出的信号并且测算出 X, Y, Z 坐标，这样可以实现类似于实际笔10 尖粗细的效果。另外在电容笔中加入压力传感器，可以使笔能感测用户书写力度的变化，从 而可以更具书写力度的变化来改变笔迹的粗细，达到优异的用户效果体验。 关键词关键词：电容触摸屏；ITO；互容式触摸；主动笔 中图分类号中图分类号：TN7 15 Capacitive Active Pen Theory And Structure Sun Xinhai, Chen Dongpo (Shanghai Jiaotong University, School of Microelectron

3、ics, Shanghai 200240) Abstract: With smart phones, tablet PCs explosive growth, gradually widespread use of the stylus , the stylus performance requirements are also increasing. For active capacitive stylus 20 precision, sensitivity, writing fluency, anti-jamming capability in-depth study has import

4、ant theoretical significance and engineering application value. Active Capacitive Stylus Pen is available in capacitive touch screen system hardware based on the high-precision, low cost, excellent user experience stylus program. Unlike ordinary passive capacitive pen , capacitive pen itself is equi

5、valent to the active signal emission source , touch 25 screen capacitive stylus sensor to receive signals and measure the X, Y, Z coordinates, so you can achieve results similar to the actual thickness of the nib . Also in the capacitive pen to add pressure sensor that allows users to write pen can

6、sense the intensity of the changes, which may be more changes in writing to change the intensity of the thickness of handwriting, to excellent effect user experience. 30 Key words: capacitive touch screen; ITO; mutual capacitance touch; active pen 0 引言引言 随着智能手机和平板电脑的迅猛发展， 触摸屏在日常生活中已经得到广泛的应用。 但是 手指的操

7、作有其局限性，由于手指较粗所以很难在尺寸较小的屏幕上进行精确书和快速书35 写。 于是催生了各种各样应用于触摸屏的手写笔， 当前应用较广泛的首推被动式手写笔和以 三星 S-PEN 为代表的电磁笔。 但是目前市场上的主流手写笔技术均有着各种各样的缺点，具体会在下文中详细介绍。 以被动笔来说，其较低的精度和无压感响应难以满足诸如绘画等高要求的手写笔应用1；而 电磁笔技术则以其优质的书写体验占领了高端市场， 但由于其特殊的架构需求， 需要增加额40 外的芯片及电磁板， 所以增加电磁笔功能的手写设备价格要远远高于没有此功能的设备， 在 日趋重视 Low Cost 的手机，平板消费电子市场想要大规模推广

8、，价格是其最大的短板。 针对以上问题， 需要有一种既有价格优势， 又有良好性能的手写笔技术来满足日益增长 的市场需求。电容笔技术是一种在现有广泛使用的互容式触摸屏架构上实现的手写笔技术， - 2 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 不改变现有触摸屏的架构， 利用原有的电容触摸屏控制芯片来同步感测手写笔信号， 实现了45 低价质优的用户体验。 1 主动式电容笔硬件结构主动式电容笔硬件结构 图 1-1 主动式电容笔硬件结构 Fig.1-1 Capacitive Active Pen Hardware Structure 50 主动式电容笔主要由以下几部分构成： （1）Battery：使用可充电锂

9、电池来提供电源 （2）Controller：使用 MCU，用于产生电容笔激励信号，接收分析压力传感器数据， 侦测功能按键状态，电源模式切换管理 55 （3）Force Gauge：压力传感器，用于检测笔尖压力，提供不同粗细书写笔迹 （4）Boost：提供高压驱动信号，触摸屏上的电极接收此信号来计算出电容笔的具体位 置 2 主动式电容笔工作原理主动式电容笔工作原理 2.1 互容式触摸原理互容式触摸原理 60 主动式电容笔是基于互容式触摸屏上设计的电容笔， 所以在了解电容笔原理之前有必要 先了解互容式触摸屏的工作原理。 投射式电容触摸屏是在玻璃表面用一层或多层 ITO（Indium Tin Oxi

10、des，透明导电薄膜，纳 米铟锡金属氧化物，具有良好的导电性和透明性）制作 X 轴和 Y 轴电极矩阵，X 轴和 Y 轴电极矩阵之间互相耦合形成互电容，当手指触摸时，手指和 ITO 表面形成一个耦合电容，65 引起电流的微弱变动，等效为互电容改变，互电容检测一般是在后端（sense 端）。可以检 测电压或者电荷。下图为电荷检测等效电路。Mutual capacitance 即为互电容，是 Tx 电极和 Rx 电极耦合形成的电容， 手指接触后等效为互电容减小， 此时读出电荷减小。 通过扫描 X 轴 和 Y 轴电极矩阵，检测触摸点电容量的变化，计算出手指所在位置23。 70 图 2-1 互容感测模型

