爱华网1、电容式触控技术的定义
2、电容式触控技术的工作原理
3、电容式触控技术优点
二、电容式触控技术的应用及解决方案
1、电容式触控技术在家电产品中的应用
2、多点电容式触摸技术的参数化优化设计
3、赛普拉斯的电容式触控技术解决方案
4、ADI 的电容式触控技术方案
三、电容式触控技术的发展动力及趋势
1、电容式触控技术的发展动力及趋势
2、电容式触控技术再精进 电荷转移横向模式技术诞生
电容式触控技术主要是应用人力的电流感应技术进行工作.当手指触摸到金属层上时,人体电场、用户和触控屏表面形成一个耦合电容,对于高频电流来说,电容是直接导体,于是手指从接触点吸走一个很小的电流,这个电流从触控屏四角上的电极中流出,经过四个电极的电流与手指到四角的距离成正比,控制器通过对这四个电流比例的精确计算,得出触摸点的位置信息.
电容式触控技术的工作原理
电容式触控面板的应用需由触控面板(Touch Panel)、控制器(Touch CONtroller)及软件驱动程序(Utility)等3部分分别说明.
触控面板
一般电容式触控面板是在透明玻璃表面镀上一层氧化锑锡薄膜(ATO Layer)及保护膜(Hard Coat Layer)而与液晶银幕(LCD Monitor)间则需作防电子讯号干扰处理(ShieldedLayer).下图为电容式触控面板的侧面结构.
人与触控面板没有接触时,各种电极(Electrode)是同电位的,触控面板没有上没有电流(ELECTRICCurrent)通过.当与触控面板接触时,人体内的静电流入地面而产生微弱电流通过.检测电极依电流值变化,可以算出接触的位置.玻璃表面上氧化锑锡薄膜(ATO)层有电阻系数,为了得到一样电场所以在其外围安装电极,电流从四边或者四个角输入.
从4条边上输入时,等电场是通过4角周围的电阻小于4条边上的阻抗分配方式所得到的.对实际应用而言,有在透明导电膜(ATO Layer)上安装一组电阻基版类型;也有对透明导电膜(ATOLayer)作蚀刻所行成的类型.从4角输入时,一般通过印刷额缘电阻与透明导电膜(ATO Layer)组合得到等电场.
从4条边上输入时,根据上下、左右电流比计算就可以得出,检测方法较为简单.从4条角输入时,检测方法要得出与4条边的距离比,位置计算也较为复杂.举例来说,假设触控面板位置中心为0,X轴与Y轴位置可以下面方程式计算出:
X轴:L1+L4-L2-L3/L1+L2+L3+L4
Y轴:L3+L4-L1-L2/L1+L2+L3+L4
控制器
控制器(TouchController)也是电容式触控面板应用上不可或缺的一员,由于不平衡的透明导电膜(ATOLayer)厚度会造成工作位置精度的偏差,且触控面板做的愈大此情形愈加明显.因此为了得到正确位置精度,需藉由控制器作线性分析及补偿.
控制器经由多点(多为25点)线性补偿功能(Multi-point Linearity CompensationFunction),将补偿数据(Compensation Data)纪录于EEPROM中,以对通过不平衡的透明导电膜而引起的偏差进行补偿.通常此对策能将线性偏差(AccuracyTolerance)控制在1%以下.
但上述情形是建立在理想状况下,实际操作时,「漂移现象」(DriftPhenomenon)一直是电容式触控面板应用亟待克服的问题,由于流经电容式触控面板讯号是非常微弱的,且直接受温度、湿度、手指湿润程度、人体体重、地面干扰与线路寄生电容所影响,而多点线性补偿功能只能解决局部区域线性问题,无法解决整体的漂移现象.
软件驱动程序
软件驱动程序(Utility)对于不同作业平台支持的能力通常反映在一家公司的竞争力及市占率上,一般软件驱动程序所支持的作业平台:
微软WindowsOS:95, 98, Me, 2000, NT4, XP and Tablet PC Edtion
微软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
另外对于操作使用者来说,软件驱动程序所支持的功能也是选购时的考虑.一般多同时支持RS232及USB的通讯接口,2048×2048的屏幕分辨率(Resolution),4点校正(4 PointCalibration)、25点线性补偿功能,微软Windows作业平台下支持多国语系,屏幕旋转(MonitorRotation)及多重屏幕(Multi-monitor Supported)等功能.
