簡(jiǎn)介

    自2007年iPhone出現(xiàn)后,，感應(yīng)電容觸摸屏的應(yīng)用范圍就在不斷擴(kuò)大,。盡管如此，真正把感應(yīng)電容觸摸屏集成到設(shè)備中仍存在著很大的挑戰(zhàn),，尤其在液晶顯示器(LCD),、外圍器件產(chǎn)生干擾及嘈雜的環(huán)境中,。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏控制器來對(duì)抗噪聲。一個(gè)高信噪比控制器還會(huì)有其它優(yōu)勢(shì),，下面將會(huì)詳細(xì)描述,。

 

    SNR定義為信號(hào)(有用的信息)和噪聲(無用信號(hào))的功率比。如果信號(hào)和噪聲在相同的負(fù)載下測(cè)量,，SNR可以通過計(jì)算幅度均方根(RMS)的平方獲得,。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用對(duì)數(shù)(dB)來描述,。SNR可以表示為：

 

高SNR意味著測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度比背景噪聲高,。

 

整體觸控性能

 

    主要由兩個(gè)器件決定整體觸控性能：觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器。觸摸屏傳感器種類繁多,，它們的名稱形象的說明了其形狀和結(jié)構(gòu),，例如三角形、菱形,、雪花形,、條形等等。例如,，“菱形”是菱形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu),，而“條形”是行列交叉的網(wǎng)格，像一個(gè)城市的街道,。一些傳感器類型使用一層ITO,，而其它的則需要兩層或三層，這決定于所需的系統(tǒng)性能和觸摸屏控制器芯片,。

 

    通常要根據(jù)觸摸屏控制器結(jié)構(gòu)來決定觸摸屏傳感器樣式和層結(jié)構(gòu)(“堆疊”)以最大化SNR,。例如，在單層互容帶有交叉(搭橋)的菱形樣式中,，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的,，這降低了增益誤差并使行和列的SNR很接近。盡管如此,，仍需要增加一層屏蔽層防止傳感器受到LCD噪聲干擾,。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設(shè)計(jì)限制,，使用更多的樣式和層結(jié)構(gòu),。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制器還可提供額外的好處,，例如較容易找到觸摸中心,，降低了觸摸屏對(duì)環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導(dǎo)電筆,。

 

控制器架構(gòu)

 

    自容式和互容式[1]是兩種主要的電容觸摸屏感應(yīng)檢測(cè)技術(shù),，自容式和互容式的特性簡(jiǎn)單歸納如下：

 

自容式

 

●今天仍在使用的早期技術(shù),。

 

●受限于“鬼點(diǎn)”(相對(duì)于真實(shí)觸摸位置的錯(cuò)誤觸摸位置)，通常為一點(diǎn)觸摸或兩點(diǎn)觸摸,。

 

●菱形樣式最普遍,。

 

●對(duì)LCD噪聲抑制較差。

 

●簡(jiǎn)單,，低成本控制器,。

 

互容式

 

●正在攻占市場(chǎng)的新一代設(shè)計(jì)。

 

●真正的兩點(diǎn)或多點(diǎn)觸摸,。

 

●較高的精度,。

 

●傳感器樣式設(shè)計(jì)更加靈活，這有助于最大化SNR,。

 

●較好的噪聲抑制,。

 

●更復(fù)雜，高成本控制器,。

 

     很多應(yīng)用僅需要一個(gè)或兩個(gè)觸點(diǎn),，因此自容方案更有吸引力，尤其當(dāng)用戶界面的觸摸位置可控以消除“鬼點(diǎn)”的時(shí)候,。自容方案的典型SNR超過30dB,，通常需要在LCD和傳感器的觸摸層底部之間增加屏蔽層，這會(huì)增加成本,，降低顯示亮度,。

 

     其它技術(shù)可被用到自容方案以進(jìn)一步提高SNR。這包括(a)增加每通道的采樣數(shù),；(b)增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這增加了固定噪聲(如來自LCD的噪聲)下的信號(hào)幅度,；(c)在不同頻率采樣以避免固定頻率干擾,，如避開60Hz(這被稱為“頻率抖動(dòng)”)。盡管如此,，該技術(shù)通常會(huì)降低幀率,，增加功耗，這兩樣都是不希望的,。

 

