1、電容式觸控技術(shù)的定義

2、電容式觸控技術(shù)的工作原理

3、電容式觸控技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

二、電容式觸控技術(shù)的應(yīng)用及解決方案

1、電容式觸控技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用

2、多點(diǎn)電容式觸摸技術(shù)的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)

3、賽普拉斯的電容式觸控技術(shù)解決方案

4、ADI 的電容式觸控技術(shù)方案

三、電容式觸控技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力及趨勢(shì)

1、電容式觸控技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力及趨勢(shì)

2、電容式觸控技術(shù)再精進(jìn)　電荷轉(zhuǎn)移橫向模式技術(shù)誕生

電容式觸控技術(shù)主要是應(yīng)用人力的電流感應(yīng)技術(shù)進(jìn)行工作.當(dāng)手指觸摸到金屬層上時(shí),人體電場(chǎng)、用戶(hù)和觸控屏表面形成一個(gè)耦合電容,對(duì)于高頻電流來(lái)說(shuō),電容是直接導(dǎo)體,于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流,這個(gè)電流從觸控屏四角上的電極中流出,經(jīng)過(guò)四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比,控制器通過(guò)對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算,得出觸摸點(diǎn)的位置信息.

電容式觸控技術(shù)的工作原理

電容式觸控面板的應(yīng)用需由觸控面板(Touch Panel)、控制器(Touch CONtroller)及軟件驅(qū)動(dòng)程序(Utility)等3部分分別說(shuō)明.

觸控面板

一般電容式觸控面板是在透明玻璃表面鍍上一層氧化銻錫薄膜(ATO Layer)及保護(hù)膜(Hard Coat Layer)而與液晶銀幕(LCD Monitor)間則需作防電子訊號(hào)干擾處理(ShieldedLayer).下圖為電容式觸控面板的側(cè)面結(jié)構(gòu).

人與觸控面板沒(méi)有接觸時(shí),各種電極(Electrode)是同電位的,觸控面板沒(méi)有上沒(méi)有電流(ELECTRICCurrent)通過(guò).當(dāng)與觸控面板接觸時(shí),人體內(nèi)的靜電流入地面而產(chǎn)生微弱電流通過(guò).檢測(cè)電極依電流值變化,可以算出接觸的位置.玻璃表面上氧化銻錫薄膜(ATO)層有電阻系數(shù),為了得到一樣電場(chǎng)所以在其外圍安裝電極,電流從四邊或者四個(gè)角輸入.

從4條邊上輸入時(shí),等電場(chǎng)是通過(guò)4角周?chē)碾娮栊∮?條邊上的阻抗分配方式所得到的.對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言,有在透明導(dǎo)電膜(ATO Layer)上安裝一組電阻基版類(lèi)型;也有對(duì)透明導(dǎo)電膜(ATOLayer)作蝕刻所行成的類(lèi)型.從4角輸入時(shí),一般通過(guò)印刷額緣電阻與透明導(dǎo)電膜(ATO Layer)組合得到等電場(chǎng).

從4條邊上輸入時(shí),根據(jù)上下、左右電流比計(jì)算就可以得出,檢測(cè)方法較為簡(jiǎn)單.從4條角輸入時(shí),檢測(cè)方法要得出與4條邊的距離比,位置計(jì)算也較為復(fù)雜.舉例來(lái)說(shuō),假設(shè)觸控面板位置中心為0,X軸與Y軸位置可以下面方程式計(jì)算出:

X軸:L1+L4-L2-L3/L1+L2+L3+L4

Y軸:L3+L4-L1-L2/L1+L2+L3+L4

控制器

控制器(TouchController)也是電容式觸控面板應(yīng)用上不可或缺的一員,由于不平衡的透明導(dǎo)電膜(ATOLayer)厚度會(huì)造成工作位置精度的偏差,且觸控面板做的愈大此情形愈加明顯.因此為了得到正確位置精度,需藉由控制器作線(xiàn)性分析及補(bǔ)償.

控制器經(jīng)由多點(diǎn)(多為25點(diǎn))線(xiàn)性補(bǔ)償功能(Multi-point Linearity CompensationFunction),將補(bǔ)償數(shù)據(jù)(Compensation Data)紀(jì)錄于EEPROM中,以對(duì)通過(guò)不平衡的透明導(dǎo)電膜而引起的偏差進(jìn)行補(bǔ)償.通常此對(duì)策能將線(xiàn)性偏差(AccuracyTolerance)控制在1%以下.

但上述情形是建立在理想狀況下,實(shí)際操作時(shí),「漂移現(xiàn)象」(DriftPhenomenon)一直是電容式觸控面板應(yīng)用亟待克服的問(wèn)題,由于流經(jīng)電容式觸控面板訊號(hào)是非常微弱的,且直接受溫度、濕度、手指濕潤(rùn)程度、人體體重、地面干擾與線(xiàn)路寄生電容所影響,而多點(diǎn)線(xiàn)性補(bǔ)償功能只能解決局部區(qū)域線(xiàn)性問(wèn)題,無(wú)法解決整體的漂移現(xiàn)象.

軟件驅(qū)動(dòng)程序

軟件驅(qū)動(dòng)程序(Utility)對(duì)于不同作業(yè)平臺(tái)支持的能力通常反映在一家公司的競(jìng)爭(zhēng)力及市占率上,一般軟件驅(qū)動(dòng)程序所支持的作業(yè)平臺(tái):

微軟WindowsOS:95, 98, Me, 2000, NT4, XP and Tablet PC Edtion

微軟WindowsCE:2.12, 3.0, CE.net and 5.0

Linux:RedHat9.0, Mandrake 9.2, SuSE 10.0, Yellow Dog 3.x and Fedora Core 4

Dos及iMac 9.0and 10.X版本

另外對(duì)于操作使用者來(lái)說(shuō),軟件驅(qū)動(dòng)程序所支持的功能也是選購(gòu)時(shí)的考慮.一般多同時(shí)支持RS232及USB的通訊接口,2048×2048的屏幕分辨率(Resolution),4點(diǎn)校正(4 PointCalibration)、25點(diǎn)線(xiàn)性補(bǔ)償功能,微軟Windows作業(yè)平臺(tái)下支持多國(guó)語(yǔ)系,屏幕旋轉(zhuǎn)(MonitorRotation)及多重屏幕(Multi-monitor Supported)等功能.

電容式觸控技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

與電阻式觸控屏和電磁式感應(yīng)板相比,電容式觸控屏表現(xiàn)出了更加良好的性能.由于輕觸就能感應(yīng),

使用方便.而且手指與觸控屏的接觸幾乎沒(méi)有磨損,性能穩(wěn)定,經(jīng)機(jī)械測(cè)試使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年.另外,電容式觸控屏原理整個(gè)產(chǎn)品主要由一塊只有一個(gè)高集成度芯片的PCB組成,元件少,產(chǎn)品一致性好、成品率高.

電容式觸控技術(shù)缺點(diǎn)
代表流行風(fēng)向標(biāo)的iPhONe上使用電容式觸控屏無(wú)疑進(jìn)一步印證了其擁有的各項(xiàng)優(yōu)勢(shì).然而,瑕不掩瑜,電容電容式觸控屏原理式觸控屏也面臨著以下一些挑戰(zhàn):由于人體成為線(xiàn)路的一部分,因而漂移現(xiàn)象比較嚴(yán)重;電容式感應(yīng)輸入技術(shù)在中小尺寸平板顯示器上輸入或控制點(diǎn)狀目標(biāo)(如點(diǎn)擊軟鍵盤(pán)上的電話(huà)號(hào)碼或輸入中英文字)時(shí)的性能有待改進(jìn);溫度和濕度劇烈變化時(shí)性能不夠穩(wěn)定,需經(jīng)常校準(zhǔn);不適用于金屬機(jī)柜;當(dāng)外界有電感和磁感的時(shí)候,可能會(huì)使觸控屏失靈.

電容式觸控技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用

近來(lái)在便攜式媒體播放器、筆記型計(jì)算機(jī)、手機(jī)市場(chǎng)中陸續(xù)出現(xiàn)的各項(xiàng)令人感到興奮的電容式感測(cè)技術(shù)之應(yīng)用,讓人幾乎忘了這類(lèi)界面技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用于家電用品的設(shè)計(jì)中許多年了.感測(cè)算法與控制電路兩方面的重大進(jìn)展,讓這項(xiàng)技術(shù)適用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域.設(shè)計(jì)人員看到了電容式感測(cè)技術(shù)的價(jià)值所在-不僅可取代機(jī)械式按鍵與膜片開(kāi)關(guān);并可適用于各項(xiàng)新穎的應(yīng)用,如:觸控式屏幕與近距傳感器等.

