电容笔工作原理，为什么能替代手指触摸？

1、电容屏工作原理

容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质，当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。它就是利用人体电场可以导电，从而形成电流，这个电流分从触摸屏的四角上的电极中流出形成四个电流，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。

电容屏是利用人体的电流感应进行工作的。当触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。可以达到99%的精确度，具备小于3ms的响应速度。

电容式触摸屏工作原理

1）表面电容式触摸屏

表面电容式触摸屏结构是在玻璃基础上镀上透明导电涂层，然后在导电涂层上增加一层保护涂层。其工作原理是：电极被放置在玻璃的四个角上，四个角都被施加上相同的相位电压，在玻璃表面形成一个匀强电场。当手指触摸到玻璃表面，电流将从玻璃的四个角上流流经手指，从四个角流经的电流比例将被测量以判断触摸点的具体位置。测量出来的电流值跟触摸点到四个角的距离是成反比的。

2）投射电容式触摸屏

相比于表面电容式，投射电容触摸屏通常用在较小的尺寸上，内部结构包括一个集成了IC芯片用于处理数据的线路板，拥有制定图案的许多透明电极层，表面上覆盖一层绝缘的玻璃或者塑料盖板。当手指接近触摸屏表面，静电电容在多个电极间同时变化，通过测量这些电流之间的比例，可以精确地半段出接触的位置。同时，投射电容技术有两种感应方式，即栅格式和线感式。

电容笔，顾名思义就是电容屏用的触控笔，它代替手指直接接触屏幕，主要应用于电容屏手机、平板电脑、触控式笔记本等电子设备。

2、关于ITO材料

ITO 是通过真空磁控溅射镀膜工艺生产的一种材料。

透明导电膜屏蔽玻璃的导电膜层材料主要为ITO（铟锡氧化物半导体）膜、金属镀膜等，其特点是在150KHz~1GHz范围内有适宜的屏蔽效能，透光性较普通网栅材料屏蔽玻璃好很多，电阻率介于10- 3～10- 4 Ω·cm 之间,透光率可达到85%以上。

1907 年，Badeker 等人第一次通过热蒸发法制备了CdO透明导电薄膜，开始了对透明导电薄膜的研究和利用。十九世纪 50 年代，分别开发出基于 SnO2 和 In2O3 的透明导电薄膜。随后的 30 年里，出现了 ZnO 基的薄膜。这个时期，TCO 材料主要基于这三种体系：In2O3、SnO2、ZnO。

然而，一种金属氧化物薄膜的性能由于材料包含元素固有的物理性质不能满足人们的要求。为了优化薄膜的化学和光电性质，实现高透射率和低电阻率，科学家们做了进一步的研究。20世纪 90年代日本和美国一些科研机构开始了两种以上氧化物组成的多元化合物材料的研究与开发，通过调整成分与化学配比来获得所需的 TCO 材料。目前，应用最多的几种 TCO 材料是：氧化铟锡(ITO, In2O3: Sn)，掺铝的氧化锌(AZO,ZnO: Al)，掺氟的氧化锡(FTO, SnO2: F)，掺锑的氧化锡(ATO, Sn2O: Sb)等。

TCO 的应用领域非常广，主要用于液晶显示器的透明电极、触摸屏、柔性 OLED 屏幕、光波导元器件以及薄膜太阳能电池等领域。

在透明导电氧化物薄膜中，ITO 具有很高的可见光透射率(90%)，较低的电阻率(10-4~10-3Ω∙cm)，较好的耐磨性，同时化学性能稳定。

因此，ITO 在 TCO 薄膜中的比重最高。

ITO 在一般情况下为体心立方铁锰矿结构，是基于 In2O3 晶体结构的掺杂，In2O3 中 In 原子是六配位，O 原子是四配位。

In2O3 晶体结构中本征缺位（氧缺位）和 Sn4+ 替代In位两种机制共同贡献了大量自由电子，因此 ITO 为 n 型半导体，载流子浓度在 1,021/cm3左右，为重掺杂

3、电容笔工作原理

如前文所述，电容触摸屏是由一块四层复合玻璃层成型在一起，各个玻璃层的内表层和夹层都有一层ITO导电材料，以感应电压形成电流改变区域容值，从而让四角的IC判断感应区域的坐标位置。电容触摸屏利用人体的电流感应进行工作，当手指触摸在金属层上时，由于人体电场、用户和触控屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触控屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。

电容笔就是利用导体材料模仿人体（主要是手指）完成人机对话一种辅助装置。支持电容屏的触控笔也主要分为两大阵营：

EMR（电磁感应输入技术，Electro-Magnetic Resonance）和AES（主动式静电感应技术，Active Electrostatic Solution）