电容式触控技术优点
与电阻式触控屏和电磁式感应板相比,电容式触控屏表现出了更加良好的性能.由于轻触就能感应,
使用方便.而且手指与触控屏的接触几乎没有磨损,性能稳定,经机械测试使用寿命长达30年.另外,电容式触控屏原理整个产品主要由一块只有一个高集成度芯片的PCB组成,元件少,产品一致性好、成品率高.
电容式触控技术缺点
代表流行风向标的iPhONe上使用电容式触控屏无疑进一步印证了其拥有的各项优势.然而,瑕不掩瑜,电容电容式触控屏原理式触控屏也面临着以下一些挑战:由于人体成为线路的一部分,因而漂移现象比较严重;电容式感应输入技术在中小尺寸平板显示器上输入或控制点状目标(如点击软键盘上的电话号码或输入中英文字)时的性能有待改进;温度和湿度剧烈变化时性能不够稳定,需经常校准;不适用于金属机柜;当外界有电感和磁感的时候,可能会使触控屏失灵.
电容式触控技术在家电产品中的应用
近来在便携式媒体播放器、笔记型计算机、手机市场中陆续出现的各项令人感到兴奋的电容式感测技术之应用,让人几乎忘了这类界面技术早已广泛地应用于家电用品的设计中许多年了.感测算法与控制电路两方面的重大进展,让这项技术适用于更多的应用领域.设计人员看到了电容式感测技术的价值所在-不仅可取代机械式按键与膜片开关;并可适用于各项新颖的应用,如:触控式屏幕与近距传感器等.
感测电容
电容式传感器是由导体片、接地面、与控制器所构成.在多数的应用中,导体片会用一片铜制电路板,而接地则用灌注填充.这两者之间存在有原生(寄生)电容(CP).当其它如手指头等导电物体接近传感器时,随着该物体的电容值(CF)增加,系统的电容值也随之增加.(如图1)
要侦测由CF造成电容值增加的方法有好几个.场域效应(Field Effect)量测方法中,在感测电容器与系统参考电容器之间使用交流电分压器.藉由监测电流在分压器上的改变可以感测到手指触碰时所产生的电容值变化.电荷转移(ChargeTransfer)则使用切换式电容器电路以及参考总线电容值,重复进行从较小的传感器电容器至较大总线电容器之间的电荷转移步骤.总线电容器上的电压值与传感器电容值两者之间存在着比例关系,因此在固定次数的步骤后量测电压值,或藉由计算达到某一电压临界值所需的步骤次数,来决定该电容值.另外,弛张振荡器(relaxationoscillator)则是用量测充电时间的方法,其中充电速率通常是由固定电流源的值和传感器电容值所决定的.较大的传感器电容器需要较长的充电时间,这部份通常能运用脉冲宽度调变器(PWM)与定时器来进行量测.至于连续近似法(SuccessiveApproximation)也是量测电容充电时间的方法,不同的是当中的起始电压是由连续近似法所决定的.
以PSoC组件执行的连续近似法(Cypress 申请之专利)采用一组电容对电压的转换器以及单斜率模拟数字转换器(ADC).其电容值量测方式是先藉由将电容值转换至电压值,接着将该电压值储存于电容器内,然后再利用可调式电流源来量测所储存之电压值.其中电容值对电压值转换器乃是利用切换式电容器技术,此电路系统让传感器电容器可依其电容值反映出对应的电压值.切换式电容器所用的频率则是由PSoC本身内部的振荡器所产生.
传感器电容器连接到模拟多任务总线上,并利用同样连接总线的可编程电流输出数字模拟转换器(iDAC)进行充电.每个总线上充电电量为q=CV.当SW2为开路且SW1为闭路时,跨CX两端的电位势为零,且会减低总线上的电量,所减低的值与传感器的电容值成比例.这种充放电的动作会一直重复,此时传感器电容器也会成为总线上的电流负载.(如图2)
藉由切换式电容器的电路运作,iDAC就会以二元搜寻法的方式决定出总线上恒定的电压值有多少.该电压值会影响切换式电容器的切换频率、传感器电容值、以及iDAC的电流值.总线其实也等同于一个旁路电容器(bypasscapacitor),可以稳定最终电压.在总线上也可以增加额外的电容器,以调整电路的行为与时序.