感測(cè)電容

電容式傳感器是由導(dǎo)體片、接地面、與控制器所構(gòu)成.在多數(shù)的應(yīng)用中,導(dǎo)體片會(huì)用一片銅制電路板,而接地則用灌注填充.這兩者之間存在有原生(寄生)電容(CP).當(dāng)其它如手指頭等導(dǎo)電物體接近傳感器時(shí),隨著該物體的電容值(CF)增加,系統(tǒng)的電容值也隨之增加.(如圖1)

要偵測(cè)由CF造成電容值增加的方法有好幾個(gè).場(chǎng)域效應(yīng)(Field Effect)量測(cè)方法中,在感測(cè)電容器與系統(tǒng)參考電容器之間使用交流電分壓器.藉由監(jiān)測(cè)電流在分壓器上的改變可以感測(cè)到手指觸碰時(shí)所產(chǎn)生的電容值變化.電荷轉(zhuǎn)移(ChargeTransfer)則使用切換式電容器電路以及參考總線(xiàn)電容值,重復(fù)進(jìn)行從較小的傳感器電容器至較大總線(xiàn)電容器之間的電荷轉(zhuǎn)移步驟.總線(xiàn)電容器上的電壓值與傳感器電容值兩者之間存在著比例關(guān)系,因此在固定次數(shù)的步驟后量測(cè)電壓值,或藉由計(jì)算達(dá)到某一電壓臨界值所需的步驟次數(shù),來(lái)決定該電容值.另外,弛張振蕩器(relaxationoscillator)則是用量測(cè)充電時(shí)間的方法,其中充電速率通常是由固定電流源的值和傳感器電容值所決定的.較大的傳感器電容器需要較長(zhǎng)的充電時(shí)間,這部份通常能運(yùn)用脈沖寬度調(diào)變器(PWM)與定時(shí)器來(lái)進(jìn)行量測(cè).至于連續(xù)近似法(SuccessiveApproximation)也是量測(cè)電容充電時(shí)間的方法,不同的是當(dāng)中的起始電壓是由連續(xù)近似法所決定的.

以PSoC組件執(zhí)行的連續(xù)近似法(Cypress 申請(qǐng)之專(zhuān)利)采用一組電容對(duì)電壓的轉(zhuǎn)換器以及單斜率模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC).其電容值量測(cè)方式是先藉由將電容值轉(zhuǎn)換至電壓值,接著將該電壓值儲(chǔ)存于電容器內(nèi),然后再利用可調(diào)式電流源來(lái)量測(cè)所儲(chǔ)存之電壓值.其中電容值對(duì)電壓值轉(zhuǎn)換器乃是利用切換式電容器技術(shù),此電路系統(tǒng)讓傳感器電容器可依其電容值反映出對(duì)應(yīng)的電壓值.切換式電容器所用的頻率則是由PSoC本身內(nèi)部的振蕩器所產(chǎn)生.

傳感器電容器連接到模擬多任務(wù)總線(xiàn)上,并利用同樣連接總線(xiàn)的可編程電流輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(iDAC)進(jìn)行充電.每個(gè)總線(xiàn)上充電電量為q=CV.當(dāng)SW2為開(kāi)路且SW1為閉路時(shí),跨CX兩端的電位勢(shì)為零,且會(huì)減低總線(xiàn)上的電量,所減低的值與傳感器的電容值成比例.這種充放電的動(dòng)作會(huì)一直重復(fù),此時(shí)傳感器電容器也會(huì)成為總線(xiàn)上的電流負(fù)載.(如圖2)

藉由切換式電容器的電路運(yùn)作,iDAC就會(huì)以二元搜尋法的方式?jīng)Q定出總線(xiàn)上恒定的電壓值有多少.該電壓值會(huì)影響切換式電容器的切換頻率、傳感器電容值、以及iDAC的電流值.總線(xiàn)其實(shí)也等同于一個(gè)旁路電容器(bypasscapacitor),可以穩(wěn)定最終電壓.在總線(xiàn)上也可以增加額外的電容器,以調(diào)整電路的行為與時(shí)序.

計(jì)算所得的iDAC值接著再度用來(lái)對(duì)總線(xiàn)充電,并且測(cè)量總線(xiàn)從初始電壓到比較器的臨界電壓所需的充電時(shí)間.初始電壓是在沒(méi)有手指觸碰的情形下,因此充電時(shí)間可事先測(cè)定.當(dāng)手指觸碰傳感器時(shí)會(huì)增加CX的值,并且降低初始電壓,因此會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間量測(cè).(如上公式及圖3)

建構(gòu)傳感器

電容傳感器有多種型態(tài)與功能,可以采用各式各樣的媒介,實(shí)作樣式從簡(jiǎn)單到復(fù)雜都有.而決定傳感器建構(gòu)與建置細(xì)節(jié)的還是應(yīng)用本身的需求.最常見(jiàn)的傳感器樣式要屬按鍵與滑桿.按鍵其實(shí)就是連接至控制器的大型導(dǎo)體片,其中所測(cè)得的電容值會(huì)與一連串的臨界值作比較,而測(cè)定結(jié)果也能藉由數(shù)字輸出獲得,或用其它模擬特性,以進(jìn)一步感測(cè)觸

動(dòng)的壓力或手指面積.至于滑桿則是許多導(dǎo)體片以直線(xiàn)或放射狀排列所構(gòu)成的.利用計(jì)算質(zhì)心的算法就可以測(cè)定出接觸的位置,而且分辨率遠(yuǎn)大于感測(cè)所用的針腳數(shù).像按鍵或滑桿這類(lèi)簡(jiǎn)單的電容感測(cè)器,絕大多數(shù)都會(huì)采用銅片沉積至印刷電路板.然而也能使用其它基板材質(zhì)與沈積媒介物制作電路,例如高導(dǎo)電性的銀墨(silverink).(如圖4)

動(dòng)態(tài)使用者接口的按鍵或觸控區(qū)則可以任意配置其顯示器樣式.這類(lèi)的顯示器擁有更為平順且直覺(jué)化的互動(dòng)操作,創(chuàng)造更佳的使用者經(jīng)驗(yàn).要建構(gòu)這類(lèi)系統(tǒng)比一般簡(jiǎn)單的按鍵或滑桿更為復(fù)雜.投射式電容觸控屏幕在顯示器上多加了透明導(dǎo)電物質(zhì).這層導(dǎo)電表面利用沈積方式附著于玻璃或PET薄膜這類(lèi)基板上,并且連接至控制電路,接著再將此基板黏著于觸控表層與顯示器之間.觸發(fā)區(qū)域測(cè)定方式與滑桿相同.縱向與橫向的兩組滑桿相互交錯(cuò)以覆蓋整個(gè)顯示區(qū)域,而且這兩個(gè)方向的滑桿會(huì)偵測(cè)觸動(dòng)位置并且輸出x軸與y 軸數(shù)據(jù).由于投射式電容觸控屏幕上方還有一個(gè)覆蓋層,因此也保護(hù)屏幕不受直接沖擊、彎曲、環(huán)境因素影響等常見(jiàn)于傳統(tǒng)電阻式觸控屏幕的傷害.

近距傳感器基本上就是很大的按鍵.近距傳感器的目的并不在偵測(cè)導(dǎo)電物體的確切位置,而是物體是否在附近.由于不需知道物體確切位置,因此反應(yīng)時(shí)間可以稍慢(3-4msvs. 250us).近距傳感器的靈敏度高很多;設(shè)計(jì)得當(dāng)甚至可達(dá)30cm的距離.也由于近距傳感器無(wú)須結(jié)合任何顯示圖形,因此在裝置中的擺放位置就有更多的彈性.無(wú)論是控制電路板外的銅線(xiàn)圈,或是覆蓋層后方的導(dǎo)線(xiàn),都可以建置出非常基本且具成本效益的近距傳感器.(如圖5)

使用電容傳感器

電容傳感器的用途日益廣泛.上述傳感器的彈性、耐用、簡(jiǎn)潔的特性已為許多設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì).基本的選單瀏覽和點(diǎn)選功能依然使用按鍵方式,但使用價(jià)格實(shí)惠的電位計(jì)這種具備模擬特性的按鍵,就能建置出更多簡(jiǎn)單、具成本效益、可靠又安全的功能.

LG LA-N131DR空氣清靜機(jī)在面板顯示器選單瀏覽的按鍵上中用了五個(gè)電容傳感器.這些按鍵讓設(shè)計(jì)人員可以設(shè)計(jì)出平順的機(jī)身,同時(shí)也具備使用者接口.電容式按鍵透過(guò)四毫米的玻璃偵測(cè)有無(wú)手指觸碰.

控制電路則建置在雙層印刷電路板上沒(méi)有傳感器的一面.LG 采用PSoC混合訊號(hào)數(shù)組來(lái)控制傳感器,并且將狀態(tài)輸出至主要的裝置處理器上.(如圖6)

近距傳感器具備反應(yīng)式背光功能,這主要是為了夜間操作或是安全因素考慮.這些情形多半需要更大的觸發(fā)組件,例如成?的手或是金屬罐子,才有辦法達(dá)到可控制的范圍.近距傳感器、按鍵、滑桿、甚至是觸控屏幕,都可利用PSoC的單一處理器進(jìn)行控制.韌體例程則可依照使用者輸入或主機(jī)命令進(jìn)行狀態(tài)的更改.

為您創(chuàng)造電容感測(cè)應(yīng)用

PSoC混合訊號(hào)數(shù)組內(nèi)含一個(gè)包含可組態(tài)的數(shù)字與模擬資源、閃存、RAM、8 位微控制器與其它多種功能的數(shù)組.這些特色讓PSoC 能在其CapSense系列產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的電容感測(cè)技術(shù).運(yùn)用PSoC的直覺(jué)式開(kāi)發(fā)環(huán)境即可為裝置進(jìn)行組態(tài)與重新組態(tài),以符合設(shè)計(jì)規(guī)格或任何規(guī)格變更.新感測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)提升了感測(cè)靈敏度與抗噪聲能力,并且減少功耗、增加升級(jí)速率,讓設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造出更好的應(yīng)用產(chǎn)品.

多點(diǎn)電容式觸摸技術(shù)的參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)

iPhONe極具創(chuàng)意的界面設(shè)計(jì)預(yù)示著多點(diǎn)電容式觸摸屏技術(shù)將成為今后幾年消費(fèi)電子技術(shù)中的一大亮點(diǎn),尤其是手機(jī),MP3,MP4播放器和汽車(chē)GPS等等應(yīng)用領(lǐng)域.

