智能手机的兴起不仅仅是由于操作系统上的改变，更多的是由于引入了一种新的人机交互的模式。这种全新的模式导致了用户体验的大幅度改善。电容式触摸检测技术正是其中的关键技术。

电容式触摸检测本质上是一种精密的电信号测量技术，其测量的电荷变化量为皮库伦级别。触控IC通过高精度的ADC采样触摸屏上的电压信号，在人手或者其他导电体接触到设备后，检测到的电压信号会发生变化（mv级别），这些变化量被采样到触控IC内部，从而可以被识别到。

而这其中又涉及到触摸屏ITO的工艺制造和图案的设计，不同的ITO叠层和图案的设计都会对触控检测产生影响。

ITO全称是纳米铟锡金属氧化物，主要有这两点特性，透明和导电。适合应用于在屏幕上贴合透明的导电层的需求。

目前常见的ITO叠层分为双层（搭桥/不搭桥）和单层方案，按照基材来看的话有PET和Glass的选择，按照贴合方式的话分为全贴合和框贴的方式。 具体可以演化为 GFF(PFF)/OGS(G1/G2)/GG/GF 等，由于不同的叠层设计导致工艺的难度和良率不同，生产出的触摸屏厚度也不一样，因此大多数手机ODM都会根据不同的ID设计要求和造价来进行评估。在触控的性能方面，一般来说双层ITO由于出线的方式和Cm(X/Y 耦合电容)控制方面的优势，性能上比较容易把握。早期的单层方案适合做单点触控（比如应用三角形图案），目前也有单层多点的方案，但是由于单层出线，在减小bonding pad面积和走线Gap方面都面临一些挑战。

目前也有面板厂商主推的On-Cell/In-Cell 方案，将ITO嵌入到显示面板内部，减少了整体的厚度。现在看来是未来的发展方向，但是技术难度大，良率的控制是一个问题，目前仍有许多的挑战。

ITO的图形常见的有菱形/三角形/长条形/毛毛虫形等。以及基于菱形的一些变形图案，比如雪花形等。其中菱形/长条形应用于两层ITO的设计，三角形应用于单层单点的触控，毛毛虫的图案用于单层多点的开发。性能方面也有不同，比如菱形的方案由于电场的分布一致性好，因此在触摸检测的精度和线性度方面有优势，另外变形的方案，比如雪花形，是在菱形的方案上增加了X,Y层的耦合面积，因此在灵敏度方面更好，另外对于一些小面积的物体，比如1mm的passive stylus的检测精度上有提升。

本文主要是对触控IC检测原理的说明，因此以上关于触摸屏设计方面的内容不会占用太多的篇幅描述，我会另外写一篇博客来展开详细的讨论。

检测原理

我们现在以下面的图片作为开始

电路模型

这张图片代表了一个人机操作的模型，其中手持设备的信号地通过一个耦合电容Cgnd-earth与大地相连。我们将重点放到手持设备上。细化一下模型，如下图。

这是一个完整触摸设备的模型，其中X，Y 分别是触摸屏的ITO 走线X和Y, Cx-y为x和y之间的耦合电容，通常也叫互电容Cm。X线作为信号驱动线连接到触控IC的TX输出端，Y线作为接收线连接到触控IC的输入端口，该端口的信号会被送入IC内部的ADC采样。在ADC的输入端与IC的信号地之间有一个采样电容 Cs 用于积累电荷，在ADC的采样端形成电压信号。注意此图片所示是没有人手触摸的情形下的模型。

我们继续简化一下模型，将它转化为电路的形式。

从以上图就比较清晰了，从IC 信号源正端输出的电荷流经Cx-y和Cs，并最终通过GND 回到信号源的负端。这期间会在Cx-y和Cm两端建立起电压。

我们来对整个过程做一个计算，假设信号源输出的电压为6.6V，Cxy为2pF,Cs为18pF,电流积分电路静态时可以视为短路。ADC 为10位转换，参考电压3.3v。

根据公式

Q = C × ΔV （Qtotal = Csystem × ΔV）

可以计算出系统中的总电荷量为

Csystem = 1/(1/Cx-y + 1/Cs) = 1/(1/2pF + 1/18pF) = 1.8pF

Qtotal = 1.8pF × 6.6V = 11.88pC

其中在Cs两侧的建立的电压为

ΔVacross Cs = Q / Cs = 11.88pC / 18pF = 0.66V。

这个电压会被ADC采样从而得到一个ADC的数值给到IC做计算

0.66V / 3.3V × 1024 = 205 ADC counts

至此我们做一个总结。

下面我们对有手指触摸的情况做一个分析。 手指触摸时的模型如下图

由于人体本身是导体，因此在手接触到触摸屏表面后会导入Cx-human和Cy-human两个耦合电容。这就给之前讲到的电荷流经的途径中增加了一个通路，即一部分电荷通过人体流经大地回流到设备信号源。同刚才的例子一样，我们进一步简化模型以电路的形式呈现。

我们依旧继续刚才的计算，假设Cy-human = 2pF, Cx-human = 2pF, Cx-y = 2pF and Cs = 18pF. 则流程系统的总电荷为

Ca = Cy-human + Cs = 2pF + 18pF = 20pF

Cb = 1 / (1/Cx-y + 1/Ca) = 1 / (1/2pF + 1/20pF) = 1.81pF

Csystem = Cx-human + Cb = 2pF + 1.81pF = 3.81pF

Qtotal = Csystem × ΔV = 3.81pF × 6.6V = 25.2pC

我们可以计算出电路中电荷的分布如下

因此可以得出Cs两端的电压

ΔVacross Cs = Q / Cs = 10.8pC / 18pF = 0.6V

而ADC的数值为 0.6V / 3.3V × 1024 = 186 ADC counts

我们把手指触摸时的数据填入刚才的表格，

我们得出不同情形下两次ADC采样的差值 205-186 = 19

通过两次采样时的ADC差值，触控IC 就可以检测到触摸屏上电压的变化，从而感知到人手触摸的动作。当然以上只是一个简单的模型和处理，用于描述触摸技术的检测原理，实际的应用中会对检测到的信号做很多处理，比如放大，过采样技术，双边沿积分等手段来放大差异，增加信号的robust和可识别性等。以上会涉及到IC厂家的专利保密技术，不在本文的讨论范围内。