计算所得的iDAC值接着再度用来对总线充电,并且测量总线从初始电压到比较器的临界电压所需的充电时间.初始电压是在没有手指触碰的情形下,因此充电时间可事先测定.当手指触碰传感器时会增加CX的值,并且降低初始电压,因此会延长充电时间量测.(如上公式及图3)
建构传感器
电容传感器有多种型态与功能,可以采用各式各样的媒介,实作样式从简单到复杂都有.而决定传感器建构与建置细节的还是应用本身的需求.最常见的传感器样式要属按键与滑杆.按键其实就是连接至控制器的大型导体片,其中所测得的电容值会与一连串的临界值作比较,而测定结果也能藉由数字输出获得,或用其它模拟特性,以进一步感测触
动的压力或手指面积.至于滑杆则是许多导体片以直线或放射状排列所构成的.利用计算质心的算法就可以测定出接触的位置,而且分辨率远大于感测所用的针脚数.像按键或滑杆这类简单的电容感测器,绝大多数都会采用铜片沉积至印刷电路板.然而也能使用其它基板材质与沈积媒介物制作电路,例如高导电性的银墨(silverink).(如图4)
动态使用者接口的按键或触控区则可以任意配置其显示器样式.这类的显示器拥有更为平顺且直觉化的互动操作,创造更佳的使用者经验.要建构这类系统比一般简单的按键或滑杆更为复杂.投射式电容触控屏幕在显示器上多加了透明导电物质.这层导电表面利用沈积方式附着于玻璃或PET薄膜这类基板上,并且连接至控制电路,接着再将此基板黏着于触控表层与显示器之间.触发区域测定方式与滑杆相同.纵向与横向的两组滑杆相互交错以覆盖整个显示区域,而且这两个方向的滑杆会侦测触动位置并且输出x轴与y 轴数据.由于投射式电容触控屏幕上方还有一个覆盖层,因此也保护屏幕不受直接冲击、弯曲、环境因素影响等常见于传统电阻式触控屏幕的伤害.
近距传感器基本上就是很大的按键.近距传感器的目的并不在侦测导电物体的确切位置,而是物体是否在附近.由于不需知道物体确切位置,因此反应时间可以稍慢(3-4msvs. 250us).近距传感器的灵敏度高很多;设计得当甚至可达30cm的距离.也由于近距传感器无须结合任何显示图形,因此在装置中的摆放位置就有更多的弹性.无论是控制电路板外的铜线圈,或是覆盖层后方的导线,都可以建置出非常基本且具成本效益的近距传感器.(如图5)
使用电容传感器
电容传感器的用途日益广泛.上述传感器的弹性、耐用、简洁的特性已为许多设计人员创造了新的机会.基本的选单浏览和点选功能依然使用按键方式,但使用价格实惠的电位计这种具备模拟特性的按键,就能建置出更多简单、具成本效益、可靠又安全的功能.
LG LA-N131DR空气清静机在面板显示器选单浏览的按键上中用了五个电容传感器.这些按键让设计人员可以设计出平顺的机身,同时也具备使用者接口.电容式按键透过四毫米的玻璃侦测有无手指触碰.
控制电路则建置在双层印刷电路板上没有传感器的一面.LG 采用PSoC混合讯号数组来控制传感器,并且将状态输出至主要的装置处理器上.(如图6)
近距传感器具备反应式背光功能,这主要是为了夜间操作或是安全因素考虑.这些情形多半需要更大的触发组件,例如成?的手或是金属罐子,才有办法达到可控制的范围.近距传感器、按键、滑杆、甚至是触控屏幕,都可利用PSoC的单一处理器进行控制.韧体例程则可依照使用者输入或主机命令进行状态的更改.
为您创造电容感测应用
PSoC混合讯号数组内含一个包含可组态的数字与模拟资源、闪存、RAM、8 位微控制器与其它多种功能的数组.这些特色让PSoC 能在其CapSense系列产品中实现创新的电容感测技术.运用PSoC的直觉式开发环境即可为装置进行组态与重新组态,以符合设计规格或任何规格变更.新感测技术的出现提升了感测灵敏度与抗噪声能力,并且减少功耗、增加升级速率,让设计人员创造出更好的应用产品.
多点电容式触摸技术的参数化优化设计
iPhONe极具创意的界面设计预示着多点电容式触摸屏技术将成为今后几年消费电子技术中的一大亮点,尤其是手机,MP3,MP4播放器和汽车GPS等等应用领域.