EMR原理：

在屏幕下方有可以探测到EMR笔活动的电磁感应板（图片中EMR传感器所在位置），在感应板上面纵横分布着线圈。

“磁生电，电生磁”，随着笔的移动，在通电的感应板所产生的磁场范围内，笔中的共振回路能够积蓄微弱的电能。当笔积蓄到能量后，控制回路就会停止向循环线圈提供电流并把循环线圈接通到接收回路。此时笔所积蓄到的能量会通过共振回路的自由震荡，将能量从笔尖的线圈处传送回感应板。在将能量传回电磁感应板之后，控制回路首先通过对感应板上循环线圈的扫描，从而初步检测出笔的大致位置。

接下来再对笔周围的多个循环线圈进行扫描，并对检测出的信号进行计算，即可十分精确地计算出笔的座标值。

通过以上的过程，并不断进行计算，系统不仅可以得到笔当前的坐标，还能获取笔的移动速度等数据。

压感的实现，是通过笔内部的、在笔尖后端的电容器实现。当施加压力的时候，笔尖会向笔里面运动，从而导致电容器正负极之间的距离变化，从而改变电容，实现了对于压力的感应。

现在的平板电脑，将显示屏、电容感应屏幕和电磁感应板堆叠在一起，从而实现EMR手写笔和手指都能够操作。

EMR作为久经考验的手写笔技术，EMR非常可靠，技术成熟，也意味着廉价。所以EMR技术几乎成为入门级别产品的标配。并且由于不需要电源，EMR的笔可以做得很细，非常适合需要在机身开笔槽的机器，例如三星的Note系列手机。

但是由于EMR的工作原理，必须在屏幕上放置感应器，所以会增加整个屏幕的厚度。这也是一些追求极致的平板所不能接受的问题（Surface Pro 3放弃在前两代使用的Wacom的笔的原因之一）。

此外，EMR技术在边缘准确度上有很大问题（Surface Pro 3开始微软放弃Wacom的EMR笔技术的第二个原因）。EMR技术在小屏幕上表现良好，譬如三星Galaxy Note系列的手机屏幕；但是在平板这种屏幕尺寸较大的设备上，其边缘的准确度会明显下降，甚至会出现边缘笔迹断断续续的现象。

AES 的工作原理

首先，有源的手写笔不断发出低频信号（频率一般在30～70KHz之间），信号中包含笔尖所感受到的压力、笔的按键状态和笔的ID序列号等信息。通过上面的结构图可以看出，对于压力的数字化，是通过笔尖压迫快门，促使快门遮挡LED的光线，从而影响在LED对面的检测器的受光量和感光位置，进而计算出笔尖受到的压力。

其次，在机器屏幕上，有网格状的投射式电容传感器，负责整个触摸和笔的感知。这些网格状的电容传感器排线分组连接到若干个控制器上，这若干个小的控制器又连接到一个主控制器上。在工作的时候，主控制器负责控制和管理若干个小的控制器，与这些小的控制器进行数据交换，并收集这些控制器传过来的笔或者触摸的位置信息，同时也将收集到的所有数据处理后提交到主板的相应接口，从而完成对于触摸或者笔的工作流程。

AES 的最大特点是将触摸和笔识别结合在了一套系统上，屏幕上只需要放置一层感应层就可以完成。从而减少了屏幕厚度，也减轻了重量。同时，屏幕层数越少，光的折射效果便越不明显，就可以让视差也随之缩小。

当然，实际体验上来看，AES 的确在很大程度上解决 EMR 笔的视差偏移和边缘灵敏度问题。当然，如果严格来说，一点偏移都没有的笔是不存在的，尤其是笔尖的角度较为倾斜的时候。