同是源于電容式觸摸原理,觸摸屏相對(duì)于TouchPad鼠標(biāo)的難度在于觸摸屏采用了高阻抗高透明度的ITO (Indium TinOxide, 銦錫氧化物) 材料,每條sensor的電阻通常在10K歐姆左右甚至更高,而TouchPad是電阻只有幾個(gè)歐姆的copper/PCB.

電容式觸摸屏三維結(jié)構(gòu)

觸摸屏設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)就是優(yōu)化每一條sensor的電阻和電容.要了解這個(gè)問(wèn)題,需要先知道ITO的工藝結(jié)構(gòu)和sensor平面版圖.

圖1是常見(jiàn)的抽象化的雙層ITO工藝概圖.從上到下分別是:

覆蓋層(overlay):大多是鋼化玻璃(0.4～1mm),也有可能是PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯).PET的優(yōu)勢(shì)在于觸摸屏可以做到更薄,而且比現(xiàn)有的塑料和玻璃材質(zhì)更加便宜;

絕緣層(isolation)1/2/3:玻璃(0.4~1mm) ,有機(jī)薄膜(10~100um),粘合劑,空氣層;

ITO:典型厚度50~100nm, 其方塊電阻大約100~300歐姆范圍;

工藝三維結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到觸摸屏的2個(gè)重要電容參數(shù):感應(yīng)電容(手指與上層ITO)和寄生電容(上下層ITO之間,下層ITO與LCD之間) . ITO的厚度決定了其電阻率.

圖2.是Cypress的專(zhuān)利技術(shù)ITO菱形圖形.藍(lán)色是上層ITO,黃色是下層ITO.這里面包含的主要關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)是:縱向sensor與橫向sensor之間的寄生電容;sensor的電阻值.Sensor的電阻值取決于菱形塊的大小,以及菱形之間的過(guò)橋?qū)挾?

參數(shù)化設(shè)計(jì)思想

觸摸屏設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是盡量減小電阻和寄生電容,并同時(shí)增加感應(yīng)電容.系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化和版圖優(yōu)化,涉及到十幾個(gè)物理和電學(xué)變量.由于缺少解析表達(dá)式,復(fù)雜邊界條件下的MAXWELL方程組數(shù)值模擬幾乎成為唯一的選擇.絕大多數(shù)數(shù)值計(jì)算軟件需要直接輸入三維結(jié)構(gòu)圖,有的甚至要求對(duì)邊界的數(shù)值描述文件.另外,這種結(jié)構(gòu)絕緣層以及ITO極薄的厚度也會(huì)給仿真軟件帶來(lái)非常巨大的計(jì)算難度,甚至無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算電學(xué)寄生參數(shù).由于一系列困難,使得優(yōu)化仿真的前端工作變得龐大,使整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變得幾乎不可能.

針對(duì)這一設(shè)計(jì)瓶頸,Cypress Semiconductor Corp. 和Ansoft Corp.探討了一套設(shè)計(jì)流程,簡(jiǎn)單地講就是利用Ansoft/Q3D對(duì)版圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)化,達(dá)到快速自動(dòng)仿真優(yōu)化的設(shè)計(jì)目的.Ansoft/Q3D通過(guò)采用多種先進(jìn)的數(shù)值方法,能夠得到基于物理參數(shù)的非常直觀的標(biāo)準(zhǔn)RLGC參數(shù)矩陣.對(duì)于設(shè)計(jì)者而言,RLGC參數(shù)矩陣直接描述物理結(jié)構(gòu),因此更容易解設(shè)計(jì)的問(wèn)題出處和關(guān)鍵所在,能非常方便的指引設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)的方向.同時(shí),Ansoft/Q3D提供了強(qiáng)大的參數(shù)化功能和參數(shù)優(yōu)化功能,可以大大提高設(shè)計(jì)者的工作效率.

圖3是ITO觸摸屏的一個(gè)單元.這個(gè)單元的所有2D和3D參數(shù)可以通過(guò)Ansoft的Q3D進(jìn)行參數(shù)化,包括ITO的厚度,雙層ITO之間的間隔,以及菱形結(jié)構(gòu)之間的間距和過(guò)橋?qū)挾?結(jié)構(gòu)參數(shù)化之后,設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)不同情況對(duì)其中的一個(gè)或多個(gè)物理結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行掃描式仿真;同時(shí)設(shè)計(jì)者可以使用Ansoft/Q3D內(nèi)嵌的優(yōu)化算法,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,自定義優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù),得到接近最優(yōu)的物理結(jié)構(gòu)參數(shù).對(duì)于更為復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu),Ansoft/Q3D也可以采用同樣的參數(shù)化方法進(jìn)行建立模型.可以想象,有了這樣的一種先進(jìn)的參數(shù)化CAD設(shè)計(jì)流程,整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可行性變得水到渠成.

設(shè)計(jì)流程

在我們給出的設(shè)計(jì)舉例中,限于篇幅,僅僅列舉出電容參數(shù)矩陣.在Q3D的計(jì)算中,電阻矩陣的計(jì)算相對(duì)容易,消耗較小的計(jì)算機(jī)內(nèi)存;而電容參數(shù)的計(jì)算,不僅僅是影響設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素,而且在Q3D的仿真中消耗較多的計(jì)算機(jī)內(nèi)存.下面只是列出電容計(jì)算的結(jié)果(1和2表示單元菱形結(jié)構(gòu)編號(hào),其實(shí)C[1,1]和C[2,2]是1和2兩個(gè)菱形的自電容參數(shù),C[1,2]和C[2,1]表示互電容) .

首先,假定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,通過(guò)Q3D計(jì)算電容矩陣參數(shù)隨著ITO厚度的變化.從下面結(jié)果可以看到,ITO的厚度對(duì)于電容參數(shù)的影響很小.

對(duì)于絕緣層厚度也是設(shè)計(jì)中需要考慮到重要因素,因此我們計(jì)算ITO之間絕緣層厚度對(duì)于電容參數(shù)的影響.從Q3D計(jì)算的結(jié)果果可以看到,電容參數(shù)隨著絕緣層的厚度成近似正比例增長(zhǎng).其實(shí)從平板電容的角度思考,這些結(jié)果是能夠自洽的.

并且,我們計(jì)算了上下菱形之間縫隙尺寸對(duì)于電容參數(shù)的影響.這個(gè)部分也是計(jì)算中最難確定的一部分.可以看到Q3D可以準(zhǔn)確的給出縫隙對(duì)于電容參數(shù)的影響.

以上數(shù)據(jù)給設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)方向,更重要的是能夠幫助設(shè)計(jì)者得到準(zhǔn)確的電學(xué)參數(shù).通過(guò)這些最優(yōu)單元電學(xué)參數(shù)的計(jì)算,并結(jié)合使用Ansoft的另外一個(gè)工具Designer,就可以完成整版的電學(xué)參數(shù)計(jì)算,并在Designer里面計(jì)算驅(qū)動(dòng)端到任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元之間電學(xué)參數(shù)以及電路響應(yīng).驅(qū)動(dòng)端讀取這些電學(xué)參數(shù),就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏的響應(yīng).

最后,我們給出一個(gè)利用Ansoft/Q3D實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的典型流程.

上面的流程整個(gè)觸摸屏設(shè)計(jì)制造的一部分,是設(shè)計(jì)觸摸屏的性能是否能夠達(dá)到要求的最重要的部分.這個(gè)CAD流程的使用者可以是觸摸屏生產(chǎn)商,也可以是提供解決方案的芯片供應(yīng)商.其關(guān)鍵價(jià)值在于極大的縮短了從結(jié)構(gòu)到版圖設(shè)計(jì)優(yōu)化的整個(gè)流程.

賽普拉斯的電容式觸控技術(shù)解決方案

賽普拉斯的CapSense電容式感應(yīng)解決方案由具有CapSense功能的器件和PSoC可配置混合信號(hào)片上系統(tǒng)微控制器構(gòu)成,用戶(hù)只需手指輕觸 CapSense界面即可形成一個(gè)與內(nèi)嵌式傳感器的電連接,傳感器與PSoC器件一道工作,將手指的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為各種系統(tǒng)控制功能.而傳感器本身只是印刷電路板(PCB)上的銅層,并非實(shí)際元件.控制傳感器的電路則全部位于PSoC器件內(nèi)部.

一個(gè)具有簡(jiǎn)潔、觸敏界面的CapSense器件可以取代數(shù)十個(gè)機(jī)械式開(kāi)關(guān)和控制器.基于CapSense的"按鍵"和"滑動(dòng)條"控制器比相應(yīng)的機(jī)械式控制器更為可靠,原因在于它們不像裸露在外的按鍵和開(kāi)關(guān)那樣容易受到環(huán)境磨損的影響.在全球,已經(jīng)有逾百種賽普拉斯CapSense設(shè)計(jì)得以應(yīng)用,其中包括手機(jī)、PMP、白色家電、PC、筆記本電腦、打印機(jī)及汽車(chē)等.

"目前PSoC器件和CapSense的全球出貨量已超過(guò)1個(gè)億,手機(jī)和電動(dòng)自行車(chē)是兩個(gè)最主要的應(yīng)用市場(chǎng),"BabakHedayati表示,"2006年P(guān)SoC微控制器PSoC可編程混合信號(hào)片上系統(tǒng)剛進(jìn)入中國(guó)新興的電動(dòng)自行車(chē)市場(chǎng),就占據(jù)了20%以上的市場(chǎng)份額,我們預(yù)測(cè)這一市場(chǎng)份額今年將繼續(xù)增長(zhǎng)到30%以上.PSoC在手機(jī)市場(chǎng)的市場(chǎng)份額不太好統(tǒng)計(jì),但CapSense在手機(jī)上已是一個(gè)非常流行的特性,大多數(shù)主要的手機(jī)OEM都在開(kāi)發(fā)基于CapSense和PSoC的電容式觸摸輸入功能,有的已經(jīng)開(kāi)始向市場(chǎng)推出具備這一功能的產(chǎn)品."