11、 Fig.2-1 Mutual Capacitive Model - 3 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 工作时，互容感测类似于键盘扫描工作方式，单一 Tx 发出激励信号，所有 Rx 检测信 号，以此类推，直到第 N 根 Tx 信号发射信号完毕。根据扫描得到的信号阵列，可以构建出75 一帧完整的信号图像4。 图 2-2 互容式帧扫描图像 Fig.2-2 Mutual Capacitive Frame Image 80 2.2 基于互容式触摸屏的电容笔工作原理基于互容式触摸屏的电容笔工作原理 电容笔基于互容式触摸屏的架构上，用电容笔发射信号来取代 sensor 上的 Tx 通道，而 此时触

12、摸屏上的 Tx 通道转换为 Rx 通道和原有的 Rx 通道轮流在 X,Y 轴向感测电容笔的发 射信号。触摸控制芯片由图 3-1 的工作模式切换到图 3-3 时的工作模式。 85 图 2-3 电容笔模式时的感测 Fig.2-3 Capacitive Pen Sensing Mode 此时 mutual capacitance 实际上是电容笔笔尖与触摸屏 Tx 或 Rx 电极之间的耦合电容， - 4 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 但由于只有一根 Tx 信号（电容笔），所以无法实现整幅阵列的扫描，只能通过定位 X 和 Y90 轴上的电容峰值交叉点来得到触摸笔的位置信息， 而且无法同时让两根电

13、容笔一起工作， 因 为 X,Y 轴的峰值交叉点会有 4 个（类似于投射式自电容扫描）。利用笔尖的压力传感器可 以轻松检测 1024 阶的压力，实现书写力度的感应567。 图 2-4 主动式电容笔在 sensor 上的信号分布图 95 Fig.2-4 Sensor Profile in Active Pen Mode 2 个电容笔信号会形成 4 个触摸点，无法确定真正的电容笔是哪一组。 100 图 2-5 两根电容笔同时工作时的定位问题 Fig.2-5 Ghost Pen Problem When 2 Active Pen Work Together 3 主动式电容笔的关键技术研究主动式电容笔的

14、关键技术研究 3.1 电容笔的精度电容笔的精度及其相关参数研究及其相关参数研究 105 良好的精度是优质书写体验的前提，经过研究发现，sensor 的 pattern 对精度的影响最 大，如何选择和改善 pattern 是提高精度的关键所在。 3.2 SensorSensor 叠层结构和叠层结构和 sensor patternsensor pattern 的参数设计及影响的参数设计及影响 从主动式电容笔工作原理分析 sensor pattern， 主动式电容笔是在普通电容屏上增加的功 能， 所以在增加电容笔功能的同时也需要保证正常情况下手指触摸操作的各项基本性能。 和110 普通的电容屏有所不

15、同的是，增加了主动式电容笔功能后，Sensor 的 TX 和 RX 在电容笔操 作状态下均会作为 Receiver，此时芯片侦测到的电容将是主动笔笔尖和 TX,RX 电极之间的 耦合电容。电容笔的笔尖将远远小于正常的手指尺寸，因此耦合的电容值也会相对较小（以 电容笔笔尖 1mm 来考虑，耦合的电容大小约为 15150fF 从笔尖到 TX,RX 电极。像素响应 曲线也会相对更尖更窄。通常来说，普通电容屏的 sensor pattern 对于主动式电容笔也可以115 工作，但是其性能会相对较差。有许多因素会影响电容式主动笔的性能，其中最主要的因素 是 Sensor Pattern 中 TX 和 R

16、X 电极的形状， 直接关系到耦合信号的强度和像素响应曲线的形 状。 - 5 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 图 3-1 1S2D Pattern 的 PRF 图 3-2 1S2PIL Pattern 的 PRF 120 Fig.3-1 PRF for 1S2D Fig.3-2 PRF for 1S2PIL 图 3-3 2S2P Pattern 的 PRF 图 3-4 2S3PIL Pattern 的 PRF Fig.3-3 PRF for 2S2P Fig.3-4 PRF for 2S3PIL 125 图 3-5 各个叠层结构和 Pattern 下电容笔精度的仿真结果 Fig.3-5 S

17、imulation result under different sensor pattern and stack up 130 我们的目标是从笔到 Tx 和 Rx 达到尽可能相等的信号幅度。虽然 Tx/Rx Ratio 提供了一 个很好的信号强度参数， 但最终的结果依然会受电极背景电容的影响， 通常是宽发射电极更 高。 基于这些结果，单层菱形图案因为低比率而不受推荐。同时基于仿真结果，单层双叉 （1S2P）图案被推荐用于单面传感器。双层双叉图案（2S2P）和双层交叉图案（2S3PIL） 被推荐用于双面传感器，与 2S3PIL 提供最佳的性能。 135 - 6 - 中国中国科技论文在线科技论文

