先進投射電容式觸控技術建構更出色觸摸屏

在蘋果(Apple)iPhone及相關產品中，其概念是首先建構用戶接口——電容式觸控屏幕，而後利用基本的硬件和出色的軟件來實現聯機能力並提供應用支持。經過這種途徑，用戶便可以以新穎直觀的方式與產品進行互動。

 

電阻式觸控屏幕在消費者設備中廣被採用，主要是提供基本的觸控按鍵切換功能或其它簡單的虛擬用戶接口元素(如滾動條控制)。這種技術可實現一種情景式用戶接口方案，有助於縮小設備單元的尺寸和外部複雜性，並提供新的工業設計選擇。不過，電阻式觸控屏幕的光學性能較差，又存在可靠性問題，支持手勢輸入的能力至關有限，並且解釋兩個或更多個同時觸控點的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸控屏幕的使用，導致其迅速讓位於電容式觸控屏幕。

 

過去幾年間，電容式觸控屏幕技術已迅速發展成熟(圖1)，它結合了在低成本硬件上運行的先進算法和精細的材料技術，建立出高度可靠且穩健的用戶接口。

 

圖1 典型的觸控屏幕系統

但早期的電容式觸控屏幕技術，以致目前市面上較低檔產品的分辨率都很低，又存在液晶顯示器(LCD)或其它噪聲源的系統層面干擾問題，致使性能嚴重下降。

 

投射電容式觸控屏幕能夠在目標(如手指)接近或接觸到屏幕表面時檢測到電容的細小變化。當一根手指或多根手指接觸屏幕時，有多種方法對觸控屏幕表面的電容變化進行測量和解釋。電容-數字轉換技術(Capacitive to Digital Conversion, CDC)與用於電荷收集的電極結構的空間排列(一般是顯示屏幕表面的一層透明的感測薄膜)，二者都對所達到的總體性能和簡易設置能力有着重大的影響。

 

提高電容觸控可靠性 CDC/電荷轉移技術缺一不可

對於投射電容式觸控屏幕的電容變化，有兩種基本的排列和測量方法：自電容和互電容。互電容測量法具備按正交矩陣排列的發射和接收電極，這是電容式觸控屏幕可靠地報告和跟蹤多個併發觸控點的惟一方式。爲簡單起見，可假設該技術由許多較小的觸控屏幕組成，這些小觸控屏幕又是經過電極結構的幾何排列而造成，整個裝置被視爲一個完整的觸控屏幕表面。只要可以識別每一個「小」觸控屏幕內的多個觸控點，即可以實現此一功能。因爲可獨立測得矩陣中每一個點的電容耦合，故徹底可以肯定多個觸控點的位置座標。

 

以自電容爲基礎的觸控屏幕卻與之相反。自電容式方案是對整行或整列的電容變化進行測量(與互電容式方案中測量一行和一列的交叉點大相徑庭)。若用戶壓觸兩個地方，這種方法會致使位置不明確。雖然利用軟件有可能對觸碰位置進行某種程度的重建，但老是存在必定的模糊性，於是被解釋的觸控點會產生「鬼點」位置，繼而致使無心的行爲被報告給系統主機。該方案還存在一種有害的反作用，即當兩個觸控點共享同一行或同一列電極時，報告的座標每每「固定」到有關電極，造成嚴重的非線性現象。在實踐中，自電容式只用於單觸控點或極有限的雙觸控點應用(圖2)。

 

圖2 用於多點觸控的自電容式(左)和互電容式(右)觸控屏幕測量之比較

在以互電容爲基礎的系統中，每一個觸控點都由一對(x,y)座標來表示；而在自電容式系統中，觸控點x和y座標的檢測是彼此獨立的。在互電容式系統中，若是出現兩個觸控點，檢測結果由(x1,y3)和(x2,y0)表示，但在自電容式系統中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。所以在自電容式系統是沒法肯定(x1,y0)、(x2,y0)、(x1,y3)和(x2,y3)這些觸控點中哪個是正確的。  

 