除電容式感應(yīng)功能以外,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師還能夠利用可配置PSoC架構(gòu),輕易將多種功能(如LED和LCD顯示驅(qū)動(dòng))集成到設(shè)計(jì)之中.此外,PSoCCapSense解決方案還具有諸多優(yōu)點(diǎn),如采用I2C、SPI或USB接口的便捷通信、可利用相同的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)跟蹤板(x-y矩陣)和線(xiàn)性滑動(dòng)條應(yīng)用,以及可通過(guò)基于閃存的PSoC架構(gòu)快速更改設(shè)計(jì).

所有PSoC器件都是可動(dòng)態(tài)重建的,使得設(shè)計(jì)者能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能.在許多情況下,設(shè)計(jì)者都可在不同時(shí)間對(duì)同一芯片進(jìn)行不同功能的重新設(shè)置,從而獲得超過(guò)100%的硅片利用率.

CapSense器件可以透過(guò)厚度為5mm的玻璃或者塑料準(zhǔn)確感知.

為了回應(yīng)業(yè)界對(duì)CapSense在溫度和濕度劇烈變化時(shí)性能不夠穩(wěn)定的批評(píng),2007年3月底賽普拉斯為PSoCCapSense電容式感應(yīng)解決方案推出了兩種新型感應(yīng)方法,即CapSense Sigma-Delta調(diào)制器(CSD)和CapSense逐步趨近(CSA)這兩種用戶(hù)模塊,它們可在PSoCDesigner集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中提供給用戶(hù).

CSD用戶(hù)模塊可使按鈕、滑動(dòng)條、觸摸板和觸摸屏等在潮濕環(huán)境下仍能實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷運(yùn)行,并具有出色的溫度響應(yīng),從而為白色家電及其他對(duì)濕度敏感的系統(tǒng)提供極佳的性能.高水準(zhǔn)判斷邏輯可補(bǔ)償溫度、濕度以及電源電壓等環(huán)境因素的變化.獨(dú)立的保護(hù)電極可用來(lái)降低分布電容,在有水霧或水滴存在的環(huán)境下仍然能夠可靠運(yùn)行.

CSA用戶(hù)模塊的抗干擾性能提高了45倍,而功耗降低了60%,從而在性能上獲得了顯著改進(jìn),使其成為便攜式消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的理想選擇.CSA用戶(hù)模塊可對(duì)按鈕、滑動(dòng)條、觸摸板以及觸摸屏的組合提供支持,并配有先進(jìn)的軟件程序,可補(bǔ)償環(huán)境與物理傳感器的變化.

賽普拉斯CapSense產(chǎn)品部門(mén)總監(jiān)CarlBrasek表示:"這些新型用戶(hù)模塊提供了能夠克服惡劣環(huán)境條件的感應(yīng)方法,從而進(jìn)一步拓寬了電容感應(yīng)輸入技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域."

ADI的電容式觸摸技術(shù)解決方案

ADI的電容式感應(yīng)輸入解決方案包括電容到數(shù)字轉(zhuǎn)換器CDC(如AD7745、AD7746、AD7747和AD7142)以及電阻到數(shù)字轉(zhuǎn)換器IDC (AD5933和AD5934),除了AD7142以外,所有上述CDC和IDC都針對(duì)工業(yè)控制、汽車(chē)和醫(yī)療電子應(yīng)用中的高精度傳感器設(shè)計(jì).ADI最新的CDC(AD7142)則主要面向消費(fèi)電子領(lǐng)域.盡管所有這些CDC都基于ADI的sigma-delta架構(gòu),但他們是非常不同的器件.

AD7142是一款針對(duì)手持消費(fèi)電子設(shè)備的可編程14通道電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC),它們能使當(dāng)代的觸摸控制設(shè)計(jì)做到超薄而具有高可靠性,以改善用戶(hù)的觸摸感.憑借ADI先進(jìn)的電容傳感器內(nèi)核,這款低功耗CDC具有自動(dòng)校準(zhǔn)快速改變的外界環(huán)境的功能,從而使其適合移動(dòng)環(huán)境應(yīng)用.使得觸控導(dǎo)航屏幕功能成為可能的電容傳感器正在快速取代機(jī)械輸入方式,以改善蜂窩手機(jī)、MP3播放器、PMP和數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用中屏幕控制的外觀和觸感.

AD7142具有卓越的抗環(huán)境干擾能力.這些干擾主要來(lái)自環(huán)境溫度和濕度,它們會(huì)降低其它電容傳感器的性能.該器件的功耗比同類(lèi)解決方案低50%,從而使其適合電池供電的應(yīng)用.AD7142有14個(gè)輸入端,可對(duì)各種傳感器配置進(jìn)行設(shè)置,例如觸控滾動(dòng)條、8路位置傳感器,以及驅(qū)動(dòng)彈出菜單的滾輪,從而使用戶(hù)可以更方便地瀏覽大量的音樂(lè)、圖片和視頻文件.

"手機(jī)和MP3播放器的用戶(hù)接口是最困難的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之一,因?yàn)樗笤诂F(xiàn)代觸摸屏設(shè)計(jì)的最小尺寸和最低功耗范圍內(nèi)具有最高的精密度和功能,"ADI公司精密信號(hào)處理產(chǎn)品線(xiàn)總監(jiān)PatO'Doherty說(shuō),"像我們用于工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用的CDC產(chǎn)品一樣,AD7142能以較低的成本提供魯棒性和無(wú)差錯(cuò)的性能,同時(shí)比以前的產(chǎn)品提供更大的設(shè)計(jì)自由度."

AD7142具有高度可編程能力,并包含自適應(yīng)閾值和靈敏度算法,允許芯片調(diào)整用戶(hù)的手指尺寸,從而使該傳感器對(duì)手指粗細(xì)不同的用戶(hù)都適用.這款16位、低噪聲、高精度CDC允許終端用戶(hù)調(diào)整單個(gè)傳感器的敏感程度,以適應(yīng)他們的手指和觸摸方式.AD7142通過(guò)片內(nèi)數(shù)字校準(zhǔn)功能實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的自動(dòng)環(huán)境補(bǔ)償,從而不論在任何時(shí)間和任何環(huán)境條件都能保證傳感器的性能無(wú)差錯(cuò).由于該器件顯而易見(jiàn)地對(duì)用戶(hù)提供了這種連續(xù)的校準(zhǔn),所以在外部傳感器上不會(huì)產(chǎn)生誤觸摸或者無(wú)效觸摸.

另外,AD7142的低功耗特性使其很適合電池供電的應(yīng)用,包括數(shù)碼相機(jī)、電視機(jī)遙控器和游戲機(jī).全功率方式工作電流小于1.0mA,而待機(jī)方式工作電流小于2.0μA.該器件還能夠靈活地調(diào)整輸出速率以獲得最優(yōu)化的功耗.AD7142提供SPI或者I2C兼容接口選擇,與ADI公司用于手機(jī)和個(gè)人媒體播放器的Blackfin處理器可以很好地配合工作.

與同類(lèi)模塊不同,AD7142是基于集成電路的單片解決方案,它提供了傳感器尺寸庫(kù),從而允許制造商為不同的產(chǎn)品定制電容傳感器的形狀.此外,ADI公司提供適合多種終端用戶(hù)應(yīng)用的傳感器參考設(shè)計(jì).這些參考設(shè)計(jì)能夠與可選的主軟件一起工作,該軟件能夠提供高精密檢測(cè)能力.

AD7142CDC可以連接到外部電容傳感器,以實(shí)現(xiàn)電容按鈕、滾動(dòng)條或觸摸輸入板等的功能.當(dāng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)和手機(jī)上常見(jiàn)的滑動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí),用戶(hù)可以得到一個(gè)8向開(kāi)關(guān)而不是典型的4向開(kāi)關(guān).8向開(kāi)關(guān)除了可向上下左右方向移動(dòng)外,還可以在四象限的45度角方向移動(dòng),這在滾動(dòng)搜索或控制收錄了1000首歌曲的MP3播放機(jī)時(shí)是非常有用的.

O'Doherty表示,AD7142的14個(gè)輸入使得它可針對(duì)許多傳感器配置進(jìn)行編程,如手指驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)條、8個(gè)方向的位置傳感器、以及驅(qū)動(dòng)彈出菜單的滾動(dòng)輪,這使得它更容易瀏覽大型的音樂(lè)、照片和視頻文件.

盡管AD7142的主要應(yīng)用是手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和MP3播放機(jī),但它也可用在TV、遙控板、游戲機(jī)和白家電(如洗衣機(jī)和微波爐)上.傳感器可以放在塑料面罩之后,以消除前面板上的活動(dòng)部件.這一防灰塵和防水功能使得它工作可靠性更高,游戲桿不會(huì)再拗?jǐn)?無(wú)按鍵手機(jī)也已不再是夢(mèng)想.

上圖顯示了PCB頂部的發(fā)射(TX)層和底部的接收(RX)層,在其內(nèi)部,芯片時(shí)鐘生成一個(gè)240-kHz方波,它從TX層傳輸?shù)絉X層.這兩層之間形成一個(gè)電容.當(dāng)一個(gè)接地的手指接近塑料面罩時(shí),一些電容邊緣區(qū)域就被旁路,這將導(dǎo)致到ADC或CDC的電流變化.然后CDC根據(jù)手指運(yùn)動(dòng)造成的電容量變化來(lái)測(cè)量電流的變化.

