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摘要：本文从触摸屏硬件结构的角度总结了电容式触摸屏的发展历程，并重点分析了电容式触摸屏的两种内嵌式结构，即On-cell结构和In-cell结构，展望了电容式触摸屏技术的未来发展趋势和方向。
关键词：电容式；触摸屏；技术综述
1电容式触摸屏的概念
目前，有多种类型的输入设备可用在计算系统中执行操作，如按钮或按键、鼠标、轨迹球、操纵杆、触摸传感器面板、触摸屏等。触摸屏因操作容易、通用性较强及价格不断降低而变得越来越流行。触摸屏主要分为以下几种：电阻式触控屏、电容式触控屏和声波式触控屏。而目前手机上应用最多的就是电容式触摸屏。电容式触摸屏已经成为市场上人机交互的主要部件，与传统电阻屏、红外线触摸屏相比，能提供更好的用户体验效果。电容式传感器利用一个透明的电容传感器阵列进行工作，按电容形成的方式，其可分为自电容触摸屏和互电容触摸屏。其中，自电容触摸屏是利用传感电极与交流地或者直流电平电极形成的电容值的变化作为触摸传感信号；互电容式触摸屏是利用两个电极间形成的电容值的变化作为触摸传感的信号，有时也把互电容成为投射电容，其结构原理如图1所示。利用X-Y电极检测手指/专用触摸装置接触时因电容变化导致的电压变化，就可以判断出人体或者专用触摸装置在触摸区域内的触摸情况。从结构来看，电容触摸屏屏幕的基本结构分为三层：保护玻璃、触控层和显示面板。保护玻璃就是最外层的玻璃盖板；触控层由ITO触控薄膜和ITO玻璃基板组成，是触摸屏最重要的一部分；显示面板可细分的程度高。这里只大致进行排列：从上到下，分别是上玻璃基板、液晶层和下玻璃基板；最后将保护玻璃、触控层和显示面板利用贴合技术贴合在一起就形成一个完整的触摸屏。
2电容触摸屏技术发展历程及其现状
2.1电容触摸屏技术发展历程
最初的电容触摸屏就是将保护玻璃、触控层和显示面板贴合在一起。然而随着科技的发展，以及消费者对轻薄和触控性能的追求，电容触摸屏越来越趋于轻薄化，触控也由最初的单点触摸发展为多点触摸。从其轻薄化发展来看，其实现方案主要有以下五种：①G+G：主要使用的是双面ITO玻璃，在玻璃基板上溅镀ITO的方式，属于玻璃电容式触控面板，厚度较厚。②G+F+F：采用2张ITO薄膜传感器，外加一层保护玻璃，属于薄膜电容式触控面板，与G+G方案相比，厚度有所降低。③OGS：是将触控屏与保护玻璃集成在一起，在保护玻璃内侧镀上ITO导电层，直接在保护玻璃上进行镀膜和光刻，这是目前国内采用较多的一项技术。④On-cell：是将触控屏与显示面板集成在一起，将ITO触控薄膜放在显示面板的上玻璃之上，三星几代Galaxy旗舰就是采用这种形式。⑤In-cell：是将触控屏与显示面板集成在一起，将ITO触控薄膜放在显示面板的上玻璃之下，一般是与液晶层融合在一起，代表机型是苹果的iPhone5。现在重点围绕目前较为热门的On-cell技术和In-cell技术进行分析。
2.2On-cell技术
如图2所示，显示器的组成从上到下依次有上偏光片、上玻璃基板、彩色滤光片、液晶、TFT、下玻璃基板和下偏光片。On-cell技术是指将触摸屏和显示面板集成在一起，将触摸屏嵌入显示屏的彩色滤光片基板和偏光片之间的技术。苹果公司于2009年6月24日提出了公开号为CN101467119A，发明名称为触摸屏液晶显示器。该发明公开的是将触摸感测部件与显示器电路相集成的液晶显示器（LCD）触摸屏，具体可以参照图3。在滤色器（CF）板）（如顶部玻璃层）顶部可以图案化两个附加的氧化铟锡（ITO）层（ITO11301和ITO21302）。这些层可用于触摸传感器的触摸传感和触摸驱动部件，其中所述触摸传感器可以是互电容触摸传感器。这些ITO层可以被图案化成列和/或行（如图1所示），并且可以由电介质分开，如由玻璃基底或是薄（如5～12mm）SiO2层分开。上述实施方式是将触摸传感器设置在显示面板的彩色滤光片上，其还可以设置在上偏光板面向上玻璃基板的一侧、上玻璃基板的上侧或下侧，两个触摸传感器可以同层设置，也可以异层设置。与OGS技术相比，该结构的厚度较薄，由于只需在彩色滤光片和偏光板之间形成透明电极图案，因此容易确保成品率，但尚存在触控时产生的颜色不均匀的问题。
2.3In-cell技术