4、Surface 触控笔拆解

1）拆开之前

2）拧开笔帽



3）翘掉笔夹

4）去除磁铁装饰贴

5）去除磁铁

6）一边旋转一边抽拉去掉笔帽外壳



7）利用手中的工具去掉电池正极处铜环


8）轻轻撕掉黑膜


9）切除这个固定点 上下两半靠这连接，没这两个点组装好后，使用问题不大




10）轻轻掰开上下两半，就得到了以下一堆奇奇怪怪的东西 慢点别丢点什么就麻烦了



11)用酒精棉球擦拭 按钮接触点，有没有可能含金？




12）用酒精棉球擦拭按钮铁片，灰尘就是被静电吸附在这上面，忘记拍灰尘在上面的图了



13）需要擦拭的部分基本完了，其他的问题咱也不会修啊，各零件细节看一下
完成按钮功能的电路板及接触弹片，这样的设计，寿命真的有保障

按钮本体，我猜测这个螺纹铁丝是为了产生电磁给屏幕反馈橡皮功能的吧

电路板，据说黑色的PCB板代表高端专业，舔一下巨硬的屁股

这玩意是用来卡住笔套不旋转的，没有通电功能可不擦拭


14）组装
选择有铁丝安装槽的那片 先安装按钮，铁丝固定好



15）放入固定弹片 就那个不用擦拭的铁片，有左右之分，放主板上确认方向。



16）将弹片和接触点零件 放入组件中，



17）放入主板



18）确认在卡槽内后盖上上半部分


19）测试功能是否恢复，长按橡皮擦，灯亮了

5、拆解apple pencil

主板正面主要IC：

§红色：Maxim-MAX14654EWC-电路保护芯片

§绿色：Fairchild Semiconductor-FPF1204-电路保护芯片

§青色：Broadcom-BCM59358AOIUPG-触控控制器

§洋红色：ADI(AnalogDevices)-343S00250-触控控制器

主板背面主要IC：

§青色：STMicroelectronics-STM32L052x6-微控制器

§绿色：STMicroelectronics-STM32L476JGY6-微控制器

§黄色：T1-TPS743-电源芯片

§红色：Nordic(NordicSemiconductor)-nRF52832-射频模拟器件

为了保持“笔”的形态， Apple Pencil （第二代）的主板显然经过精心设计。主板的宽度几乎与面积最大元器件的宽度相同，此外，主板上还设有多个控制器芯片，使得主板上的元器件排布相当紧凑。拆解总结通过拆解我们发现，为了让Apple Pencil （第二代）有更好的防护，苹果公司不惜加入了多层金属片并用上一体式设计。

从外部看来，采用了磁吸充电设计避免触控笔没电时只能插在Lightning 接口充电的尴尬，无疑是Apple Pencil （第二代）的最大亮点。但在拆解后你会发现磁吸收纳+ 充电的设计只不过是一个简单的设计，为了让用户能够简单地用手指点两下笔身即可切换功能，苹果公司在Apple Pencil（第二代）内还加入了控制器来实现这一功能。某程度上这也是 Apple Pencil （第二代）主板元器件排布如此紧凑的一个重要原因。

6、华为触摸笔

外壳给去掉后的全家福。

初见 M-pencil 的硬件方案，既惊叹于 PCB 设计的精致，又感叹于目前的芯片集成度和封装技术，这支笔的硬件复杂程度跟难度都远超于一般的物联网设备。大致看了一下，板上的功能大概可以分为无线充电接收部分，电源供给部分，传感器部分，核心控制部分以及无线传输部分。

这里是无线充电接收端的感应线圈，而相对应的背面就是无线充电接收端的电路，下图中没有丝印的这颗芯片（绿色）就是无线充电的控制芯片，不知是定制的产品还是华为海思自己的产品。

顺着无线充电这边就是从电池出来的电源供给部分，为板子上各芯片提供电压。

另外传感器部分又可以分为触摸功能部分以及压力传感器采集处理部分，触摸部分通过汇顶的硬件触摸方案实现，实际表现为切换手写笔的功能；

而压力传感器采集部分是整支手写笔的核心电路之一，并且从实际拆解来看，电路也异常复杂。实现这部分的功能除了前端采集放大电路，主要依靠一颗FPGA芯片以及一颗 MCU 配合实现的。

与压力传感器采集处理电路相对应的另一个核心硬件电路就是控制以及无线连接，但是看了一圈没有找到相应的芯片组，怎么回事？经过观察发现 PCB 中间带有屏蔽罩的器件周围包含了实时时钟以及射频时钟晶振，不难推测屏蔽罩里的就是 MCU 以及无线连接部分的芯片了。

只不过让笔者比较意外的是原本以为它会像 Apple Pencil 那样将无线连接以及 MCU 这两部分分开，但是从这屏蔽罩尺寸来看应该是集成在一起了？再看周围电路很多都是空有焊盘没有元器件，都是空贴，从这都能看出这硬件方案的厉害之处，大幅降低外围元器件，可以有效降低硬件设计难度并减少 PCB 设计的空间，简直就是为小巧的物联网设备量身打造的硬件方案。

STM32WB双核、多协议的无线微控制器芯片。

STM32WB 内部集成了一个 64MHz 的 Arm Cortex-M4 内核作为应用处理器，一个 32MHz 的 Arm Cortex-M0+作为网络处理器，独立两核设计，也就说是射频处理部分不需要占用微控制器的大核心，这样就能更合理的分配性能资源，双核架构下依然做到整体的低功耗，达到性能与功耗的最优平衡点。

在微控制器部分，STM32WB 采用了与 STM32L4 相同的开发技术，换而言之，STM32L4 MCU 有的东西，像多种低功耗模式，数字模拟外设等，这颗无线微控制器也都有，这就方便了，相信熟悉 STM32L4 的工程师也能快速上手这颗器件的开发，简单移植就能量产产品。

在无线连接方面，STM32WB 支持蓝牙 5.0 和 IEEE 802.15.4 无线标准，可以支持网状网络、ZigBee，OpenThread，并且强悍之处在于可以同时运行蓝牙 5.0 和 802.15.4 无线协议。

审核编辑 ：李倩