中心議題：

• 感應(yīng)電容型觸摸屏設(shè)計(jì)與應(yīng)用挑戰(zhàn)
• 從控制器角度看感應(yīng)電容觸控系統(tǒng)

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(lái)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(wú)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(guò)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(lái)描述。SNR可以表示為：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)² = 20log10(RMSS/RMSN)

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(lèi)繁多，它們的名稱形象的說(shuō)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(lèi)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(lái)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(guò)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(lái)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(kāi)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

書(shū)寫(xiě)筆：電阻觸摸屏用戶長(zhǎng)期以來(lái)已經(jīng)習(xí)慣了使用帶有尖的書(shū)寫(xiě)筆。典型電阻觸摸屏?xí)鴮?xiě)筆筆尖直徑小于1mm，通常用不導(dǎo)電的塑料制作。對(duì)于電容觸控系統(tǒng)來(lái) 說(shuō)，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(shū)寫(xiě)筆筆尖直徑很大(3－9mm)， 使得書(shū)寫(xiě)和繪畫(huà)都變的很困難，因?yàn)楣P尖粗會(huì)使得書(shū)寫(xiě)的痕跡很模糊。

只要書(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)筆。圖4說(shuō)明了觸摸屏控制器SNR對(duì) 2mm導(dǎo)電筆尖的書(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)筆將導(dǎo)致有用信號(hào)淹沒(méi)在背景噪聲中，導(dǎo)致書(shū)寫(xiě)筆無(wú)法使用。

圖4. 4英寸屏上使用2mm導(dǎo)電書(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)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(shū)寫(xiě)筆移到屏幕的左邊，信號(hào)將被噪聲淹沒(méi)，書(shū)寫(xiě)筆將無(wú)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(guò)增加觸控系統(tǒng)的靈敏度，當(dāng)使用電子書(shū)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(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)靈敏度。[2]

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(lèi)似，車(chē)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(shū)寫(xiě)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(zhuān)門(mén)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(lái)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(lái)選擇元器件。最 后，從性能的觀點(diǎn)來(lái)看，它提供了精確的觸摸精度?？傊?，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。