電容式觸控技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力及趨勢(shì)

引言

人機(jī)界面產(chǎn)業(yè)在長(zhǎng)期的蘊(yùn)釀之中,由蘋(píng)果計(jì)算機(jī)(Apple)之iPhONe手機(jī)正式嗚鑼揭開(kāi)序幕、粉墨登場(chǎng)、全場(chǎng)驚訝連連、漣渏波動(dòng),久久不能平息,演出者與觀眾之間眉來(lái)眼去,秋波迭送,似乎兩廂情愿,深情日款,大有一時(shí)天雷勾動(dòng)地火,一發(fā)不可收拾之勢(shì).

觸控技術(shù)在與藍(lán)天為幕,昭日引導(dǎo),響亮的前進(jìn)曲之氛圍中,引發(fā)廣泛之回響,確實(shí)為近年來(lái)產(chǎn)業(yè)界罕見(jiàn)的現(xiàn)象,因?yàn)?

(1)新人機(jī)界面引進(jìn)之新產(chǎn)品概念在一片了無(wú)新意之3C產(chǎn)品中活化了生機(jī).

(2)模塊化設(shè)計(jì)概念下,日漸褪色之系統(tǒng)整合創(chuàng)意的末梢神經(jīng)突然恢復(fù)知覺(jué),讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在模塊組合經(jīng)驗(yàn)活化創(chuàng)意,開(kāi)始擦脂抹粉.

(3)新技術(shù)之引進(jìn)連動(dòng)出整個(gè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈重新組合換位,俱認(rèn)機(jī)不可失,期待美人青睞!

(4)應(yīng)用層面無(wú)遠(yuǎn)弗屆,NB、手機(jī)、PDA,掌上型游戲機(jī)、MP3音樂(lè)播機(jī),導(dǎo)航系統(tǒng)、ATM提款機(jī)等皆受全面之沖擊,宛如巨星臨降,萬(wàn)人空巷.

以下將就主要觸技術(shù)做介紹比較及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)況做簡(jiǎn)介,并針對(duì)目前最夯之多指應(yīng)用所需之技術(shù)、專(zhuān)利、整合、應(yīng)用等做更深入之討論.

一、主要觸控技術(shù)簡(jiǎn)介

目前市面上觸控技術(shù)主要如下幾種,分河飲水,各立門(mén)庭:

(1)電阻式:藉由壓力接通在上下二層電阻網(wǎng)絡(luò),由電阻分布以決定壓力點(diǎn)之位置.目前市面上有四線(xiàn)、五線(xiàn)、六線(xiàn)、七線(xiàn)、八線(xiàn)式各種組合,各類(lèi)均有其優(yōu)缺點(diǎn),但以四線(xiàn)及五線(xiàn)最為普及.電阻式技術(shù)原理簡(jiǎn)單,門(mén)檻低,上下游整合完整,但無(wú)法進(jìn)行多手指?jìng)蓽y(cè),且反應(yīng)較不靈敏,壽命較短為其主要缺點(diǎn),目前手寫(xiě)式手機(jī)屏幕多為此類(lèi).下表比較各式電阻式之不同,如表(一).

表(一)、電阻式觸控面板技術(shù)比較

(2)表面電容式(SurfaceCapacitive):原理類(lèi)似電阻式,但使用電容值而非電阻值為計(jì)算量以決定觸摸位置.主要應(yīng)用在中大尺寸上的應(yīng)用,但如同電阻式,雖為感應(yīng)式較電阻式靈敏,技術(shù)門(mén)檻低,且無(wú)法進(jìn)行多手指?jìng)蓽y(cè).

(3)表面聲波式(Surface Acoustic Wave,SAW):利用聲波發(fā)放器傳送至平面玻璃,造成均勻分布之表面聲波,當(dāng)表面波手指或軟性界面觸碰,即產(chǎn)生聲波遮斷以藉此計(jì)算觸碰位置.惟其成本高,上下游整合不易,且無(wú)法做多點(diǎn)偵測(cè),是其較大之限制.

(4)振波感應(yīng)式(Dispersive SignalTechnology):為3M發(fā)明,主要原理在強(qiáng)化玻璃基座上利用觸摸,使玻璃內(nèi)部之振動(dòng)波傳導(dǎo)至其四個(gè)角落之感應(yīng)及控制器以決定觸摸位置.其優(yōu)點(diǎn)為不受表面臟污與刮損影響,且可適用于大尺寸(32寸以上),缺點(diǎn)是無(wú)法多點(diǎn)觸控,價(jià)格高,產(chǎn)業(yè)上下游整合不完整.

(5)紅外線(xiàn)式:原理是以紅外線(xiàn)的發(fā)射與接收構(gòu)成X、Y之矩陣,當(dāng)紅外線(xiàn)波在特定位置被接觸物阻隔即可計(jì)算出接觸物(如手指)之位置,主要應(yīng)用大尺寸應(yīng)用及多點(diǎn)觸控,但功耗高、分辨率差,機(jī)構(gòu)需架高做為紅外線(xiàn)的信道.

(6)投射電容式:投射式電容與表面式不同,主要在于表面使用上下兩電極做為電容,而投射式則將上下電極細(xì)分成矩陣式分布以畫(huà)出X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣,當(dāng)手指觸碰時(shí)透用X、Y軸之掃描即可偵測(cè)在觸碰位置電容變化,進(jìn)而計(jì)算手指之所在.蘋(píng)果計(jì)算機(jī)(Apple) 之i Phone即以此技術(shù)為基礎(chǔ),其技術(shù)門(mén)檻高但后市可期.

(7)電磁式:主要是透過(guò)一個(gè)特殊的電磁筆與感應(yīng)面板做觸控而去計(jì)算電磁筆在感應(yīng)面板上之軌跡,因其需用特殊之電磁筆及無(wú)法做多點(diǎn),某些特殊機(jī)種外,無(wú)其它應(yīng)用產(chǎn)生,某些應(yīng)用嘗試使用電磁與電容或與電阻結(jié)合,但成本極高,恐也非長(zhǎng)期可靠.

除上述之技術(shù)外,尚有其它方法引入觸控領(lǐng)域,如微軟的光學(xué)成像式 (Microsoft Surface)造價(jià)昂貴,反應(yīng)速度慢,可用度不高,另外友達(dá)、TM D、夏普之內(nèi)嵌光 (In-Cell design)檢器技術(shù)更為復(fù)雜,價(jià)格仍難被終端廠商所接受,其期初面板之良率,恐也是另一難題,故亦都不在本文討論范圍之內(nèi),表二比較各式的優(yōu)缺點(diǎn),各式觸控面板之主要應(yīng)用則整理于表三.

表(二)主要針對(duì)各式面板特性做基本之比較:

表(三)、觸控面板主要應(yīng)用:

由表(二)及表(三)基本上就觸控面板可得結(jié)論如下:

(1)中大尺寸仍以電阻式面板為主,主要是其成本較低但功能有限,若需較多功能,則紅外線(xiàn)與電磁式將為主流.

(2)小尺寸或可攜式產(chǎn)品初期仍會(huì)以電阻式為主,但由于i Phone之風(fēng)潮,投射電容式面板之比重將持續(xù)增加,甚至全面取代.

(3)復(fù)合面板(電阻式+電容式,或電阻式+電磁式,或電磁式+電容式)將成為各家商研發(fā)之主要方向.(如N-Trig開(kāi)發(fā),電磁式與電容式組合,WACOM的電磁式+電阻式,但貴.)

(4)除多手指?jìng)蓽y(cè)外,手寫(xiě)或筆寫(xiě)或手筆并進(jìn)亦將是未來(lái)主要之研發(fā)重點(diǎn).

二、觸控產(chǎn)業(yè)的主要關(guān)鍵

觸控產(chǎn)業(yè)其實(shí)行之有年,無(wú)聲無(wú)息直到蘋(píng)果計(jì)算機(jī) (Apple) iPhone的多手指應(yīng)用方才?爆,平地一聲雷,因此集三千寵愛(ài)于一身,尤其是投射電式面板.其它面板技術(shù)只在突破以既有之基礎(chǔ)實(shí)施多手指應(yīng)用.而投射電容觸控技術(shù)本也非新技術(shù)(原筆記型計(jì)算機(jī)之觸控板鼠標(biāo)即是),以下將討論投射電容式面板在應(yīng)用卻也面臨一些關(guān)鍵問(wèn)題:

(1)透光感應(yīng)表面的技術(shù).

可透光感應(yīng)面基本上是上下二層電極矩陣形成,中間以絕緣層隔開(kāi)以形成電容,結(jié)構(gòu)甚為簡(jiǎn)單.觸控面板基本上是由輕薄透明之感應(yīng)面與一控制IC以及IC內(nèi)部相對(duì)應(yīng)之軟件(Software)及韌體(Firmware)組合而成.導(dǎo)電電極而濺鍍或蒸鍍透明導(dǎo)電材料(目前都為ITO,氧化銦錫)于透明基材上,一般為玻璃或PET薄膜以Film/Film、Film/Glass或Glass/Glass三種結(jié)構(gòu)上下貼合而成.感應(yīng)面的主要規(guī)格為透光率與耐久性,玻璃上之濺鍍或蒸鍍,原為面板廠所熟知,因此傳統(tǒng)中小尺寸面板廠也積極投此一領(lǐng)域,然玻璃厚、重、貴且易碎,顯然并非長(zhǎng)期飯票.因此電阻式觸控面板業(yè)便挾其在光學(xué)PET溥膜的經(jīng)驗(yàn)挺進(jìn).