CDC測量的基礎方法也對電容式觸控屏幕的工做方式形成重要的影響。有多種技術可用於信號擷取，例如弛張式振盪器(Relaxation Oscillator)、CSA、Sigma Delta轉換器等，並各有其優點和缺陷。從互電容式測量的角度來看，它們都有一個嚴重限制效用的主要缺點：在測量週期中，矩陣裏芯片和互聯之間的配線仍然對觸碰(熱點)很敏感。由於傳感器的邊緣配線會影響計算位置的信號，這種情形將致使測量中的位置錯誤，對測量極爲不利。此外，它還會使從傳感器到驅動器芯片的佈線鏈接幾乎只限於幾釐米以內。上述問題中有些能夠經過當心設計獲得部分解決，但這也同時會對總體性能構成嚴重影響。

 

以愛特梅爾(Atmel)的maXTouch爲例，即採用電荷轉移技術來進行CDC測量，可以在電荷擷取過程當中有效地保持接收線路零電勢，所以只須在主要傳感器區域中目標點上的發射電極X和接收電極Y之間轉移電荷。此外，還可把觸控屏幕附近乃至觸控屏幕表面上的局部溼氣或其它潛在導電材料的影響降至最低。  

 

總括來講，以電極數組中互電容式測量爲基礎的觸控屏幕解決方案不足以實現可靠的解決方案，而必須結合採用了電荷轉移技術的穩健CDC，纔是迄今最好的選擇。

 

電極正交網絡爲傳感器設計關鍵

觸控屏幕中的傳感器由透明基板材料(通常是PET或玻璃)上的一層或多層圖樣化透明導體構成，傳感器位於顯示板之上。爲了建構可以經過玻璃或塑料前面板識別一個或多個手指觸碰的傳感器，必須精心設計電極正交網絡(圖3)。

 

圖3 典型的傳感器圖樣

圖樣化導體(電極)通常是由名爲氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料通過圖樣蝕刻製成。這種材料具備良好的光學透明度，同時仍保持較低的奧姆電阻率。低電阻率十分重要，由於這樣一來，就有可能對數以10個皮法級(picofarad,10-12法拉)背景電容上出現的數以10個毫微微法拉級(femtofarad,10-15法拉)的微小變化進行快速測量。如業者所發表的QMatrix系採用電荷轉移技術，它具備一項基本特性，便可以採用具備良好光學性質的經常使用ITO來製做真正的矩陣傳感器，這裏對觸碰敏感的惟一區域是行、列電極互相耦合的緊鄰地帶。  

 

這種局部耦合意味着行、列電極的全部其它區域大部分都是對觸碰不靈敏的。沒有這種特性，就不可能實現真正的多點觸控觸控屏幕，而只可能經過折衷妥協來知足部分要求。其它CDC技術都試圖仿效真正的矩陣，不過這須要限制性更強的ITO材料：其必須有更低的電阻率和更出色的光學特性。這種更低的電阻率可下降行、列交叉點上的電壓降，減低其固有觸碰靈敏度。不過，因爲沒有采用電荷轉移技術，它們仍然對觸碰具備必定的靈敏性，但這也存在一種折衷妥協，就是較差的多點觸控性能，並在傳感器邊緣附近產生明顯不良影響。

 

PET是最經常使用的兩種基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具優點，但通常須要兩個分離層來實現正交網格。另外一方面，玻璃雖然貴一點，卻容許單層設計，可採用微型交叉結構來橋接共平面兩層結構中的圖樣交叉點。玻璃傳感器的機械穩定性也比PET好得多，所以適合於沉積很是薄的金屬線，其寬度僅爲數十微米。

 

PET技術雖然在這方面進步迅速，但通常仍使用數百微米寬的絲網印刷跡線。而總體目標是儘可能減少傳感器邊緣配線尺寸，由於對小型可攜式設備而言空間彌足珍貴。

 

提升電極密度 實現電容式觸控筆應用

傳感器設計的下一個考慮事項是終端應用所需的分辨率。利用內插法(Interpolation)，能夠至關準確地肯定單觸控點的中心位置所在。不過，當需要分別識別幾個相鄰的觸控點時，就有困難了，這須要很高的電極密度。

 

這種情形下，高電極密度意味着行、列間距應該在5毫米左右或更小，這個要求源於對大拇指和食指指尖之間的距離進行測量，而後除以2。大量的用戶接口試驗顯示，從10～11毫米的間距是空間分辨率和不斷增長的傳感器複雜性之間的最佳折衷。對於單觸控點應用，在某些情形下，把間距增長到5毫米以上也是能夠接受的，但有強大的論據顯示，爲了實現真正出色的單觸控點電容式觸控屏幕，在其核心須要徹底的多點觸控功能，以跟蹤和拒絕因不當心形成的觸控點。