    從以上討論中可以很清楚地看出,，為了最大化SNR并支持兩點(diǎn)或多點(diǎn)的觸摸，互容式是最有希望的感應(yīng)檢測(cè)技術(shù),。圖1的系統(tǒng)框圖歸納了互容式的實(shí)現(xiàn)方法,，即把一個(gè)激勵(lì)信號(hào)加在觸摸屏傳感器電容的一極，把另一極連接到觸摸屏控制器的模擬前端(AFE),，AFE的輸出被轉(zhuǎn)化成數(shù)字格式并在數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中進(jìn)行進(jìn)一步處理,。

 

圖1. 互容式系統(tǒng)框圖

 

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

 

       當(dāng)把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設(shè)備中時(shí)會(huì)遇到很多技術(shù)挑戰(zhàn),。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。

 

      傳感器層設(shè)計(jì)：如今存在各種各樣的觸摸屏傳感器層結(jié)構(gòu),，分別對(duì)應(yīng)材料,、厚度、性能和成本的不同要求,。如圖2所示,。而單層還是多層襯底，“向上”還是“向下”架構(gòu),，X和Y層厚度的變化,，透光膠(OCA)厚度的變化以及其它因素都會(huì)影響傳感器產(chǎn)生的信號(hào)幅度。由于高SNR觸摸屏控制器可以處理較寬動(dòng)態(tài)范圍的觸摸屏傳感器信號(hào),，結(jié)構(gòu)差異引起的影響會(huì)被削弱,。這就給了設(shè)計(jì)者更多的自由去選擇傳感器層結(jié)構(gòu)。

 

圖2. 一種互容式觸摸屏傳感器的層結(jié)構(gòu)(與實(shí)物不成比例),。

 

     厚防護(hù)罩：一些應(yīng)用,，例如銀行ATM機(jī)，可能需要一個(gè)厚玻璃罩來防止顯示器被破壞,。但厚玻璃罩會(huì)降低觸摸信號(hào)強(qiáng)度,，并降低觸摸位置檢測(cè)精度，這是因?yàn)槭种鸽x觸摸屏傳感器距離變大,，導(dǎo)致電容范圍變大,，信號(hào)幅值變低，很難確定精確觸摸位置,，戴手套也會(huì)產(chǎn)生相同的效果,。

 

    LCD VCOM類型： LCD VCOM是“共模電壓”，是LCD屏的參考電壓,。根據(jù)系統(tǒng)要求,，可能采用AC VCOM或DC VCOM。AC VCOM是交變的,，而DC VCOM是恒壓,。前一種方式會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲。

 

    觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡間的氣隙：觸控設(shè)備用戶報(bào)告的最常見問題之一是保護(hù)透鏡破損,。為把產(chǎn)品做得更薄,，電容型觸摸屏傳感器可以被壓到保護(hù)透鏡背面，但當(dāng)替換一個(gè)破損的保護(hù)透鏡時(shí),，觸摸屏傳感器也必須被替換,，這會(huì)增加維修成本。為了避免這個(gè)成本,，以及壓合工藝低良率帶來的成本,，通常會(huì)用一個(gè)襯墊將觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡隔開,。

 

     盡管如此，當(dāng)觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡間出現(xiàn)氣隙時(shí),，觸摸屏傳感器會(huì)很難探測(cè)到手指觸摸行為,，因?yàn)榭諝饨殡姵?shù)低，手指觸摸產(chǎn)生的信號(hào)的強(qiáng)度也低,。解決這種問題的一個(gè)方法是提高觸控系統(tǒng)靈敏度閾值,，但這會(huì)很危險(xiǎn)，因?yàn)閭鞲衅鲿?huì)接收到一些雜散信號(hào),，例如LCD或其它環(huán)境噪聲,，使得觸摸屏傳感器很難從噪聲中區(qū)分出觸摸動(dòng)作。

 

    工業(yè)設(shè)計(jì)要求：一些器件生產(chǎn)商把觸摸屏傳感器直接做在顯示器上以使得整體設(shè)計(jì)更薄,。但這也是有風(fēng)險(xiǎn)的,，因?yàn)橛|摸屏傳感器被直接放在噪聲源上。一個(gè)解決方案是在觸摸屏傳感器和顯示器之間增加一個(gè)屏蔽層,。但多增加一層ITO會(huì)增加整體材料成本,，而且對(duì)透光性有影響。

 