与OGS技术相比，On-cell虽然降低了触摸屏的整体厚度，但结合On-cell的结构可知，其在集成到显示面上时，通常需要在显示面板原有器件的基础上，增加新的触摸感测用电极结构，且由于触摸电极结构设置在彩色滤光片上部，对显示面板的显示效果产生了影响，容易使得显示画面颜色不均匀。为了解决该技术问题，出现了一种新的内嵌式触摸屏结构，将触摸面板功能嵌入到液晶像素中，即In-cell技术。
例如，专利文件CN104133590A于2014年11月5日公开了一种内嵌式触控面板及其制造方法，该内嵌式触控面板包括：阵列基板；第一绝缘层，位于阵列基板的上方；驱动电极，设置于第一绝缘层且电性耦接至触控驱动线；多条数据线，与驱动电极位于同一层；第二绝缘层；共通电极，位于第二绝缘层的上方且经由一过孔电性耦接至驱动电极。与现有技术相比，本发明将驱动电极与数据线设置于同一层，藉由过孔和驱动电极，从而使共通电极电性耦接至触控驱动线。如此一来，该触控面板不必形成网格状的金属层，触控信号走线在感测区块内部即可实现， 因此也无需额外地扇出区域来容置该走线宽度，有利于触控面板的窄边框设计，相对增加了触控区域面積，降低了制造成本。In-cell技术由于将触摸电极嵌入到液晶像素中，屏幕的显示画面得到了改善，屏幕的画面要比使用On-cell技术的屏幕更清晰，能够获得更好的用户体验。
3结语
目前，日本、台湾、韩国和美国都是电容式触摸屏领域研究机构和生产的重要聚集地，且实力强劲，其中苹果、三星和JDI等不仅技术领先，而且在美国、中国、欧洲市场中均有较强的影响力；而中国的京东方、欧菲光和上海天马等专注于触摸显示技术的企业也不断在崛起，且已经进行了专利布局，未来有望在该技术领域处于领先与主导地位。
参考文献：
[1]刘熠凡.触摸屏技术的性能与发展[J].科技资讯，2017，15（32）：73-74.
[2]Tetsuya Tokunaga.采用互电容式触摸传感器技术改进汽车的用户接口[J].中国集成电路，2017，26（10）：74-75+81.
[3]Greg Kuchuris.电容传感技术使智能家电更智能[J].电子产品世界，2017，24（10）：25-26.
[4]王国云，张立，董锋格，孙逊之.基于电容式触摸按键的汽车室内阅读灯设计[J].中国照明电器，2017（09）：52-54.
关键词：电容式；触摸屏；技术综述
1电容式触摸屏的概念
目前，有多种类型的输入设备可用在计算系统中执行操作，如按钮或按键、鼠标、轨迹球、操纵杆、触摸传感器面板、触摸屏等。触摸屏因操作容易、通用性较强及价格不断降低而变得越来越流行。触摸屏主要分为以下几种：电阻式触控屏、电容式触控屏和声波式触控屏。而目前手机上应用最多的就是电容式触摸屏。电容式触摸屏已经成为市场上人机交互的主要部件，与传统电阻屏、红外线触摸屏相比，能提供更好的用户体验效果。电容式传感器利用一个透明的电容传感器阵列进行工作，按电容形成的方式，其可分为自电容触摸屏和互电容触摸屏。其中，自电容触摸屏是利用传感电极与交流地或者直流电平电极形成的电容值的变化作为触摸传感信号；互电容式触摸屏是利用两个电极间形成的电容值的变化作为触摸传感的信号，有时也把互电容成为投射电容，其结构原理如图1所示。利用X-Y电极检测手指/专用触摸装置接触时因电容变化导致的电压变化，就可以判断出人体或者专用触摸装置在触摸区域内的触摸情况。从结构来看，电容触摸屏屏幕的基本结构分为三层：保护玻璃、触控层和显示面板。保护玻璃就是最外层的玻璃盖板；触控层由ITO触控薄膜和ITO玻璃基板组成，是触摸屏最重要的一部分；显示面板可细分的程度高。这里只大致进行排列：从上到下，分别是上玻璃基板、液晶层和下玻璃基板；最后将保护玻璃、触控层和显示面板利用贴合技术贴合在一起就形成一个完整的触摸屏。
2电容触摸屏技术发展历程及其现状
2.1电容触摸屏技术发展历程
