電阻式觸摸屏在消費(fèi)設(shè)備中的運(yùn)用相當(dāng)普遍，主要用于基本的觸摸按鍵切換功能或其它簡(jiǎn)單的虛擬用戶界面元素(如滾動(dòng)條控制)。這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種情景式用戶界面方案，有助于減小設(shè)備單元的尺寸和外部復(fù)雜性，并提供新的工業(yè)設(shè)計(jì)選擇。不過(guò)，電阻式觸摸屏的光學(xué)性能較差，又存在可靠性問(wèn)題，支持手勢(shì)輸入的效用性相當(dāng)有限，而且解釋兩個(gè)或更多個(gè)同時(shí)觸摸點(diǎn)的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸摸屏的使用，致使其迅速讓位于電容式觸摸屏。
過(guò)去幾年間，電容式觸摸屏技術(shù)已迅速發(fā)展成熟，它結(jié)合了在低成本硬件上運(yùn)行的先進(jìn)算法和成熟完善的材料技術(shù)，創(chuàng)建出高度可靠且穩(wěn)健的用戶界面。但早期的電容式觸摸屏技術(shù)，以至目前市面上較低端產(chǎn)品的分辨率都很低，又存在LCD或其它噪聲源的系統(tǒng)級(jí)干擾問(wèn)題，致使性能?chē)?yán)重降低。
圖1 典型的觸摸屏系統(tǒng)
(說(shuō)明)
前面板
傳感器膜
顯示層
控制器板
投射電容式觸摸屏可以在目標(biāo)(如手指)接近或接觸到屏幕表面時(shí)檢測(cè)到電容的細(xì)小變化。當(dāng)一根手指或多根手指接觸屏幕時(shí)，有多種方法對(duì)觸摸屏表面的電容變化進(jìn)行測(cè)量和解釋。電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)(capacitive to digital conversion, CDC)與用于電荷收集的電極結(jié)構(gòu)的空間排列(通常是顯示屏表面的一層透明的傳感器膜)，二者都對(duì)所達(dá)到的總體性能和簡(jiǎn)易配置能力都有著重大的影響。
對(duì)于投射電容式觸摸屏的電容變化，有兩種基本的排列和測(cè)量方法：自電容和互電容?；ル娙轀y(cè)量法具有按正交矩陣排列的發(fā)射和接收電極，這是電容式觸摸屏可靠地報(bào)告和跟蹤多個(gè)并發(fā)觸摸點(diǎn)的唯一方式。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可假設(shè)該技術(shù)由許多較小的觸摸屏組成，這些小觸摸屏又是通過(guò)電極結(jié)構(gòu)的幾何排列而形成，整個(gè)裝置被視為一個(gè)完整的觸摸屏表面。只要能夠識(shí)別每個(gè)“小”觸摸屏內(nèi)的多個(gè)觸摸點(diǎn)，便能夠?qū)崿F(xiàn)這功能。由于可分別測(cè)得矩陣中每個(gè)點(diǎn)的電容耦合，故完全能夠確定多個(gè)觸摸點(diǎn)的位置坐標(biāo)。
基于自電容的觸摸屏卻與之相反。自電容方案是對(duì)整行或整列的電容變化進(jìn)行測(cè)量(與互電容方案中測(cè)量一行和一列的交叉點(diǎn)截然不同)。若用戶壓觸兩個(gè)地方，這種方法會(huì)導(dǎo)致位置不明確。雖然利用軟件有可能對(duì)觸摸位置進(jìn)行某種程度的重建，但總是存在一定的模糊性，因而被解釋的觸摸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生“鬼點(diǎn)”位置，繼而導(dǎo)致無(wú)意的行為被報(bào)告給系統(tǒng)主機(jī)。該方案還存在一種有害的副作用，即當(dāng)兩個(gè)觸摸點(diǎn)共享同一行或同一列電極時(shí)，報(bào)告的坐標(biāo)往往‘突跳’到有關(guān)電極，形成存在嚴(yán)重非線性現(xiàn)象。在實(shí)踐中，自電容只用于單觸摸點(diǎn)或極有限的雙觸摸點(diǎn)應(yīng)用。
圖2 用于多點(diǎn)觸摸應(yīng)用的自電容和互電容觸摸屏測(cè)量之比較
在基于互電容的系統(tǒng)中，每個(gè)觸摸點(diǎn)都由一對(duì)(x,y)坐標(biāo)來(lái)表示；而在自電容系統(tǒng)中，觸摸點(diǎn) x 和 y 坐標(biāo)的檢測(cè)是彼此獨(dú)立的。在互電容系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)兩個(gè)觸摸點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果由(x1,y3) 和 (x2,y0),表示，但在自電容系統(tǒng)中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自電容系統(tǒng)是無(wú)法確定(x1,y0)、(x2,y0)、 (x1,y3) 和 (x2,y3)這些觸摸點(diǎn)中哪一個(gè)是正確的。