     集成觸摸屏傳感器：為了降低生產(chǎn)成本,，LCD生產(chǎn)商開始把觸摸屏傳感器直接做在偏光鏡下面的彩色濾光片上,。這種方法不需要外部傳感器和壓合，但觸摸屏傳感器更靠近顯示器,，進(jìn)一步增加了傳感器接收到的噪聲,。

 

     觸摸屏控制器位置：電容型觸摸屏控制器通常位于觸摸屏電纜上(芯片在導(dǎo)線或PCB上)，有時(shí)也會(huì)直接放在觸摸屏傳感器上(芯片在玻璃上),。但是為了測(cè)試方便,，有些設(shè)計(jì)需要把觸摸屏控制器放在系統(tǒng)板上。這可能需要很長(zhǎng)的柔性電路板(FPC)來連接觸摸屏傳感器和控制器,。長(zhǎng)FPC會(huì)起到天線的作用,，很容易吸收噪聲，使得觸摸屏控制器很難處理觸摸屏傳感器發(fā)出的弱信號(hào),。

 

     其它噪聲源：移動(dòng)設(shè)備的主要噪聲源是LCD屏、LCD逆變器,、WiFi天線,、GSM天線和設(shè)備中的各種高速電路。環(huán)境噪聲也對(duì)觸控系統(tǒng)有很大影響,，如一些交流電源會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲,，這些噪聲會(huì)經(jīng)由AC適配器傳播。同樣,，當(dāng)把設(shè)備放在臺(tái)式熒光燈等強(qiáng)噪聲源附近時(shí),，觸控系統(tǒng)會(huì)把噪聲誤認(rèn)為有效的觸摸行為,。

 

    通常條件下，對(duì)正常大小的手指(>7mm)而言,，高SNR的控制器不比低SNR的控制器有很大的優(yōu)勢(shì),，只有在在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，如使用書寫筆或使用戴手套的手指輸入,，信號(hào)很弱的時(shí)候優(yōu)勢(shì)才會(huì)體現(xiàn)出來,。低SNR控制器不能把信號(hào)從噪聲中區(qū)分出來。如果降低傳感器閾值以增加探測(cè)靈敏度,，觸控系統(tǒng)則會(huì)很容易被誤觸發(fā),，引起誤操作，這在實(shí)際應(yīng)用中是絕對(duì)不被允許的,。

 

應(yīng)用挑戰(zhàn)

 

     觸摸精度：觸摸精度是觸摸屏傳感器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo),。例如，在虛擬鍵盤應(yīng)用中,，字符被緊湊的排在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi),，精確響應(yīng)觸摸動(dòng)作，避免誤輸入字符很關(guān)鍵,。提高精度的方法之一是在控制器中增加更多的傳感器通道,，支持更高的觸摸屏傳感器網(wǎng)格密度。但這將付出成本的代價(jià),，因?yàn)橛|摸屏傳感器和觸摸屏控制器都需要更多的引腳,。此外，更多的傳感器通道需要在觸摸屏邊界增加更多的走線,，會(huì)增加邊界寬度,。

 

      高SNR觸摸屏控制器能夠增強(qiáng)檢測(cè)精度，因?yàn)樗鼘?duì)弱信號(hào)的檢測(cè)能力更強(qiáng),，并從較大的周邊范圍內(nèi)收集采樣數(shù)據(jù),，而較大的檢測(cè)范圍提供了更多的參考點(diǎn)，從而觸摸位置可以被精確算出,。圖3揭示了觸摸屏控制器SNR對(duì)劃線精度的影響,，這是一個(gè)機(jī)械臂握著一個(gè)4mm金屬片所畫的直線。高SNR控制器畫出的直線顯然比低SNR控制器畫出的直線更平滑,。注意這些測(cè)量結(jié)果都是由相同的觸摸屏傳感器和相同的后處理軟件記錄的,，以保證公正的比較。

 

圖3. 一個(gè)機(jī)器臂握著4mm金屬片畫的直線,。左側(cè)使用的是高SNR的觸摸屏控制器,；

 

