先进投射电容式触控技术建构更出色触摸屏

在苹果(Apple)iPhone及相关产品中，其概念是首先建构用户接口——电容式触控屏幕，然后利用基本的硬件和出色的软件来实现联机能力并提供应用支持。通过这种途径，用户便能够以新颖直观的方式与产品进行互动。

 

电阻式触控屏幕在消费者设备中广被采用，主要是提供基本的触控按键切换功能或其它简单的虚拟用户接口元素(如滚动条控制)。这种技术可实现一种情景式用户接口方案，有助于缩小设备单元的尺寸和外部复杂性，并提供新的工业设计选择。不过，电阻式触控屏幕的光学性能较差，又存在可靠性问题，支持手势输入的能力相当有限，而且解释两个或更多个同时触控点的能力也很低，这些不足之处都限制了电阻式触控屏幕的使用，致使其迅速让位于电容式触控屏幕。

 

过去几年间，电容式触控屏幕技术已迅速发展成熟(图1)，它结合了在低成本硬件上运行的先进算法和精细的材料技术，创建出高度可靠且稳健的用户接口。

 

图1 典型的触控屏幕系统

但早期的电容式触控屏幕技术，以至目前市面上较低档产品的分辨率都很低，又存在液晶显示器(LCD)或其它噪声源的系统层面干扰问题，导致性能严重降低。

 

投射电容式触控屏幕可以在目标(如手指)接近或接触到屏幕表面时检测到电容的细小变化。当一根手指或多根手指接触屏幕时，有多种方法对触控屏幕表面的电容变化进行测量和解释。电容-数字转换技术(Capacitive to Digital Conversion, CDC)与用于电荷收集的电极结构的空间排列(通常是显示屏幕表面的一层透明的感测薄膜)，两者都对所达到的整体性能和简易设置能力有着重大的影响。

 

提升电容触控可靠性 CDC/电荷转移技术缺一不可

对于投射电容式触控屏幕的电容变化，有两种基本的排列和测量方法：自电容和互电容。互电容测量法具有按正交矩阵排列的发射和接收电极，这是电容式触控屏幕可靠地报告和跟踪多个并发触控点的唯一方式。为简单起见，可假设该技术由许多较小的触控屏幕组成，这些小触控屏幕又是通过电极结构的几何排列而形成，整个装置被视为一个完整的触控屏幕表面。只要能够识别每个“小”触控屏幕内的多个触控点，便可以实现此一功能。由于可独立测得矩阵中每个点的电容耦合，故完全能够确定多个触控点的位置坐标。

 

以自电容为基础的触控屏幕却与之相反。自电容式方案是对整行或整列的电容变化进行测量(与互电容式方案中测量一行和一列的交叉点截然不同)。若用户压触两个地方，这种方法会导致位置不明确。虽然利用软件有可能对触碰位置进行某种程度的重建，但总是存在一定的模糊性，因而被解释的触控点会产生“鬼点”位置，继而导致无意的行为被报告给系统主机。该方案还存在一种有害的副作用，即当两个触控点共享同一行或同一列电极时，报告的坐标往往“固定”到有关电极，形成严重的非线性现象。在实践中，自电容式只用于单触控点或极有限的双触控点应用(图2)。

 

图2 用于多点触控的自电容式(左)和互电容式(右)触控屏幕测量之比较

在以互电容为基础的系统中，每个触控点都由一对(x,y)坐标来表示；而在自电容式系统中，触控点x和y坐标的检测是彼此独立的。在互电容式系统中，如果出现两个触控点，检测结果由(x1,y3)和(x2,y0)表示，但在自电容式系统中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自电容式系统是无法确定(x1,y0)、(x2,y0)、(x1,y3)和(x2,y3)这些触控点中哪一个是正确的。  

 