CDC測(cè)量的基礎(chǔ)方法也對(duì)電容式觸摸屏的工作方式有著重要的影響。有多種技術(shù)可用于信號(hào)捕獲，例如弛張振蕩器、CSA、Sigma Delta轉(zhuǎn)換器等，并各有其優(yōu)勢(shì)和缺陷。所有這些技術(shù)在其它資料中均有詳細(xì)描述。從互電容測(cè)量的角度來(lái)看，它們都有一個(gè)會(huì)嚴(yán)重限制效用性的主要缺點(diǎn)：在測(cè)量周期中，矩陣?yán)镄酒突ミB之間的布線仍然對(duì)觸摸(熱點(diǎn))很敏感。因?yàn)閭鞲衅鞯倪吘壊季€會(huì)影響計(jì)算位置的信號(hào)，這種情況將導(dǎo)致測(cè)量中的位置錯(cuò)誤，對(duì)測(cè)量極為不利。它還使得從傳感器到驅(qū)動(dòng)器芯片的布線連接幾乎只限于幾厘米之內(nèi)。上述問(wèn)題中有一些可以通過(guò)精心的設(shè)計(jì)折衷而得到部分解決，但總體性能卻受到嚴(yán)重影響。
愛(ài)特梅爾的maXTouch™ 采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)來(lái)進(jìn)行CDC測(cè)量，能夠在電荷捕獲過(guò)程中有效地保持接收線路零電勢(shì)，因此只需在主要傳感器區(qū)域中目標(biāo)點(diǎn)上的發(fā)射電極X和接收電極Y之間轉(zhuǎn)移電荷。該技術(shù)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即可把觸摸屏附近乃至觸摸屏表面上的局部濕氣或其它潛在導(dǎo)電材料的影響降至最小。
總括而言：基于電極陣列中互電容測(cè)量的觸摸屏解決方案不足以實(shí)現(xiàn)可靠的解決方案。它必須結(jié)合采用了電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的穩(wěn)健的CDC，這是迄今最好的選擇。
傳感器設(shè)計(jì)選擇
觸摸屏中的傳感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一層或多層圖樣化透明導(dǎo)體構(gòu)成。傳感器位于顯示屏之上。為了構(gòu)建能夠透過(guò)玻璃或塑料前面板識(shí)別一個(gè)或多個(gè)手指觸摸的傳感器，必需精心設(shè)計(jì)電極正交網(wǎng)絡(luò)。
圖3 典型的傳感器圖樣
圖樣化導(dǎo)體(電極)一般是由被稱(chēng)為銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料經(jīng)過(guò)圖樣蝕刻制成。這種材料具有良好的光學(xué)透明度，同時(shí)仍保持較低的歐姆電阻率。低電阻率十分重要，因?yàn)檫@樣一來(lái)，就有可能對(duì)數(shù)以10個(gè)皮法級(jí)(picofarad, 10-12 法拉)背景電容上出現(xiàn)的數(shù)以10個(gè)毫微微法拉級(jí)(femtofarad, 10-15 法拉)的微小變化進(jìn)行快速測(cè)量。愛(ài)特梅爾的QMatrix™ 采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它具有一項(xiàng)基本特性，即可以采用具有良好光學(xué)性質(zhì)的常用 ITO 來(lái)制作真正的矩陣傳感器，這里，對(duì)觸摸敏感的唯一區(qū)域是行、列電極互相耦合的緊鄰地帶。
這種局部耦合意味著行、列電極的所有其它區(qū)域大部分都是對(duì)觸摸不靈敏的。沒(méi)有這種特性，就不可能實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)觸控觸摸屏，而只可能通過(guò)重大的折衷妥協(xié)來(lái)滿足部分要求。其它CDC技術(shù)都試圖仿效真正的矩陣，不過(guò)為此需要限制性更強(qiáng)的ITO材料：必須有更低的其電阻率和更出色的光學(xué)特性。這種更低的電阻率可降低行、列交叉點(diǎn)上的電壓降，減小其固有觸摸靈敏度。不過(guò)，由于沒(méi)有采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它們?nèi)匀粚?duì)觸摸具有一定的靈敏性，但這也是一種折衷妥協(xié)，就是會(huì)導(dǎo)致較差的多點(diǎn)觸摸性能，并在傳感器邊緣附近產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。