 

還值得一提的是，傳感器的分辨率與每一個軸向的電極數目直接相關，故只要增長更多的行或列，可把間距縮短到5毫米如下，這樣一來，即使傳感器的製做比較複雜，也是頗有益的。更多的通道，同時意味着會出現更高的訊噪比(SNR)。

 

高電極密度還可以實現另外一項重要特性——被動傳導性觸控筆(Stylus)的使用(圖4)。經過正確的傳感器設計，結合最佳CDC方法和先進的觸碰跟蹤演算法，有可能採用尖端尺寸只有3～5毫米的簡單被動傳導性觸控筆。這種功能讓用戶使用短指甲也可以操做電容式觸控用戶接口，並能提供比普通指尖按觸更精確的定位設備。如此一來，擴大了使用電容式觸控屏幕做爲主要輸入源的設備的應用範圍。

 

圖4 觸控筆輸入

觸控芯片與軟件相輔相成

良好的ITO傳感器設計當然十分重要，而一個真正的矩陣CDC也可爲良好的多點觸控設備奠基基礎。不過，實現這一切的基礎芯片和軟件技術，是任何觸控傳感器系統得以成功的關鍵(圖5)。

 

圖5 系統模塊示意圖

與其它設計同樣，觸控屏幕驅動器芯片必須具有全部的芯片常規特性——高整合度、最小佔位面積，以及近似於零的功耗和支持廣大範圍的傳感器設計與實施環境的靈活性。同時也須考慮最佳的速度、功耗和靈活性組合，如控制器芯片可否在典型的低系統Vdd電源下工做？更高的Vdd意味着SNR更好，但同時也會致使功耗升高。另外，電平轉換器是否需要鏈接主機？通訊協議能否在將來擴展而毋須徹底重寫驅動程序？也都須認真思考。

 

目前已有業者推出在芯片上整合完整電容式感測電路的解決方案，毋需外部元件支持電容式感測，並可儘可能下降成本和印刷電路板(PCB)佔位面積要求。該方案前端是一個定製電容式觸控引擎(CTE)，徹底可以對傳感器的原始數據進行不一樣的數字信號處理(DSP)工做，所以，只須在觸碰被確認和必須執行更先進的算法時才喚醒主中央處理器(CPU)。這樣一來，可確保功耗降至最小，使系統的大部分時間都能處於超低功耗工做模式下。不只如此，這類元件都包含系統內可自行編程閃存，故可提供最大的靈活性。在整個工做電壓範圍上，均可以經過常規通訊端口進行系統內升級，毋需額外的接腳或電路。  

 

元件的佈局靈活性是一項很重要的設計參數，一個好的矩陣CDC應該不受到ITO鏈接的觸碰靈敏性(也稱爲熱點跟蹤)的影響。從靈活性的角度來看，無疑是一大優點。它意味着芯片的位置既能夠靠近傳感器，例如像覆晶薄膜(Chip-on-flex)；也能夠遠離傳感器，置於一塊徹底獨立的電路板上。在後一種選擇中，能夠採用被動軟性材料來鏈接ITO和芯片，二者間距離可達100毫米或更遠。  

 

建構最佳觸控屏幕的另外一個關鍵因素是響應時間。筆跡識別須要70～120Hz的XY更新頻率。其它狀況，如使用虛擬鍵盤手指/大拇指同時鍵入，須要在不到100毫秒的時間內向用戶提供積極回饋以實現準確輸入。乍看起來很簡單，但若考慮到各類不一樣的系統延遲，即意味觸控屏幕必須在15毫秒內報告首個肯定的觸碰位置。除非精心設計感測電路，不然可能致使功耗過大，從而縮短電池壽命。

 

值得注意的是，對於最好的CDC方法，ITO鏈接線路上因軟性鏈接而產生的寄生電容僅僅產生次要影響。若選擇錯誤的CDC方法，芯片會因測得無用的背景寄生電容而削弱能力，影響觸控屏幕上的觸碰效果，從而下降SNR和分辨率。

 