CDC测量的基础方法也对电容式触控屏幕的工作方式造成重要的影响。有多种技术可用于信号撷取，例如弛张式振荡器(Relaxation Oscillator)、CSA、Sigma Delta转换器等，并各有其优势和缺陷。从互电容式测量的角度来看，它们都有一个严重限制效用的主要缺点：在测量周期中，矩阵里芯片和互联之间的配线仍然对触碰(热点)很敏感。因为传感器的边缘配线会影响计算位置的信号，这种情形将导致测量中的位置错误，对测量极为不利。此外，它还会使从传感器到驱动器芯片的布线连接几乎只限于几厘米之内。上述问题中有些可以通过小心设计得到部分解决，但这也同时会对整体性能构成严重影响。

 

以爱特梅尔(Atmel)的maXTouch为例，即采用电荷转移技术来进行CDC测量，能够在电荷撷取过程中有效地保持接收线路零电势，因此只须在主要传感器区域中目标点上的发射电极X和接收电极Y之间转移电荷。此外，还可把触控屏幕附近乃至触控屏幕表面上的局部湿气或其它潜在导电材料的影响降至最低。  

 

总括来说，以电极数组中互电容式测量为基础的触控屏幕解决方案不足以实现可靠的解决方案，而必须结合采用了电荷转移技术的稳健CDC，才是迄今最好的选择。

 

电极正交网络为传感器设计关键

触控屏幕中的传感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一层或多层图样化透明导体构成，传感器位于显示板之上。为了建构能够通过玻璃或塑料前面板识别一个或多个手指触碰的传感器，必须精心设计电极正交网络(图3)。

 

图3 典型的传感器图样

图样化导体(电极)一般是由名为氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料经过图样蚀刻制成。这种材料具有良好的光学透明度，同时仍保持较低的奥姆电阻率。低电阻率十分重要，因为这样一来，就有可能对数以10个皮法级(picofarad,10-12法拉)背景电容上出现的数以10个毫微微法拉级(femtofarad,10-15法拉)的微小变化进行快速测量。如业者所发表的QMatrix系采用电荷转移技术，它具有一项基本特性，即可以采用具有良好光学性质的常用ITO来制作真正的矩阵传感器，这里对触碰敏感的唯一区域是行、列电极互相耦合的紧邻地带。  

 

这种局部耦合意味着行、列电极的所有其它区域大部分都是对触碰不灵敏的。没有这种特性，就不可能实现真正的多点触控触控屏幕，而只可能通过折衷妥协来满足部分要求。其它CDC技术都试图仿效真正的矩阵，不过这需要限制性更强的ITO材料：其必须有更低的电阻率和更出色的光学特性。这种更低的电阻率可降低行、列交叉点上的电压降，减低其固有触碰灵敏度。不过，由于没有采用电荷转移技术，它们仍然对触碰具有一定的灵敏性，但这也存在一种折衷妥协，就是较差的多点触控性能，并在传感器边缘附近产生明显不良影响。

 

PET是最常用的两种基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具优势，但一般需要两个分离层来实现正交网格。另一方面，玻璃虽然贵一点，却允许单层设计，可采用微型交叉结构来桥接共平面两层结构中的图样交叉点。玻璃传感器的机械稳定性也比PET好得多，因此适合于沉积非常薄的金属线，其宽度仅为数十微米。

 

PET技术虽然在这方面进步迅速，但一般仍使用数百微米宽的丝网印刷迹线。而整体目标是尽量减小传感器边缘配线尺寸，因为对小型可携式设备而言空间弥足珍贵。

 

提高电极密度 实现电容式触控笔应用

传感器设计的下一个考虑事项是终端应用所需的分辨率。利用内插法(Interpolation)，可以相当准确地确定单触控点的中心位置所在。不过，当须要分别识别几个相邻的触控点时，就有困难了，这需要很高的电极密度。

 

这种情形下，高电极密度意味着行、列间距应该在5毫米左右或更小，这个要求源于对大拇指和食指指尖之间的距离进行测量，然后除以2。大量的用户接口试验显示，从10～11毫米的间距是空间分辨率和不断增加的传感器复杂性之间的最佳折衷。对于单触控点应用，在某些情形下，把间距增加到5毫米以上也是可以接受的，但有强大的论据显示，为了实现真正出色的单触控点电容式触控屏幕，在其核心需要完全的多点触控功能，以跟踪和拒绝因不小心造成的触控点。