18、在线 3.3 主动式电容笔主动式电容笔报点率的提高报点率的提高 单独的手指触摸系统的报点率是比较容易达到要求的，但是融合了主动式电容笔之后， 正常的 frame 要一分为二分别用以识别上报手指数据和电容笔数据。 理论上报点率将大大降低，所以需要采用新的机制来提高报点率。 140 图 3-6 Tx，Rx 互电容 Fig.3-6 Tx, Rx Mutual Capacitance 图 3-7 手指吸收 Tx 信号 145 Fig.3-7 Finger absorb Tx signal 传统的电容屏系统工作原理如上，Tx, Rx 形成纵横交错的网络，在 Tx 和 Rx 交叉点形 成互电容，工作时触摸

19、屏控制芯片在每根 Tx 依次发出激励信号，然后扫描每根 Rx 信号， 测量到的电压值被 ADC 转换位数字信号并计算出电容值，当有手指放在触摸屏上时，会从150 Tx 吸收掉一部分激励信号， 由此 Rx 上的信号会减弱， 从而能根据电容变化量来计算出手指 的位置信息8。 报点率和 Tx 的扫描频率以及 Tx 的通道数有着直接的关系。 Report Rate _ f TxCyclesNumofTx （4-1） 公式（4-1）为报点率计算公式。 155 Report Rate _ f TxCyclesNumofTx （：分时系数1） （4-2） 公式（4-2）为报点率计算公式(加入主动式电容笔后)

20、。 通常可以通过提高信号的频率来提高报点率， 但是加入了主动式电容笔功能后， 触控芯 片要分时处理正常的手指信号和电容笔信号， 所以仅仅通过提高信号频率的方法将难以满足 报点率的要求。以下将提出一种全新的双电平信号发送机制来提高报点率。 160 电容笔工作原理的实质是电容笔充当信号发射源， 对触摸屏上电极地耦合电容进行充放 电。所以整个电路可以简化成最基本的 RC 充电电路来研究9。 - 7 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 由 RC 充放电公式 / *(1) t RC VVine 10，以 1V 输入，40K 电阻，2pF 电容来仿真可 得到图 4-10 充电曲线，达到采样稳定电压（95

21、%）的充电时间大约 240ns；而采用双电平则 能使得电容充电时间缩短至 1/3。 165 图 3-8 单电平发射充电时间 Fig.3-8 RC Charge Timing with single power rail 170 图 3-9 双电平发射时序和充电时间 Fig.3-9 RC Charge Timing with dual power rail 4 结论结论 175 本文主要研究了主动式电容笔的硬件结构和工作原理并与其他各种电容笔技术进行了 对比， 阐述了主动式电容笔的优势。 电容笔技术是一种在现有广泛使用的互容式触摸屏架构 上实现的手写笔技术， 不改变现有触摸屏的架构， 利用原有的

22、电容触摸屏控制芯片来同步感 测手写笔信号，实现了低价质优的用户体验。另外针对 sensor pattern 和主动笔信号发射机 - 8 - 中国中国科技论文在线科技论文在线 制进行了研究，提出了修改 sensor pattern 的方案并且提出了一种双电平信号发射机制从而180 大大提高了主动式电容笔的精确度以及报点率。 参考文献参考文献 (References) 1 3D Stylus and Pressure Sensing S ystem for Capacitive Touch Panel,Chih-Lung Lin, Chia-Sheng Li, Yi-Ming Chang and

23、Chia-Che Hung 185 Department of Electrical Engineering, National Cheng Kung University, Tainan 701-01, Taiwan, R. O. C. Alvin Lin Cando Technology Center, Cando., Hsinchu Industrial Park, Hsinchu 30351, Taiwan, R.O.C.,2012 2 A Fast and Energy Efficient Single-Chip Touch. Kyusam Lim,JOURNAL OF DISPLA

24、Y TECHNOLOGY, VOL. 9, NO. 7, JULY 2013 3 Measurement and Modeling Mutual Capacitance of Electrical Wiring and Humans, William Buller, Member, 190 IEEE, and Brian Wilson, Member, IEEE, IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 55, NO. 5, OCTOBER 2006 4 Maximizing Responsiveness of To

25、uch Sensing via Charge Multiplexing in Touchscreen Devices,Yongsuk Park, Member, IEEE, Jinwoong Bae, Eungsoo Kim, and Taejoon Park, Member, IEEE,2010 5 Implementation Scheme for Capacitive Touch Sliding,Bo Jiang,The 6th International Conference on Computer 195 Science & Education (ICCSE 2011)August 3-5, 2011. SuperStar Virgo, Singapore 6 Pressure Sensitive Stylus and Algorithm for Touchscreen Panel,Chih-Lung Lin, Member, IEEE, Chia-Sheng Li, Yi-Ming Chang, Tsung-Chih Lin, Senior Member, IEEE,Jiann-Fuh Chen, and U.-Chen Lin,JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY, VOL. 9, NO. 1, JANUARY