同是源于电容式触摸原理,触摸屏相对于TouchPad鼠标的难度在于触摸屏采用了高阻抗高透明度的ITO (Indium TinOxide, 铟锡氧化物) 材料,每条sensor的电阻通常在10K欧姆左右甚至更高,而TouchPad是电阻只有几个欧姆的copper/PCB.
电容式触摸屏三维结构
触摸屏设计最重要的环节就是优化每一条sensor的电阻和电容.要了解这个问题,需要先知道ITO的工艺结构和sensor平面版图.
图1是常见的抽象化的双层ITO工艺概图.从上到下分别是:
覆盖层(overlay):大多是钢化玻璃(0.4～1mm),也有可能是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯).PET的优势在于触摸屏可以做到更薄,而且比现有的塑料和玻璃材质更加便宜;
绝缘层(isolation)1/2/3:玻璃(0.4~1mm) ,有机薄膜(10~100um),粘合剂,空气层;
ITO:典型厚度50~100nm, 其方块电阻大约100~300欧姆范围;
工艺三维结构直接关系到触摸屏的2个重要电容参数:感应电容(手指与上层ITO)和寄生电容(上下层ITO之间,下层ITO与LCD之间) . ITO的厚度决定了其电阻率.
图2.是Cypress的专利技术ITO菱形图形.蓝色是上层ITO,黄色是下层ITO.这里面包含的主要关键电学参数是:纵向sensor与横向sensor之间的寄生电容;sensor的电阻值.Sensor的电阻值取决于菱形块的大小,以及菱形之间的过桥宽度.
参数化设计思想
触摸屏设计的目标就是尽量减小电阻和寄生电容,并同时增加感应电容.系统优化设计包括结构优化和版图优化,涉及到十几个物理和电学变量.由于缺少解析表达式,复杂边界条件下的MAXWELL方程组数值模拟几乎成为唯一的选择.绝大多数数值计算软件需要直接输入三维结构图,有的甚至要求对边界的数值描述文件.另外,这种结构绝缘层以及ITO极薄的厚度也会给仿真软件带来非常巨大的计算难度,甚至无法准确计算电学寄生参数.由于一系列困难,使得优化仿真的前端工作变得庞大,使整个优化设计变得几乎不可能.
针对这一设计瓶颈,Cypress Semiconductor Corp. 和Ansoft Corp.探讨了一套设计流程,简单地讲就是利用Ansoft/Q3D对版图和结构参数化,达到快速自动仿真优化的设计目的.Ansoft/Q3D通过采用多种先进的数值方法,能够得到基于物理参数的非常直观的标准RLGC参数矩阵.对于设计者而言,RLGC参数矩阵直接描述物理结构,因此更容易解设计的问题出处和关键所在,能非常方便的指引设计者设计的方向.同时,Ansoft/Q3D提供了强大的参数化功能和参数优化功能,可以大大提高设计者的工作效率.
图3是ITO触摸屏的一个单元.这个单元的所有2D和3D参数可以通过Ansoft的Q3D进行参数化,包括ITO的厚度,双层ITO之间的间隔,以及菱形结构之间的间距和过桥宽度.结构参数化之后,设计人员可以根据不同情况对其中的一个或多个物理结构参数进行扫描式仿真;同时设计者可以使用Ansoft/Q3D内嵌的优化算法,根据设计要求,自定义优化的目标参数,得到接近最优的物理结构参数.对于更为复杂的3D结构,Ansoft/Q3D也可以采用同样的参数化方法进行建立模型.可以想象,有了这样的一种先进的参数化CAD设计流程,整个系统的优化设计可行性变得水到渠成.
设计流程
在我们给出的设计举例中,限于篇幅,仅仅列举出电容参数矩阵.在Q3D的计算中,电阻矩阵的计算相对容易,消耗较小的计算机内存;而电容参数的计算,不仅仅是影响设计的关键因素,而且在Q3D的仿真中消耗较多的计算机内存.下面只是列出电容计算的结果(1和2表示单元菱形结构编号,其实C[1,1]和C[2,2]是1和2两个菱形的自电容参数,C[1,2]和C[2,1]表示互电容) .
首先,假定其他结构参数不变,通过Q3D计算电容矩阵参数随着ITO厚度的变化.从下面结果可以看到,ITO的厚度对于电容参数的影响很小.