(2)控制IC之來(lái)源.

不同于電阻式面板,原理簡(jiǎn)單、門(mén)檻低,其感應(yīng)控制電路無(wú)需獨(dú)立控制IC,而多由系統(tǒng)上之主控CPU以軟件處理,投射電容式目前尚無(wú)法由系統(tǒng)上的主IC處理而須獨(dú)立IC處理,因此也吸引國(guó)內(nèi)外多家IC設(shè)計(jì)公司相繼投入,如美商新思(Synaptics)、塞普拉斯(Cypress) 及臺(tái)灣?達(dá) (Sentelic)、義隆(Elantek) 等等.但投射電容式觸控IC因其門(mén)檻相當(dāng)高,若非具相當(dāng)研發(fā)實(shí)力恐難完成.其主要技術(shù)門(mén)檻在 (a)系統(tǒng)噪聲之處理(b)手指上之汗、油、膏、污之克服 (c) Cover lens或機(jī)構(gòu)保護(hù)面之厚度使感應(yīng)靈敏度之降低(d)人體體質(zhì)不同造成系統(tǒng)穩(wěn)定度降低(e)在小尺寸應(yīng)用上手指分辨率低使光標(biāo)分辨率不易提升,往往使Demo容易,量產(chǎn)困難,若無(wú)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)之累積是無(wú)法克服量產(chǎn)之穩(wěn)定問(wèn)題.目前只有美商新思(Synaptics)與臺(tái)灣?達(dá)(Sentelic)在此方面有長(zhǎng)期之基礎(chǔ),其它廠商恐將需渡過(guò)一段學(xué)習(xí)曲線(xiàn).

(3)系統(tǒng)整合的關(guān)鍵.

投射電容式本身最大之障礙在于系統(tǒng)整合與應(yīng)用時(shí)的狀況,畢竟面板終究得安裝在屏幕面板,其噪聲與系統(tǒng)其它電路所產(chǎn)生之噪聲極易對(duì)觸控產(chǎn)生干擾,造成定位不準(zhǔn),若只是手勢(shì)之應(yīng)用或許可行,若未來(lái)手寫(xiě)與指針之應(yīng)用、控制IC便是關(guān)鍵,第二:因系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)致使Coverlens變厚,原則上問(wèn)題將益形嚴(yán)重.另外,模塊廠是否需含客制化Coverlens亦是產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的一大挑戰(zhàn).最后,當(dāng)面板整合到LCD屏幕面板上之貼合,亦將考驗(yàn)制程的能力,因?yàn)槟壳懊姘遒N合良率本身也只有80%~85%而已,另一段的貼合勢(shì)必將使良率再低,而且尺寸愈大、貼合愈難.

(4)產(chǎn)業(yè)上下游整合模式.

表(四)舉例粗分之觸控面板產(chǎn)業(yè)鏈,上游其原本都掌握在日本業(yè)者身上,中游材料加工則在日本與臺(tái)灣,下游面板之貼合、壓合、測(cè)試,則在臺(tái)灣,少部份在大陸完成,由于投射電容式面板于面板加工制造,系全新領(lǐng)域,多數(shù)仍在摸索與試車(chē)階段,良率之提升仍有一段路途.而面對(duì)全新投射電容式面板,目前之面板廠均無(wú)整合、測(cè)試與系統(tǒng)支持之經(jīng)驗(yàn),此段仍必須由IC設(shè)計(jì)廠來(lái)執(zhí)行,而IC廠本身有無(wú)整合前段制程之能力仍待考驗(yàn),屆時(shí)勢(shì)必率動(dòng)整個(gè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈之定位與重組,約在2009年Q2后將更為明朗.

表(四)、觸控面板產(chǎn)業(yè)鏈

表(五)、全球觸控面板主要廠商

(5)專(zhuān)利保護(hù)壁壘

十多年來(lái)在觸控面板的發(fā)展,各家在專(zhuān)利上的布局已使這個(gè)產(chǎn)業(yè)地雷布滿(mǎn)各式觸控面板,當(dāng)然其原創(chuàng)者皆會(huì)有所保護(hù).單就投射電容式面板相關(guān)之專(zhuān)利即有100多種.后繼者幾乎完全沒(méi)有插手的空間,目前在投射電容面板主要掌握在美國(guó)Synaptics(新思)、蘋(píng)果計(jì)算機(jī)(Apple)及臺(tái)灣?達(dá)(Sentelic)科技手上,此三家之專(zhuān)利布局綿密,幾乎涵蓋現(xiàn)在與未來(lái)發(fā)展所需的技術(shù).下表反應(yīng)了目前可查到之專(zhuān)利數(shù)量.

表六、觸摸屏相關(guān)專(zhuān)利統(tǒng)計(jì)

舉個(gè)簡(jiǎn)單例子,觸控板上要單擊/雙擊、要多手指?jìng)蓚?cè)、要在板子上做滑動(dòng)的動(dòng)作,對(duì)不起這些都已有專(zhuān)利,多手指?jìng)蓽y(cè)后要做其它翻頁(yè)動(dòng)作,那更是蘋(píng)果計(jì)算機(jī)(Apple)的專(zhuān)利,其它更底層技術(shù)性的便不在話(huà)下了.目前投射電容式尚未有多家及大量產(chǎn)品投入,可見(jiàn)未來(lái)之不久,一定刀光四射、狼唣不止.系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須凌波微步、左躲、右閃!

三、多手指?jìng)蓽y(cè)應(yīng)用以及系統(tǒng)整合:

丑媳婦終究是要見(jiàn)公婆,技術(shù)終歸要上臺(tái)面,入應(yīng)用.自從iPhone多手指應(yīng)用之后,此項(xiàng)功能已成觸控面板之主要功能,當(dāng)然手寫(xiě)、筆寫(xiě)、單擊、雙擊、卷動(dòng)等傳統(tǒng)之功能,更不在話(huà)下,因此針對(duì)各不同應(yīng)用所需之技術(shù)趨勢(shì)也便可想而知,成本則是另一重要考量,已不再贅言.就多指之應(yīng)用而言,可想而知,只有投射電容式與紅外線(xiàn)式,可做多指?jìng)蓽y(cè)并分占中小尺寸與大尺寸之市埸.有了多指?jìng)蓽y(cè)后,其它單擊、雙擊、卷動(dòng)、手寫(xiě)、筆寫(xiě)等也只是軟件或韌體之應(yīng)用而已.各式各樣的屏幕上之變化也大都可由軟件或韌體程序完成,因此基本問(wèn)題便可帶出:何種系統(tǒng)的架構(gòu)整合最易、效率最好、成本最低、壁壘最少,以上考慮是系統(tǒng)業(yè)者最需深思之課題,因此我們可清楚地推論其最終之輪廓:

(1)是塑料而不是玻璃.

雖塑料(壓克力,光學(xué)膠,PETFilm)的光學(xué)特性與耐刮耐久性不如玻璃,且常需低溫制程,但玻璃厚、重、加工難、制程貴、不耐摔,在長(zhǎng)期成本壓力之下,塑料仍是首選,尤其是PETFilm(PET光學(xué)薄膜),因可導(dǎo)入Roll-to-Roll制程,故相當(dāng)看好,其光學(xué)特性也在可接受范圍,且傳統(tǒng)電阻式觸控面板廠亦有長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn),上下游整合完整,最終相信應(yīng)是PET光學(xué)薄膜Filmon Film的結(jié)構(gòu).

(2)手勢(shì)辨識(shí)在控制IC,不在系統(tǒng)端.

一般是將手指的坐標(biāo)傳到系統(tǒng),再由系統(tǒng)藉軟件程序辨識(shí)手勢(shì),雖屬可行但反應(yīng)速度較慢,尤其是多指觸控或手輸入時(shí)更為明顯,而當(dāng)X、Y軸之訊號(hào)受外部雜干擾時(shí),坐標(biāo)的信息將更不可靠,造成手勢(shì)辨識(shí)的困難,使得更復(fù)雜之手勢(shì)無(wú)法支持,像iPhone也只有滑動(dòng)與Zoom-in/Zoomout之動(dòng)作而已.另外以目前之掃描方式(紅外線(xiàn)或投射電容式或有建置X、Y軸掃描者),為了降低掃描線(xiàn)的數(shù)目都采所謂LoadGrounded的做法,此一做法會(huì)造成不同之二手指坐標(biāo),而只有一個(gè)相同坐標(biāo),系統(tǒng)亦不可辨識(shí).而IC內(nèi)可用其它額外訊號(hào)輔助判斷,此額外訊號(hào)通常因算法不同而形成各家不同整合之困難.

(3)軟硬兼施而不是吃軟不吃硬.

由于投射電容式面板門(mén)檻高,因此很難以純軟件/韌體的方法直接解決,更非一般低階8bit MCU可有效解決,尤其需平行處理不同復(fù)雜訊號(hào)時(shí),硬件方案與軟件方案需做適切的分割搭配,方能降低高速CPU的耗能.這也是目前一般面板整合者相信用軟件即可解決迷思.

(4)善事必先利其器(客制化、開(kāi)發(fā)之軟/硬件開(kāi)發(fā)工具).

終端系統(tǒng)整合工程師,一般并非都熟稔面板特性而為了應(yīng)付多方使用情境的客制化需求,控制IC提供者是否提供一套,完整方便的軟/硬開(kāi)發(fā)工具,是系統(tǒng)整合者決定其解決方案的開(kāi)發(fā)時(shí)程與品穩(wěn)定度的重要關(guān)鍵.