PET是最常用的兩種基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具優(yōu)勢(shì)，但一般需要兩個(gè)分離層來(lái)實(shí)現(xiàn)正交網(wǎng)格。另一方面，玻璃雖然貴一點(diǎn)，卻允許單層設(shè)計(jì)，可采用微型交叉結(jié)構(gòu)來(lái)橋接共面兩層結(jié)構(gòu)中的圖樣交叉點(diǎn)。玻璃傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性也比 PET 好得多，因此適合于淀積非常薄的金屬化跡線，其寬度僅為數(shù)十微米。PET 技術(shù)雖然在這方面進(jìn)步迅速，現(xiàn)在一般仍使用數(shù)百微米寬的絲網(wǎng)印刷跡線。而總體目標(biāo)是是傳感器邊緣布線尺寸要盡可能地小，因?yàn)榭臻g彌足珍貴，尤其是對(duì)小型便攜式設(shè)備而言。
分辨率
傳感器設(shè)計(jì)的下一個(gè)考慮事項(xiàng)是終端應(yīng)用所需的分辨率。利用插補(bǔ)法(interpolation)，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地確定單觸摸點(diǎn)的中心位置所在。不過(guò)，當(dāng)需要分別識(shí)別幾個(gè)鄰近觸摸點(diǎn)時(shí)，就有困難了。這需要很高的電極密度。
這種情況下，高電極密度意味著行、列間距應(yīng)該在 5mm 左右或更小――這個(gè)要求源于對(duì)大拇指和食指指尖之間的距離進(jìn)行測(cè)量，然后除以2。廣泛的用戶界面試驗(yàn)顯示，從10 mm 到 11mm的間距是空間分辨率和不斷增加的傳感器復(fù)雜性之間的最佳折衷。對(duì)于單觸摸點(diǎn)應(yīng)用，在某些情況下，把間距增加到5mm以上也是可以接受的，但有強(qiáng)大的論據(jù)顯示，為了實(shí)現(xiàn)真正出色的單觸摸點(diǎn)電容式觸摸屏，在其核心需要完全的多點(diǎn)觸摸功能，以跟蹤和拒絕無(wú)意觸摸點(diǎn)。
還值得一提的是傳感器的分辨率與每個(gè)軸向的電極數(shù)目直接相關(guān)，故只要增加更多的行或列，可把間距減小到5mm以下，這樣一來(lái)，即使傳感器的制作比較復(fù)雜，也是很有益的。更多的通道同時(shí)意味著更高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。
高電極密度還能夠?qū)崿F(xiàn)另一項(xiàng)重要特性――無(wú)源傳導(dǎo)性手寫(xiě)筆(stylus)的使用。通過(guò)正確的傳感器設(shè)計(jì)，結(jié)合最佳CDC方法和超先進(jìn)的觸摸跟蹤算法，有可能采用尖端尺寸只有3-5 mm的簡(jiǎn)單無(wú)源傳導(dǎo)性手寫(xiě)筆。這種功能讓用戶使用短指甲也能夠操作電容式觸摸用戶界面，并能提供比普通指尖按觸更精確的定位設(shè)備。如此一來(lái)，擴(kuò)大了使用電容式觸摸屏作為主要輸入源的設(shè)備的應(yīng)用范圍。
圖4 手寫(xiě)筆輸入
觸摸屏驅(qū)動(dòng)器芯片
良好的ITO傳感器的設(shè)計(jì)固然至關(guān)重要，而一個(gè)真正的矩陣 CDC也可為良好的多點(diǎn)觸摸設(shè)備奠定基礎(chǔ)。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)芯片和軟件技術(shù)，是任何觸摸傳感器系統(tǒng)得以成功的關(guān)鍵所在。
與任何其它設(shè)計(jì)一樣，觸摸屏驅(qū)動(dòng)器芯片必須具備所有的芯片常規(guī)特性――高集成度、最小占位面積，以及近似于零的功耗和支持廣大范圍的傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)施環(huán)境的靈活性。提供最佳的速度、功耗和靈活性組合，必須非常認(rèn)真地考慮。控制器芯片能否在典型的低系統(tǒng)Vdd電源下工作？更高的Vdd意味著SNR更好，但同時(shí)也會(huì)致使功耗升高。電平轉(zhuǎn)換器是否需要連接主機(jī)？通信協(xié)議可否在未來(lái)擴(kuò)展而無(wú)需完全重寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序？