对于绝缘层厚度也是设计中需要考虑到重要因素,因此我们计算ITO之间绝缘层厚度对于电容参数的影响.从Q3D计算的结果果可以看到,电容参数随着绝缘层的厚度成近似正比例增长.其实从平板电容的角度思考,这些结果是能够自洽的.
并且,我们计算了上下菱形之间缝隙尺寸对于电容参数的影响.这个部分也是计算中最难确定的一部分.可以看到Q3D可以准确的给出缝隙对于电容参数的影响.
以上数据给设计者提供了设计方向,更重要的是能够帮助设计者得到准确的电学参数.通过这些最优单元电学参数的计算,并结合使用Ansoft的另外一个工具Designer,就可以完成整版的电学参数计算,并在Designer里面计算驱动端到任何一个节点单元之间电学参数以及电路响应.驱动端读取这些电学参数,就可以实现触摸屏的响应.
最后,我们给出一个利用Ansoft/Q3D实现设计的典型流程.
上面的流程整个触摸屏设计制造的一部分,是设计触摸屏的性能是否能够达到要求的最重要的部分.这个CAD流程的使用者可以是触摸屏生产商,也可以是提供解决方案的芯片供应商.其关键价值在于极大的缩短了从结构到版图设计优化的整个流程.
赛普拉斯的电容式触控技术解决方案
赛普拉斯的CapSense电容式感应解决方案由具有CapSense功能的器件和PSoC可配置混合信号片上系统微控制器构成,用户只需手指轻触 CapSense界面即可形成一个与内嵌式传感器的电连接,传感器与PSoC器件一道工作,将手指的位置数据转化为各种系统控制功能.而传感器本身只是印刷电路板(PCB)上的铜层,并非实际元件.控制传感器的电路则全部位于PSoC器件内部.
一个具有简洁、触敏界面的CapSense器件可以取代数十个机械式开关和控制器.基于CapSense的"按键"和"滑动条"控制器比相应的机械式控制器更为可靠,原因在于它们不像裸露在外的按键和开关那样容易受到环境磨损的影响.在全球,已经有逾百种赛普拉斯CapSense设计得以应用,其中包括手机、PMP、白色家电、PC、笔记本电脑、打印机及汽车等.
"目前PSoC器件和CapSense的全球出货量已超过1个亿,手机和电动自行车是两个最主要的应用市场,"BabakHedayati表示,"2006年PSoC微控制器PSoC可编程混合信号片上系统刚进入中国新兴的电动自行车市场,就占据了20%以上的市场份额,我们预测这一市场份额今年将继续增长到30%以上.PSoC在手机市场的市场份额不太好统计,但CapSense在手机上已是一个非常流行的特性,大多数主要的手机OEM都在开发基于CapSense和PSoC的电容式触摸输入功能,有的已经开始向市场推出具备这一功能的产品."
除电容式感应功能以外,系统设计师还能够利用可配置PSoC架构,轻易将多种功能(如LED和LCD显示驱动)集成到设计之中.此外,PSoCCapSense解决方案还具有诸多优点,如采用I2C、SPI或USB接口的便捷通信、可利用相同的器件来实现跟踪板(x-y矩阵)和线性滑动条应用,以及可通过基于闪存的PSoC架构快速更改设计.
所有PSoC器件都是可动态重建的,使得设计者能够随意创建新的系统功能.在许多情况下,设计者都可在不同时间对同一芯片进行不同功能的重新设置,从而获得超过100%的硅片利用率.
CapSense器件可以透过厚度为5mm的玻璃或者塑料准确感知.
为了回应业界对CapSense在温度和湿度剧烈变化时性能不够稳定的批评,2007年3月底赛普拉斯为PSoCCapSense电容式感应解决方案推出了两种新型感应方法,即CapSense Sigma-Delta调制器(CSD)和CapSense逐步趋近(CSA)这两种用户模块,它们可在PSoCDesigner集成开发环境中提供给用户.
CSD用户模块可使按钮、滑动条、触摸板和触摸屏等在潮湿环境下仍能实现无缺陷运行,并具有出色的温度响应,从而为白色家电及其他对湿度敏感的系统提供极佳的性能.高水准判断逻辑可补偿温度、湿度以及电源电压等环境因素的变化.独立的保护电极可用来降低分布电容,在有水雾或水滴存在的环境下仍然能够可靠运行.