最初的电容触摸屏就是将保护玻璃、触控层和显示面板贴合在一起。然而随着科技的发展，以及消费者对轻薄和触控性能的追求，电容触摸屏越来越趋于轻薄化，触控也由最初的单点触摸发展为多点触摸。从其轻薄化发展来看，其实现方案主要有以下五种：①G+G：主要使用的是双面ITO玻璃，在玻璃基板上溅镀ITO的方式，属于玻璃电容式触控面板，厚度较厚。②G+F+F：采用2张ITO薄膜传感器，外加一层保护玻璃，属于薄膜电容式触控面板，与G+G方案相比，厚度有所降低。③OGS：是将触控屏与保护玻璃集成在一起，在保护玻璃内侧镀上ITO导电层，直接在保护玻璃上进行镀膜和光刻，这是目前国内采用较多的一项技术。④On-cell：是将触控屏与显示面板集成在一起，将ITO触控薄膜放在显示面板的上玻璃之上，三星几代Galaxy旗舰就是采用这种形式。⑤In-cell：是将触控屏与显示面板集成在一起，将ITO触控薄膜放在显示面板的上玻璃之下，一般是与液晶层融合在一起，代表机型是苹果的iPhone5。现在重点围绕目前较为热门的On-cell技术和In-cell技术进行分析。
2.2On-cell技术
如图2所示，显示器的组成从上到下依次有上偏光片、上玻璃基板、彩色滤光片、液晶、TFT、下玻璃基板和下偏光片。On-cell技术是指将触摸屏和显示面板集成在一起，将触摸屏嵌入显示屏的彩色滤光片基板和偏光片之间的技术。苹果公司于2009年6月24日提出了公开号为CN101467119A，发明名称为触摸屏液晶显示器。该发明公开的是将触摸感测部件与显示器电路相集成的液晶显示器（LCD）触摸屏，具体可以参照图3。在滤色器（CF）板）（如顶部玻璃层）顶部可以图案化两个附加的氧化铟锡（ITO）层（ITO11301和ITO21302）。这些层可用于触摸传感器的触摸传感和触摸驱动部件，其中所述触摸传感器可以是互电容触摸传感器。这些ITO层可以被图案化成列和/或行（如图1所示），并且可以由电介质分开，如由玻璃基底或是薄（如5～12mm）SiO2层分开。上述实施方式是将触摸传感器设置在显示面板的彩色滤光片上，其还可以设置在上偏光板面向上玻璃基板的一侧、上玻璃基板的上侧或下侧，两个触摸传感器可以同层设置，也可以异层设置。与OGS技术相比，该结构的厚度较薄，由于只需在彩色滤光片和偏光板之间形成透明电极图案，因此容易确保成品率，但尚存在触控时产生的颜色不均匀的问题。
2.3In-cell技术
与OGS技术相比，On-cell虽然降低了触摸屏的整体厚度，但结合On-cell的结构可知，其在集成到显示面上时，通常需要在显示面板原有器件的基础上，增加新的触摸感测用电极结构，且由于触摸电极结构设置在彩色滤光片上部，对显示面板的显示效果产生了影响，容易使得显示画面颜色不均匀。为了解决该技术问题，出现了一种新的内嵌式触摸屏结构，将触摸面板功能嵌入到液晶像素中，即In-cell技术。
例如，专利文件CN104133590A于2014年11月5日公开了一种内嵌式触控面板及其制造方法，该内嵌式触控面板包括：阵列基板；第一绝缘层，位于阵列基板的上方；驱动电极，设置于第一绝缘层且电性耦接至触控驱动线；多条数据线，与驱动电极位于同一层；第二绝缘层；共通电极，位于第二绝缘层的上方且经由一过孔电性耦接至驱动电极。与现有技术相比，本发明将驱动电极与数据线设置于同一层，藉由过孔和驱动电极，从而使共通电极电性耦接至触控驱动线。如此一来，该触控面板不必形成网格状的金属层，触控信号走线在感测区块内部即可实现， 因此也无需额外地扇出区域来容置该走线宽度，有利于触控面板的窄边框设计，相对增加了触控区域面積，降低了制造成本。In-cell技术由于将触摸电极嵌入到液晶像素中，屏幕的显示画面得到了改善，屏幕的画面要比使用On-cell技术的屏幕更清晰，能够获得更好的用户体验。
3结语
目前，日本、台湾、韩国和美国都是电容式触摸屏领域研究机构和生产的重要聚集地，且实力强劲，其中苹果、三星和JDI等不仅技术领先，而且在美国、中国、欧洲市场中均有较强的影响力；而中国的京东方、欧菲光和上海天马等专注于触摸显示技术的企业也不断在崛起，且已经进行了专利布局，未来有望在该技术领域处于领先与主导地位。
参考文献：
[1]刘熠凡.触摸屏技术的性能与发展[J].科技资讯，2017，15（32）：73-74.
[2]Tetsuya Tokunaga.采用互电容式触摸传感器技术改进汽车的用户接口[J].中国集成电路，2017，26（10）：74-75+81.
[3]Greg Kuchuris.电容传感技术使智能家电更智能[J].电子产品世界，2017，24（10）：25-26.
[4]王国云，张立，董锋格，孙逊之.基于电容式触摸按键的汽车室内阅读灯设计[J].中国照明电器，2017（09）：52-54.