 

还值得一提的是，传感器的分辨率与每个轴向的电极数目直接相关，故只要增加更多的行或列，可把间距缩短到5毫米以下，这样一来，即便传感器的制作比较复杂，也是很有益的。更多的通道，同时意味着会出现更高的讯噪比(SNR)。

 

高电极密度还能够实现另一项重要特性——被动传导性触控笔(Stylus)的使用(图4)。通过正确的传感器设计，结合最佳CDC方法和先进的触碰跟踪演算法，有可能采用尖端尺寸只有3～5毫米的简单被动传导性触控笔。这种功能让用户使用短指甲也能够操作电容式触控用户接口，并能提供比普通指尖按触更精确的定位设备。如此一来，扩大了使用电容式触控屏幕作为主要输入源的设备的应用范围。

 

图4 触控笔输入

触控芯片与软件相辅相成

良好的ITO传感器设计固然十分重要，而一个真正的矩阵CDC也可为良好的多点触控设备奠定基础。不过，实现这一切的基础芯片和软件技术，是任何触控传感器系统得以成功的关键(图5)。

 

图5 系统模块示意图

与其它设计一样，触控屏幕驱动器芯片必须具备所有的芯片常规特性——高整合度、最小占位面积，以及近似于零的功耗和支持广大范围的传感器设计与实施环境的灵活性。同时也须考虑最佳的速度、功耗和灵活性组合，如控制器芯片能否在典型的低系统Vdd电源下工作？更高的Vdd意味着SNR更好，但同时也会导致功耗升高。另外，电平转换器是否须要连接主机？通信协议可否在未来扩展而毋须完全重写驱动程序？也都须认真思考。

 

目前已有业者推出在芯片上整合完整电容式感测电路的解决方案，毋需外部元件支持电容式感测，并可尽量降低成本和印刷电路板(PCB)占位面积要求。该方案前端是一个定制电容式触控引擎(CTE)，完全能够对传感器的原始数据进行不同的数字信号处理(DSP)工作，因此，只须在触碰被确认和必须执行更先进的算法时才唤醒主中央处理器(CPU)。这样一来，可确保功耗降至最小，使系统的大部分时间都能处于超低功耗工作模式下。不仅如此，这类元件都包含系统内可自行编程闪存，故可提供最大的灵活性。在整个工作电压范围上，均能够通过常规通信端口进行系统内升级，毋需额外的接脚或电路。  

 

元件的布局灵活性是一项很重要的设计参数，一个好的矩阵CDC应该不受到ITO连接的触碰灵敏性(也称为热点跟踪)的影响。从灵活性的角度来看，无疑是一大优势。它意味着芯片的位置既可以靠近传感器，例如像覆晶薄膜(Chip-on-flex)；也可以远离传感器，置于一块完全独立的电路板上。在后一种选择中，可以采用被动软性材料来连接ITO和芯片，两者间距离可达100毫米或更远。  

 

建构最佳触控屏幕的另一个关键因素是响应时间。笔迹识别需要70～120Hz的XY更新频率。其它情况，如使用虚拟键盘手指/大拇指同时键入，需要在不到100毫秒的时间内向用户提供积极回馈以实现准确输入。乍看起来很简单，但若考虑到各种不同的系统延迟，即意味触控屏幕必须在15毫秒内报告首个确定的触碰位置。除非精心设计感测电路，否则可能导致功耗过大，从而缩短电池寿命。

 

值得注意的是，对于最好的CDC方法，ITO连接线路上因软性连接而产生的寄生电容仅仅产生次要影响。若选择错误的CDC方法，芯片会因测得无用的背景寄生电容而削弱能力，影响触控屏幕上的触碰效果，从而降低SNR和分辨率。

 