CSA用户模块的抗干扰性能提高了45倍,而功耗降低了60%,从而在性能上获得了显着改进,使其成为便携式消费类应用的理想选择.CSA用户模块可对按钮、滑动条、触摸板以及触摸屏的组合提供支持,并配有先进的软件程序,可补偿环境与物理传感器的变化.
赛普拉斯CapSense产品部门总监CarlBrasek表示:"这些新型用户模块提供了能够克服恶劣环境条件的感应方法,从而进一步拓宽了电容感应输入技术的应用领域."
ADI的电容式触摸技术解决方案
ADI的电容式感应输入解决方案包括电容到数字转换器CDC(如AD7745、AD7746、AD7747和AD7142)以及电阻到数字转换器IDC (AD5933和AD5934),除了AD7142以外,所有上述CDC和IDC都针对工业控制、汽车和医疗电子应用中的高精度传感器设计.ADI最新的CDC(AD7142)则主要面向消费电子领域.尽管所有这些CDC都基于ADI的sigma-delta架构,但他们是非常不同的器件.
AD7142是一款针对手持消费电子设备的可编程14通道电容数字转换器(CDC),它们能使当代的触摸控制设计做到超薄而具有高可靠性,以改善用户的触摸感.凭借ADI先进的电容传感器内核,这款低功耗CDC具有自动校准快速改变的外界环境的功能,从而使其适合移动环境应用.使得触控导航屏幕功能成为可能的电容传感器正在快速取代机械输入方式,以改善蜂窝手机、MP3播放器、PMP和数码相机应用中屏幕控制的外观和触感.
AD7142具有卓越的抗环境干扰能力.这些干扰主要来自环境温度和湿度,它们会降低其它电容传感器的性能.该器件的功耗比同类解决方案低50%,从而使其适合电池供电的应用.AD7142有14个输入端,可对各种传感器配置进行设置,例如触控滚动条、8路位置传感器,以及驱动弹出菜单的滚轮,从而使用户可以更方便地浏览大量的音乐、图片和视频文件.
"手机和MP3播放器的用户接口是最困难的设计环节之一,因为它要求在现代触摸屏设计的最小尺寸和最低功耗范围内具有最高的精密度和功能,"ADI公司精密信号处理产品线总监PatO'Doherty说,"像我们用于工业和汽车应用的CDC产品一样,AD7142能以较低的成本提供鲁棒性和无差错的性能,同时比以前的产品提供更大的设计自由度."
AD7142具有高度可编程能力,并包含自适应阈值和灵敏度算法,允许芯片调整用户的手指尺寸,从而使该传感器对手指粗细不同的用户都适用.这款16位、低噪声、高精度CDC允许终端用户调整单个传感器的敏感程度,以适应他们的手指和触摸方式.AD7142通过片内数字校准功能实现独特的自动环境补偿,从而不论在任何时间和任何环境条件都能保证传感器的性能无差错.由于该器件显而易见地对用户提供了这种连续的校准,所以在外部传感器上不会产生误触摸或者无效触摸.
另外,AD7142的低功耗特性使其很适合电池供电的应用,包括数码相机、电视机遥控器和游戏机.全功率方式工作电流小于1.0mA,而待机方式工作电流小于2.0μA.该器件还能够灵活地调整输出速率以获得最优化的功耗.AD7142提供SPI或者I2C兼容接口选择,与ADI公司用于手机和个人媒体播放器的Blackfin处理器可以很好地配合工作.
与同类模块不同,AD7142是基于集成电路的单片解决方案,它提供了传感器尺寸库,从而允许制造商为不同的产品定制电容传感器的形状.此外,ADI公司提供适合多种终端用户应用的传感器参考设计.这些参考设计能够与可选的主软件一起工作,该软件能够提供高精密检测能力.
AD7142CDC可以连接到外部电容传感器,以实现电容按钮、滚动条或触摸输入板等的功能.当用来实现数码相机和手机上常见的滑动开关时,用户可以得到一个8向开关而不是典型的4向开关.8向开关除了可向上下左右方向移动外,还可以在四象限的45度角方向移动,这在滚动搜索或控制收录了1000首歌曲的MP3播放机时是非常有用的.