圖5 系統(tǒng)模塊示意圖
maXTouch在片上集成了整個(gè)電容式感測(cè)電路，提供了完整的解決方案，無(wú)需外部組件支持電容式感測(cè)，并可最大限度地減小成本和 PCB 占位面積要求。該器件前端是一個(gè)定制電容式觸摸引擎(Capacitive Touch Engine, CTE)，完全能夠?qū)鞲衅鞯脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行不同的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)工作，因此，只需在觸摸被確認(rèn)和必須執(zhí)行更先進(jìn)的算法時(shí)才喚醒主AVR® CPU。這樣一來(lái)確保了功耗最小化，使系統(tǒng)的大部分都能在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于超低功耗工作模式下。
maXTouch器件都包含有系統(tǒng)內(nèi)自編程閃存，故可提供最大的靈活性。在整個(gè)工作電壓范圍上，maXTouch器件均能夠通過(guò)常規(guī)通信端口進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)升級(jí)，無(wú)需額外的引腳或電路。
器件的布局靈活性是一項(xiàng)很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。一個(gè)好的矩陣CDC應(yīng)該不受到ITO連接的觸摸靈敏性(也稱(chēng)為熱點(diǎn)跟蹤)的影響。從靈活性的角度來(lái)看，這無(wú)疑是一大優(yōu)勢(shì)。它意味著芯片的位置既可以靠近傳感器，比如象柔性芯片(chip-on-flex)那樣，也可以遠(yuǎn)離，設(shè)置于一塊完全獨(dú)立的電路板上。在后一種選擇中，可以采用無(wú)源柔性材料來(lái)連接 ITO和芯片，二者間距離可達(dá)100mm或更遠(yuǎn)。
構(gòu)建最佳觸摸屏的另一個(gè)關(guān)鍵因素是響應(yīng)時(shí)間。筆跡識(shí)別需要 70 Hz 到 120 Hz 的 XY 更新頻率。其它情況，比如使用虛擬鍵盤(pán)手指/大拇指同時(shí)鍵入，需要在不到100ms 的時(shí)間內(nèi)向用戶提供積極反饋以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確輸入。這乍看起來(lái)似乎很簡(jiǎn)單，但若考慮到各種不同的系統(tǒng)延時(shí)，通常就意味著觸摸屏必需在15ms內(nèi)報(bào)告首個(gè)確定的觸摸位置。除非精心設(shè)計(jì)感測(cè)電路，否則這可能會(huì)導(dǎo)致功耗過(guò)大，從而縮短電池壽命。
還有一點(diǎn)值得注意的是，對(duì)于最好的CDC方法，ITO連接線路上因柔性連接而產(chǎn)生的寄生電容僅僅產(chǎn)生次要影響。若選擇了錯(cuò)誤的CDC方法，芯片會(huì)因測(cè)量到無(wú)用的背景寄生電容而削弱能力，損及觸摸屏上的觸摸效果，從而降低 SNR 和分辨率。
多點(diǎn)觸摸
至此，在有關(guān)多點(diǎn)觸摸的討論中，并沒(méi)有重點(diǎn)提及 2個(gè)觸摸點(diǎn)以上的用戶案例的重要性。我們已經(jīng)熟悉了隨 iPhone 而大為流行的放大和縮小手勢(shì)。事實(shí)上，在iPhone面世之前很久，這類(lèi)手勢(shì)就已開(kāi)始用于更大的多點(diǎn)觸摸界面了。不過(guò)，3、4乃至更多的觸摸點(diǎn)又怎么樣呢？問(wèn)題不僅僅是設(shè)想什么手勢(shì)或應(yīng)用可使用這種功能，還在于控制器芯片如何能夠利用這種豐富的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)更好的解決方案。
此類(lèi)運(yùn)用的一個(gè)例子是跟蹤觸摸屏邊緣附近的多個(gè)觸摸點(diǎn)，并將之歸類(lèi)為禁止。這種功能可讓用戶隨意舒適地手拿小型產(chǎn)品，即使手指和屏幕有少許重疊也不影響觸摸屏繼續(xù)正常工作。不過(guò)，這里暗藏微妙之處。必須對(duì)這些被禁止的觸摸點(diǎn)進(jìn)行跟蹤并使其保持被禁止?fàn)顟B(tài)，即使它們誤入工作區(qū)域。這意味著控制器必須能夠同時(shí)唯一且明確地識(shí)別、歸類(lèi)和跟蹤許多個(gè)觸摸點(diǎn)。