       書寫筆：電阻觸摸屏用戶長(zhǎng)期以來已經(jīng)習(xí)慣了使用帶有尖的書寫筆。典型電阻觸摸屏?xí)鴮懝P筆尖直徑小于1mm,，通常用不導(dǎo)電的塑料制作,。對(duì)于電容觸控系統(tǒng)來說，檢測(cè)這樣一個(gè)細(xì)小,、不導(dǎo)電的器件很困難,，因?yàn)樗軌蚪o觸摸屏控制器提供的信號(hào)非常微弱。市場(chǎng)上很多觸控系統(tǒng)使用的書寫筆筆尖直徑很大(3－9mm),，使得書寫和繪畫都變的很困難,，因?yàn)楣P尖粗會(huì)使得書寫的痕跡很模糊。

 

       只要書寫筆用導(dǎo)電材料包裹(一個(gè)相對(duì)較小的犧牲),，高SNR的觸摸屏控制器可以檢測(cè)到1mm直徑筆尖的書寫筆,。圖4說明了觸摸屏控制器SNR對(duì)2mm導(dǎo)電筆尖的書寫筆檢測(cè)結(jié)果的影響。低SNR的控制器很難從背景噪聲中識(shí)別出小筆尖的書寫筆,，尤其在屏幕噪聲最大的部分,。在低SNR情況下使用1mm筆尖的書寫筆將導(dǎo)致有用信號(hào)淹沒在背景噪聲中，導(dǎo)致書寫筆無法使用,。

 

圖4. 4英寸屏上使用2mm導(dǎo)電書寫筆的電容值剖面圖,，左側(cè)剖面使用高SNR觸摸屏控制器；右側(cè)使用低SNR觸摸屏控制器,。書寫筆位于綠色錐體頂部,；白色平面的高度代表了背景噪聲。信噪比的增加有效降低了背景噪聲幅度,，如左圖所示,。如果右圖中的書寫筆移到屏幕的左邊，信號(hào)將被噪聲淹沒,，書寫筆將無法工作,。

 

    非接觸檢測(cè)：接近檢測(cè)逐漸在觸摸屏應(yīng)用中被采用。例如,，通過增加觸控系統(tǒng)的靈敏度,，當(dāng)使用電子書時(shí)，用戶可以手勢(shì)翻頁(yè),，而不需要實(shí)際觸碰屏幕,。但觸控系統(tǒng)增加靈敏度也很容易被環(huán)境噪聲觸發(fā)，設(shè)計(jì)者一直在努力尋找最佳平衡,，既要最大化接近距離,，又不至于引起誤觸發(fā)。三菱在這個(gè)領(lǐng)域做了一些有趣的研究,，他們建了一個(gè)觸控系統(tǒng)，基于觸摸手指是懸空還是真實(shí)觸摸來自動(dòng)調(diào)節(jié)靈敏度,。

 

      戴手套操作：在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中,，觸摸屏需要能在帶著外科手套的情況下工作,。與之類似，車載觸摸屏GPS需要能在冬天戴手套時(shí)使用,，大多數(shù)手套是由介電材料做成的,，這使得觸摸屏傳感器很難檢測(cè)到觸摸動(dòng)作。增加觸摸屏控制器的靈敏度可能在用戶不帶手套時(shí)引起誤觸發(fā),。唯一解決方法是需要應(yīng)用(或用戶)根據(jù)情況選擇不同靈敏度,。

 

結(jié)論

 

    高SNR電容型觸摸屏控制器帶有很多優(yōu)勢(shì)，它可以滿足如書寫筆,，小手指和手套等廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求,。它可以幫助改善觸摸精度而不需要專門的ITO傳感器樣式或增加傳感器通道。它可以滿足各種顯示器及不同背光燈的要求,，同時(shí)保持很好的觸摸性能,，它為傳感器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了更靈活的選擇。使觸控系統(tǒng)可以工作在強(qiáng)噪聲環(huán)境中,，并可減小設(shè)備本身來自LCD,，WiFi天線，GPS天線和AC適配器的噪聲,。它給予設(shè)備OEM商更多的自由來選擇元器件,。最后，從性能的觀點(diǎn)來看,，它提供了精確的觸摸精度,。總之,，高SNR觸摸屏控制器能幫助終端用戶實(shí)現(xiàn)更可靠的應(yīng)用,。

 

參考文獻(xiàn)

 

G. Barrett and R. Omote, "Projected-Capacitive Touch Technology," Information Display, Vol. 26, No. 3, March 2010, pp 16-21.

 

T. Nezu, "Mitsubishi Demos '3D Touch Panel,'" Tech-On!, March 11, 2009.