四、結(jié)論

就以上之討論,在整個(gè)觸控技術(shù)在現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈,約可做成如下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)目前觸控面板仍以小尺寸之應(yīng)用主(尤其是多指觸控)而投射電容式面板勢(shì)將成為主流而逐漸取代電阻式方案.

(2)Demo不等于量產(chǎn),目前多指應(yīng)用之解決方案,Demo者多但可量產(chǎn)者少,其間仍有相當(dāng)大的距離.

(3)控制IC廠商本身的研發(fā)能量決定未來(lái)/電子/產(chǎn)品使用情境的發(fā)展.

(4)選擇適當(dāng)面板技術(shù)是系統(tǒng)廠商最重要量.

(5)與控制IC廠商的合作關(guān)系攸關(guān)觸控面板廠商之生存.

(6)雖困難度高,但垂直整合勢(shì)在必行.

總結(jié)觸控面板技術(shù),就多指觸控其技術(shù)成本及普遍應(yīng)用性來(lái)看,目前以投射電容式為發(fā)展主流,但仍有諸多的障礙需克服解決,以上提供給觸控產(chǎn)業(yè)界朋友做一些參考.

電容式觸控技術(shù)再精進(jìn)　電荷轉(zhuǎn)移橫向模式技術(shù)誕生

目前電阻式觸控面板由于其多層材料堆棧架構(gòu)的限制,使其在透光度與計(jì)算手指位置的精確度上不若電容式觸控面板來(lái)得好,電容式觸控面板若采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)中的橫向模式方案,則更可解決電容式觸控屏幕噪聲與噪訊比的問(wèn)題,從而開(kāi)發(fā)更具優(yōu)勢(shì)的電容式觸控屏幕.

由于觸控屏幕反應(yīng)迅速,而且是直觀式操作,因此正迅速被各類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品和交通售票系統(tǒng)等工業(yè)及商業(yè)設(shè)備選為使用者接口.

在技術(shù)層面上,觸控屏幕早在數(shù)10年前就已確實(shí)可行,但早期技術(shù)并不適用于低成本的大眾市場(chǎng)應(yīng)用,這些技術(shù)包括紅外線(xiàn)系統(tǒng)與表面聲波感測(cè)系統(tǒng),由于紅外線(xiàn)系統(tǒng)采用由水平和垂直兩個(gè)方向構(gòu)成的傳感器數(shù)組,用以檢測(cè)使用者的手指是否靠近屏幕表面,而阻斷經(jīng)過(guò)調(diào)制的光束,而表面聲波傳感器,因手指接近屏幕表面時(shí)會(huì)吸收聲波,因此該技術(shù)可根據(jù)聲波的變化確定是否有手指觸及屏幕.

除上述提到的技術(shù)之外,還有幾種其它技術(shù),不過(guò)目前的主流趨勢(shì)是電阻式和電容式感測(cè),這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì),但最新的電容式控制IC不單能簡(jiǎn)化單觸控應(yīng)用,而且還可以實(shí)現(xiàn)電阻式感測(cè)系統(tǒng)無(wú)法提供的多指觸控功能.

電阻式觸控面板囿于架構(gòu)而導(dǎo)致諸多缺點(diǎn)

電阻式觸控屏幕已擺脫從1970年代就存在的專(zhuān)利限制桎梏,這種技術(shù)的工作原理很簡(jiǎn)單,主要部分是由兩層微小空氣隙隔離的透明電阻材料組成,一般是淀積在塑料膜和玻璃基板上的氧化銦錫(ITO),其中,頂層是軟性的(Flexible),而低層是硬性的(Rigid),中間有許多細(xì)小的透明間隔點(diǎn)以隔離兩個(gè)導(dǎo)電層(圖1),當(dāng)用戶(hù)手指按壓頂層時(shí),在接觸點(diǎn)形成電壓梯度時(shí),電子控制組件會(huì)對(duì)之進(jìn)行感測(cè),并計(jì)算出X、Y坐標(biāo)的位置.

圖1:電阻式觸控面板原理示意

圖2:電阻式觸控屏幕電極正交電位計(jì)

在最簡(jiǎn)單的四線(xiàn)(Four-wire)電阻式連接中,頂層兩端和低層兩端分別各連接兩個(gè)電極,兩層的電極互相呈九十度交叉,形成四線(xiàn)星狀連接結(jié)構(gòu),這實(shí)際上就是一對(duì)彼此正交的電位計(jì)(圖2),相當(dāng)于機(jī)械操縱桿的平面屏幕模擬.為了在X軸方向測(cè)量觸摸位置,觸控板的控制器將X-設(shè)為接地,而X+偏置為參考電壓,然后從Y層的兩端讀取電壓,以找出X軸上兩層的接觸點(diǎn).同樣地,控制器透過(guò)在Y層的電極上加載驅(qū)動(dòng)電壓,并從X層讀取觸摸點(diǎn)電壓,可以確定Y軸上的觸摸位置.

這種技術(shù)的變化形包括五線(xiàn)系統(tǒng),基板帶有ITO涂層,四邊都有電極.軟性隔膜為第五個(gè)電極,當(dāng)用戶(hù)手指壓按時(shí),控制器可測(cè)量出X和Y軸的電壓,從而確定觸摸的位置.這種排列通?？商峁┍人木€(xiàn)結(jié)構(gòu)更佳的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的壽命.其它變化還有適用于大型屏幕、分辨率更高的六線(xiàn)和八線(xiàn)系統(tǒng).

電阻式技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其接口電子結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單,控制器只須在一對(duì)電極上加載參考電壓,同時(shí)測(cè)量另一對(duì)電極間的電勢(shì)即可,而這一點(diǎn)利用片上(On-chip)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)開(kāi)關(guān)、模擬多路器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)就可輕松做到.若ADC進(jìn)行差分測(cè)量,測(cè)量結(jié)果實(shí)際上成為比率計(jì)(Radiometric),可使用Vcc和接地作激勵(lì)(Stimulus),透過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),就完全有可能獲得4,096×4,096的分辨率.

相反地,這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)源于觸控屏幕的多層結(jié)構(gòu).其基層一般是玻璃,表面涂有一層均勻的ITO,頂層通常由聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯(PET)制造,內(nèi)表面(InnerSurface)也涂有一層均勻的ITO,而外表面(OuterSurface)則有硬涂層,以為保護(hù)作用,而形成空氣隙以把這些導(dǎo)電層隔離開(kāi)的細(xì)小透明間隔點(diǎn)常在打印制程中產(chǎn)生.這種多層材料堆棧的多層結(jié)構(gòu)對(duì)透光性有所影響,一般將降至約透明玻璃透光率的75%,同時(shí),空氣間隙可能產(chǎn)生薄霧效應(yīng),進(jìn)一步降低清晰度.此外,這種結(jié)構(gòu)很容易刮傷損壞,而且因?yàn)闄C(jī)械軸性不重合,還須仔細(xì)校準(zhǔn)以確定X、Y坐標(biāo)范圍,其它弱點(diǎn)還包括可能吸收電氣噪聲,尤其是來(lái)自液晶顯示器(LCD),這時(shí)一般須進(jìn)行濾波,將導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),當(dāng)然,控制器一次只能處理一個(gè)觸摸位置,也是一大局限.

利用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)解決應(yīng)用挑戰(zhàn)

由于電阻式觸控屏幕存在缺陷和局限性,許多設(shè)計(jì)人員已轉(zhuǎn)向投射式電容感測(cè)技術(shù).這種技術(shù)在IC形式上分為好幾種電路,主要包括容抗(RC)時(shí)間常數(shù)測(cè)量電路,如弛張振蕩器、直流(AC)電流測(cè)量組件,以及電荷轉(zhuǎn)移(Charge-transfer)組件.電荷轉(zhuǎn)移組件又分為單端模式(Single-ended)和橫向模式(Transverse-mode),選擇上述任何一種方法,利用在兩層或更多迭層上的電極行列數(shù)組,都可以實(shí)現(xiàn)觸控屏幕.

RC時(shí)間常數(shù)技術(shù)的基本原理是,當(dāng)電容組件C隨手指觸摸改變時(shí),電極區(qū)域充電或放電所需的時(shí)間也隨之改變.測(cè)量充/放電期間的變化可得到C的變化,因?yàn)镃是未知,所以假設(shè)為Cx,這種方法有許多變化形式,可測(cè)量頻率或時(shí)間、可自由運(yùn)行或以單周期為基礎(chǔ).RC時(shí)間常數(shù)測(cè)量的缺點(diǎn)是速度較慢,并易受泄漏電流干擾,其動(dòng)態(tài)范圍也非常有限,很難校準(zhǔn),而且容易受到恒定漂移問(wèn)題的影響.此外,由于其電路的高阻抗特性,所以也極易受外界噪聲干擾,盡管如此,仍有部分觸控屏幕采用這種方案.

至于AC電流測(cè)量方法,由一個(gè)AC電壓源驅(qū)動(dòng)阻抗,繼而驅(qū)動(dòng)Cx,故測(cè)量阻抗產(chǎn)生的電壓就可確定Cx的值.這些電路也有很多和RC電路相同的局限性,不過(guò)前者的驅(qū)動(dòng)阻抗一般較低,然而其須利用放大器恢復(fù)串聯(lián)阻抗產(chǎn)生的小電壓,但訊噪比等方面的問(wèn)題又隨之而來(lái),這種方法在觸控屏幕中已有一定運(yùn)用,尤其是在帶低阻抗邊沿的前表面板中.