基本的多點(diǎn)觸摸數(shù)據(jù)的另一個(gè)潛在用途是利用結(jié)構(gòu)化方法來(lái)識(shí)別觸摸屏表面上的形狀。這一功能可帶來(lái)各種可能有用的觸摸界面提升。識(shí)別鼻子、臉頰甚至耳朵的基本形狀，可進(jìn)一步避免真實(shí)環(huán)境中可能導(dǎo)致觸摸屏錯(cuò)誤觸發(fā)的無(wú)意觸摸。
不過(guò)，隨著更多的觸摸點(diǎn)可被唯一地識(shí)別并報(bào)告給主機(jī)，應(yīng)用將開(kāi)始利用多個(gè)觸摸點(diǎn)數(shù)據(jù)。
圖6 同時(shí)多點(diǎn)觸摸的實(shí)例
噪聲和系統(tǒng)問(wèn)題
如前所述，電容式觸摸屏控制器可測(cè)量出行、列耦合電容上的極小變化?？刂破鞯臏y(cè)量方法對(duì)于控制器的外部噪聲易感性有著很大影響。
觸摸屏常遇到的噪聲源之一是LCD本身。它在數(shù)微秒的上升/下降時(shí)間內(nèi)測(cè)得的瞬態(tài)電壓常常達(dá)到數(shù)伏特――這是極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。有些不錯(cuò)的方法可以抑制控制器芯片中的這種噪聲。比如采用適當(dāng)?shù)腃DC(電荷轉(zhuǎn)移)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加一個(gè)屏蔽層，把噪聲隔離在電極之外。這種方法可能造成傳感器過(guò)厚、過(guò)于昂貴。第三種也是更好的方法是采用一種新穎的傳感器電極圖樣，帶有兩個(gè)ITO層，并且自我后向屏蔽。這種方法非常有用，因?yàn)槿羟懊姘逡蛴|摸壓力向接地板(比如 LCD的前表面)彎曲，它能使傳感器具有抗電容變化的能力。
隨著顯示屏技術(shù)的發(fā)展，OLED顯示屏等設(shè)備能夠提供噪聲小得多的環(huán)境，并非常適于采用電容式觸摸屏技術(shù)。OLED顯示屏適合于單層或雙層傳感器設(shè)計(jì)。LCD技術(shù)也在不斷演進(jìn)，適用性逐漸提高。第二大棘手噪聲源是‘不固定的’開(kāi)關(guān)模式電源。當(dāng)置于觸摸屏設(shè)備鄰近時(shí)，其常常把相對(duì)于接地的數(shù)百伏特的50/60 Hz失真波形電容式耦合到整個(gè)觸摸屏設(shè)備中。當(dāng)用戶觸摸設(shè)備時(shí)，傳感器高效地變?yōu)殡娙菔椒謮浩鞯囊徊糠?，產(chǎn)生大量低頻噪聲，影響測(cè)量結(jié)果。此外，通過(guò)巧妙的芯片設(shè)計(jì)，可以從源頭基本上消除這種影響，并消除片上DSP功能帶來(lái)的剩余噪聲。
總結(jié)
總而言之，利用基于一流 DSP和微處理器的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高性能的電容式觸摸傳感器陣列，當(dāng)用戶觸摸時(shí)，其能夠產(chǎn)生表面電荷變化的圖像。
通過(guò)使用基于合適的CDC (電荷轉(zhuǎn)移)和互電容(QMatrix)組合的傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)捕獲技術(shù)，系統(tǒng)能夠具備抵抗系統(tǒng)干擾和背景加載有害源影響的強(qiáng)大能力。
在獲得電荷圖像時(shí)，就可采用高效的微處理器技術(shù)(AVR)來(lái)處理數(shù)據(jù)，提供多個(gè)觸摸點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，或進(jìn)行更高水平的處理，拒絕無(wú)意觸摸點(diǎn)，或者解釋觸摸屏表面上一個(gè)或多個(gè)手指移動(dòng)所代表的手勢(shì)，這些手勢(shì)可用于簡(jiǎn)化許多應(yīng)用中的用戶界面。
完全可編程芯片中的系統(tǒng)內(nèi)可建編程閃存解決方案包含了微處理器和DSP功能，以及廣泛的可擴(kuò)展通信協(xié)議，可為這類(lèi)系統(tǒng)提供盡可能高的靈活性。
通過(guò)適當(dāng)而高效地處理數(shù)據(jù)的捕獲、處理和報(bào)告，可以在極低的功率預(yù)算中實(shí)現(xiàn)上述所有功能，適用于要求最嚴(yán)苛的電池供電應(yīng)用。