强化两点以上多点触控辨识度

至此，并没有提及如iPhone所采用两个触控点以上的实例。消费者已经熟悉了随iPhone大为流行的放大和缩小手势。不过，3、4乃至更多的触控点又能带来什么好处？问题不仅仅是设想什么手势或应用可使用这种功能，还在于控制器芯片如何能够利用这种丰富的信息来实现一个更好的解决方案。

 

此类运用的一个例子是跟踪触控屏幕边缘附近的多个触控点，并将之归类为禁止。这种功能可让用户随意舒适地手拿小型产品，即使手指和屏幕有少许重叠也不影响触控屏幕继续正常工作。不过，这里暗藏微妙之处。必须对这些被禁止的触控点进行跟踪并使其保持被禁止状态，即使它们误入工作区域。这意味着控制器必须能够同时唯一且明确地识别、归类和跟踪许多个触控点。  

 

多点触控数据的另一个潜在用途是利用结构化方法来识别触控屏幕表面上的形状。这一功能可带来各种可能有用的触控接口提升。识别鼻子、脸颊甚至耳朵的基本形状，可进一步避免真实环境中可能由不小心产生的触碰所造成的触控屏幕错误。随着更多的触控点可被唯一地识别并报告给主处理器，设计人员将可利用多个触控点数据，创造出更多创新应用(图6)。

 

图6 同时多点触控的实例

噪声和系统问题

如前所述，电容式触控屏幕控制器可测量出行、列耦合电容上的极小变化。控制器的测量方法对于控制器的外部噪声易感性有着很大影响。

 

触控屏幕常遇到的噪声源之一是LCD本身。它在数微秒的上升/下降时间内测得的瞬态电压常常达到数伏特，这是极具挑战性的环境。有些不错的方法可以抑制控制器芯片中的这种噪声，如采用适当的CDC方法，就有可能从源头上抑制大部分噪声。第二种方案是在传感器上增加一个屏蔽层，把噪声隔离在电极之外。

 

这种方法可能造成传感器过厚、过于昂贵。第三种也是更好的方法是采用一种新颖的传感器电极图样，带有两个ITO层，并且自我向后屏蔽。这种方法非常有用，因为若前面板因触碰压力向接地板(比如LCD的前表面)弯曲，它能使传感器具有抗电容变化的能力。

 

随着显示屏技术的发展，有机发光二极管(OLED)显示屏等设备噪声已较先前减小许多，且非常适于采用电容式触控屏幕技术，以及单层或双层传感器设计。LCD技术也在不断演进，适用性逐渐提高。

 

第二大棘手噪声源是“不固定的”开关模式电源。当置于触控屏幕设备附近时，其常常把相对于接地的数百伏特的50/60Hz失真波形电容式耦合到整个触控屏幕设备中。当用户接触到设备时，传感器高效率地变为电容式分压器的一部分，产生大量低频噪声，影响测量结果。此外，通过巧妙的芯片设计，可以从源头基本上消除这种影响，并消除芯片上DSP功能带来的剩余噪声。

 

导入先进技术 电容触控接口更友善  

总而言之，以优异DSP和微处理器为基础的技术，可以实现高性能的电容式触控传感器数组，当用户触碰时，其能够产生表面电荷变化的图像。

 

通过以合适的CDC和互电容式组合为基础的传感器结构和信号撷取技术，系统能够具备抵抗系统干扰和背景加载有害源影响的强大能力。当获得电荷图像时，就可采用高效率的微处理器技术来处理数据，提供多个触控点位置数据，或进行更高水平的处理，拒绝不小心造成的触碰，或者解释触控屏幕表面上一个或多个手指移动所代表的手势，这些手势可用于简化许多应用中的用户接口。  

 

完全可编程芯片中的系统内建可编程闪存解决方案包含微处理器和DSP功能及广泛的可扩展通信协议，可为这类系统提供最高的灵活性。通过适当而有效地处理数据的撷取、处理和报告，可以在极低的功率预算中实现上述所有功能，适用于要求最严苛的电池供电应用。