和RC及AC技術(shù)相同,單端電荷轉(zhuǎn)移電容傳感器也是在每個(gè)感測(cè)通道采用一個(gè)電極板,但不依賴(lài)于時(shí)序測(cè)量或放大器,而是采用互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開(kāi)關(guān)把電荷泵入Cx,并把電荷轉(zhuǎn)移到一個(gè)參考采樣電容(Cs)中.透過(guò)計(jì)算Cs達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓值所需的周期數(shù),就可很容易求得電荷電平,且這個(gè)周期數(shù)與Cx成反比.眾所周知,電荷轉(zhuǎn)移方法有助于抑制泄漏電流的影響,而且由于其采用一個(gè)很大的Cs作為檢測(cè)器,這個(gè)檢測(cè)器相當(dāng)于對(duì)外界的一個(gè)低阻抗,故其抗外部電氣噪聲的能力非常強(qiáng).

與之相反,橫向模式電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)是每個(gè)感測(cè)元素都采用兩個(gè)電極.基本上,其電氣行為與單端電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)相同,但這些電路在發(fā)送/接收矩陣中采用電極數(shù)組創(chuàng)造觸控屏幕功能.該方案的優(yōu)點(diǎn)是其需要的布線(xiàn)較少,更甚之能同時(shí)識(shí)別和區(qū)分多個(gè)觸點(diǎn)之間的差異,單端電路也可感測(cè)多個(gè)觸點(diǎn),不過(guò)由于訊號(hào)本身模糊,故不能區(qū)分.此外,橫向模式方案還有速度快和功耗低的優(yōu)勢(shì),因?yàn)槠淠芡瑫r(shí)測(cè)量一條驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路上的所有節(jié)點(diǎn),所以可減少50%的采集周期數(shù).這種雙電極式結(jié)構(gòu)具有自我屏蔽外部噪聲的功能,在定功率級(jí)上可提高訊號(hào)穩(wěn)定性,因此,量研科技(QuantumResearch)一直將橫向模式感測(cè)技術(shù)作為驅(qū)動(dòng)觸控屏幕的主要方案,利用高載模式采樣、擴(kuò)頻調(diào)制及數(shù)字訊號(hào)處理等各種增強(qiáng)型技術(shù)的結(jié)合,促成抗噪聲源干擾能力強(qiáng),即使在惡劣環(huán)境下也較穩(wěn)健的解決方案.

在電氣方面,橫向模式感測(cè)的工作原理非常類(lèi)似于T橋衰減器電路,使用者的手指實(shí)際上相當(dāng)于一對(duì)電容之間的Cx項(xiàng)(圖3).手指觸控屏幕表面吸收驅(qū)動(dòng)電極和接收電極之間的耦合電荷,電荷經(jīng)由大量雜散電容路徑返回至電路的接地,這會(huì)降低訊號(hào)的強(qiáng)度,而降低的程度很容易且可靠地測(cè)出.

圖3:橫向模式感測(cè)的工作原理

盡管功耗極低,橫向模式傳感器卻容易可穿過(guò)好幾毫米厚的塑料、玻璃及其它材料,檢測(cè)出使用多手指觸摸,電極可由任何導(dǎo)電材料制作而成,如ITO,而且?guī)缀跞魏纬叽绾托螤疃伎梢?噪聲消除算法可幫助這些傳感器消除LCD等模塊產(chǎn)生的噪聲,通常毋需單獨(dú)的屏蔽層,從而提高顯示器的光傳輸性能,同時(shí)降低產(chǎn)品的建構(gòu)成本和背光功率的要求,而廠商推出的QMatrix橫向模式電路采用一種雙斜坡轉(zhuǎn)換形式,可確保電路對(duì)時(shí)間和溫度的變化具有高度穩(wěn)定性(圖4).

圖4:QMatrix橫向模式電路示意圖

廠商發(fā)展的芯片透過(guò)與驅(qū)動(dòng)脈沖同步開(kāi)關(guān)的采樣電容收集耦合到接收電極中的訊號(hào),并利用一個(gè)脈沖串改進(jìn)訊噪比,每個(gè)脈沖串的脈沖數(shù)量將直接影響電路的增益,因此,可方便調(diào)整電路增益,使其適合于不同的面板材料、按鍵尺寸和面板厚度.

脈沖串產(chǎn)生的第一個(gè)斜坡是加到采樣電容上的梯級(jí)波形訊號(hào),脈沖串過(guò)后,驅(qū)動(dòng)器把斜率電阻的參考端切換為高電平,對(duì)采樣電容進(jìn)行放電,直到將電荷用完,電壓比較器檢測(cè)出零交叉點(diǎn)為止,獲得零交叉點(diǎn)所需的斜坡時(shí)間與X、Y電荷耦合成比例,并隨用戶(hù)手指觸摸面板表面而減小(圖5).

圖5:零交叉點(diǎn)所需的斜坡時(shí)間與X、Y電荷耦合比例圖

這種自動(dòng)調(diào)零行為讓電路對(duì)工作電壓和電路參數(shù),如Cs值的變化具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力.該項(xiàng)技術(shù)還提供潮濕抑制及固有的抗射頻(RF)干擾能力,這是其它電容方法無(wú)法望其項(xiàng)背的部分,如面板表面若存在水珠之類(lèi)的局部水膜,將使訊號(hào)耦合略微增加;而使用者手指的觸摸則會(huì)使耦合減小.這意味著少量的潮濕會(huì)造成錯(cuò)誤的方向變化,導(dǎo)致誤觸發(fā),這是令其它解決方案感到頭疼的問(wèn)題.潮濕水膜的出現(xiàn)可能引開(kāi)電荷,但由于水膜的建模模型是一個(gè)依賴(lài)于時(shí)間特性的分布式RC網(wǎng)絡(luò),電荷收集中門(mén)控時(shí)間的使用(微秒數(shù)量級(jí)或更短)抑制水膜的影響.

單層觸控屏幕崛起

由于組件可以在片上執(zhí)行所有訊號(hào)調(diào)節(jié)任務(wù),故只需少量離散式電阻與電容,再加上一個(gè)簡(jiǎn)單的序列接口,如I2C即可.從軟件程序設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看,組件擁有簡(jiǎn)單的命令集(CommandSet)和用于不同寄存器的儲(chǔ)存映像結(jié)構(gòu),這樣一來(lái),設(shè)計(jì)人員的主要任務(wù)就簡(jiǎn)化為設(shè)計(jì)感測(cè)矩陣和編寫(xiě)接口代碼.投射式電容觸控屏幕需要一個(gè)X、Y透明電極矩陣(圖6),以精確確定手指的位置.

圖6:投射式電容觸控屏幕所需之X、Y透明電極矩陣

上述通常需要在玻璃或塑料涂敷的透鏡后迭壓兩層或兩層以上的ITO,由于每增加一層就會(huì)增加成本,并降低9%的透光性,因此應(yīng)該盡可能減少層數(shù).雖然廠商的觸控屏幕芯片完全能支持多層鉆石型圖案,但這些芯片也可采用專(zhuān)有的單層膜技術(shù).相較多層技術(shù),單層膜電極的透明度要高得多、薄得多,成本也低得多,這些優(yōu)點(diǎn)自然使其大受設(shè)計(jì)人員青睞.

雙軸多觸點(diǎn)技術(shù)面世

利用單層膜同步執(zhí)行雙觸點(diǎn)檢測(cè)也是可行的,但若采用能夠同時(shí)解決多觸點(diǎn)事件的雙層技術(shù),性能便會(huì)好得多.如圖7顯示在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試模型中使用者用三根指頭和大拇指時(shí),電場(chǎng)的三維測(cè)量結(jié)果.

圖7:使用多手指時(shí)電場(chǎng)三維測(cè)量結(jié)果

透過(guò)連接一個(gè)放在六電極Y層上的八電極X層,控制器可支持大至8寸的雙觸控屏幕,而且這種多功能控制器能感測(cè)多達(dá)六個(gè)滑塊或四十八個(gè)離散式按鍵,或按鍵、滑塊與觸摸區(qū)域的組合,該控制器為接腳數(shù)精簡(jiǎn)的版本,利用類(lèi)似的簡(jiǎn)單布線(xiàn)圖(圖8),能夠驅(qū)動(dòng)八條X軸和接收四條Y軸,或區(qū)分多達(dá)三十二個(gè)離散式按鍵.

圖8:控制器電路圖

而直接影響增益的斜率電阻器一般在1mΩ數(shù)量級(jí),X和Y方向上可選配的電阻器能改善電磁兼容(EMC)性能和抗靜電放電(ESD)能力,典型值在1～20kΩ范圍.除了控制器外,廠商并推出觸控屏幕演示評(píng)測(cè)工具套件,設(shè)計(jì)人員毋須使用使用者界面解釋手勢(shì),如某個(gè)手勢(shì)可能包含兩根手指以水平或垂直方式或成某一角度的分開(kāi)行動(dòng),在照片應(yīng)用的情況中,這也許意味著對(duì)圖像的某個(gè)區(qū)域局部縮放,而在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)地圖繪制應(yīng)用中,相同的動(dòng)作則可能集中在某個(gè)特定區(qū)域或感興趣的街道.此外,旋轉(zhuǎn)手勢(shì)可能代表旋轉(zhuǎn)CAD程序三維空間中的某個(gè)物體,或是游戲作戰(zhàn)區(qū)中某個(gè)外星指揮官的太空艦隊(duì)著陸.正如其它眾多創(chuàng)新一樣,在設(shè)計(jì)人員的工具套件中增加概念簡(jiǎn)單的工具,可以激勵(lì)創(chuàng)新性,催生出在諸多同類(lèi)產(chǎn)品中脫穎而出的產(chǎn)品.

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