強化兩點以上多點觸控辨識度

至此，並無說起如iPhone所採用兩個觸控點以上的實例。消費者已經熟悉了隨iPhone大爲流行的放大和縮小手勢。不過，三、4乃至更多的觸控點又能帶來什麼好處？問題不只僅是設想什麼手勢或應用可以使用這種功能，還在於控制器芯片如何可以利用這種豐富的信息來實現一個更好的解決方案。

 

此類運用的一個例子是跟蹤觸控屏幕邊緣附近的多個觸控點，並將之歸類爲禁止。這種功能可以讓用戶隨意溫馨地手拿小型產品，即便手指和屏幕有少量重疊也不影響觸控屏幕繼續正常工做。不過，這裏暗藏微妙之處。必須對這些被禁止的觸控點進行跟蹤並使其保持被禁止狀態，即便它們誤入工做區域。這意味着控制器必須可以同時惟一且明確地識別、歸類和跟蹤許多個觸控點。  

 

多點觸控數據的另外一個潛在用途是利用結構化方法來識別觸控屏幕表面上的形狀。這一功能可帶來各類可能有用的觸控接口提高。識別鼻子、臉頰甚至耳朵的基本形狀，可進一步避免真實環境中可能由不當心產生的觸碰所形成的觸控屏幕錯誤。隨着更多的觸控點可被惟一地識別並報告給主處理器，設計人員將可利用多個觸控點數據，創造出更多創新應用(圖6)。

 

圖6 同時多點觸控的實例

噪聲和系統問題

如前所述，電容式觸控屏幕控制器可測量出行、列耦合電容上的極小變化。控制器的測量方法對於控制器的外部噪聲易感性有着很大影響。

 

觸控屏幕常遇到的噪聲源之一是LCD自己。它在數微秒的上升/降低時間內測得的瞬態電壓經常達到數伏特，這是極具挑戰性的環境。有些不錯的方法能夠抑制控制器芯片中的這種噪聲，如採用適當的CDC方法，就有可能從源頭上抑制大部分噪聲。第二種方案是在傳感器上增長一個屏蔽層，把噪聲隔離在電極以外。

 

這種方法可能形成傳感器過厚、過於昂貴。第三種也是更好的方法是採用一種新穎的傳感器電極圖樣，帶有兩個ITO層，而且自我向後屏蔽。這種方法很是有用，由於若前面板因觸碰壓力向接地板(好比LCD的前表面)彎曲，它能使傳感器具備抗電容變化的能力。

 

隨着顯示屏技術的發展，有機發光二極管(OLED)顯示屏等設備噪聲已較先前減少許多，且很是適於採用電容式觸控屏幕技術，以及單層或雙層傳感器設計。LCD技術也在不斷演進，適用性逐漸提升。

 

第二大棘手噪聲源是「不固定的」開關模式電源。當置於觸控屏幕設備附近時，其經常把相對於接地的數百伏特的50/60Hz失真波形電容式耦合到整個觸控屏幕設備中。當用戶接觸到設備時，傳感器高效率地變爲電容式分壓器的一部分，產生大量低頻噪聲，影響測量結果。此外，經過巧妙的芯片設計，能夠從源頭基本上消除這種影響，並消除芯片上DSP功能帶來的剩餘噪聲。

 

導入先進技術 電容觸控接口更友善  

總而言之，以優異DSP和微處理器爲基礎的技術，能夠實現高性能的電容式觸控傳感器數組，當用戶觸碰時，其可以產生表面電荷變化的圖像。

 

經過以合適的CDC和互電容式組合爲基礎的傳感器結構和信號擷取技術，系統可以具有抵抗系統干擾和背景加載有害源影響的強大能力。當得到電荷圖像時，就可採用高效率的微處理器技術來處理數據，提供多個觸控點位置數據，或進行更高水平的處理，拒毫不當心形成的觸碰，或者解釋觸控屏幕表面上一個或多個手指移動所表明的手勢，這些手勢可用於簡化許多應用中的用戶接口。  

 

徹底可編程芯片中的系統內建可編程閃存解決方案包含微處理器和DSP功能及普遍的可擴展通訊協議，可爲這類系統提供最高的靈活性。經過適當而有效地處理數據的擷取、處理和報告，能夠在極低的功率預算中實現上述全部功能，適用於要求最嚴苛的電池供電應用。