O'Doherty表示,AD7142的14个输入使得它可针对许多传感器配置进行编程,如手指驱动的滚动条、8个方向的位置传感器、以及驱动弹出菜单的滚动轮,这使得它更容易浏览大型的音乐、照片和视频文件.
尽管AD7142的主要应用是手机、数码相机和MP3播放机,但它也可用在TV、遥控板、游戏机和白家电(如洗衣机和微波炉)上.传感器可以放在塑料面罩之后,以消除前面板上的活动部件.这一防灰尘和防水功能使得它工作可靠性更高,游戏杆不会再拗断,无按键手机也已不再是梦想.
上图显示了PCB顶部的发射(TX)层和底部的接收(RX)层,在其内部,芯片时钟生成一个240-kHz方波,它从TX层传输到RX层.这两层之间形成一个电容.当一个接地的手指接近塑料面罩时,一些电容边缘区域就被旁路,这将导致到ADC或CDC的电流变化.然后CDC根据手指运动造成的电容量变化来测量电流的变化.
电容式触控技术的发展动力及趋势
引言
人机界面产业在长期的蕴酿之中,由苹果计算机(Apple)之iPhONe手机正式呜锣揭开序幕、粉墨登场、全场惊讶连连、涟渏波动,久久不能平息,演出者与观众之间眉来眼去,秋波迭送,似乎两厢情愿,深情日款,大有一时天雷勾动地火,一发不可收拾之势.
触控技术在与蓝天为幕,昭日引导,响亮的前进曲之氛围中,引发广泛之回响,确实为近年来产业界罕见的现象,因为:
(1)新人机界面引进之新产品概念在一片了无新意之3C产品中活化了生机.
(2)模块化设计概念下,日渐褪色之系统整合创意的末梢神经突然恢复知觉,让系统设计者在模块组合经验活化创意,开始擦脂抹粉.
(3)新技术之引进连动出整个上下游产业链重新组合换位,俱认机不可失,期待美人青睐!
(4)应用层面无远弗届,NB、手机、PDA,掌上型游戏机、MP3音乐播机,导航系统、ATM提款机等皆受全面之冲击,宛如巨星临降,万人空巷.
以下将就主要触技术做介绍比较及产业现况做简介,并针对目前最夯之多指应用所需之技术、专利、整合、应用等做更深入之讨论.
一、主要触控技术简介
目前市面上触控技术主要如下几种,分河饮水,各立门庭:
(1)电阻式:藉由压力接通在上下二层电阻网络,由电阻分布以决定压力点之位置.目前市面上有四线、五线、六线、七线、八线式各种组合,各类均有其优缺点,但以四线及五线最为普及.电阻式技术原理简单,门槛低,上下游整合完整,但无法进行多手指侦测,且反应较不灵敏,寿命较短为其主要缺点,目前手写式手机屏幕多为此类.下表比较各式电阻式之不同,如表(一).
表(一)、电阻式触控面板技术比较
(2)表面电容式(SurfaceCapacitive):原理类似电阻式,但使用电容值而非电阻值为计算量以决定触摸位置.主要应用在中大尺寸上的应用,但如同电阻式,虽为感应式较电阻式灵敏,技术门槛低,且无法进行多手指侦测.
(3)表面声波式(Surface Acoustic Wave,SAW):利用声波发放器传送至平面玻璃,造成均匀分布之表面声波,当表面波手指或软性界面触碰,即产生声波遮断以藉此计算触碰位置.惟其成本高,上下游整合不易,且无法做多点侦测,是其较大之限制.
(4)振波感应式(Dispersive SignalTechnology):为3M发明,主要原理在强化玻璃基座上利用触摸,使玻璃内部之振动波传导至其四个角落之感应及控制器以决定触摸位置.其优点为不受表面脏污与刮损影响,且可适用于大尺寸(32寸以上),缺点是无法多点触控,价格高,产业上下游整合不完整.
(5)红外线式:原理是以红外线的发射与接收构成X、Y之矩阵,当红外线波在特定位置被接触物阻隔即可计算出接触物(如手指)之位置,主要应用大尺寸应用及多点触控,但功耗高、分辨率差,机构需架高做为红外线的信道.
(6)投射电容式:投射式电容与表面式不同,主要在于表面使用上下两电极做为电容,而投射式则将上下电极细分成矩阵式分布以画出X轴、Y轴交叉分布做为电容矩阵,当手指触碰时透用X、Y轴之扫描即可侦测在触碰位置电容变化,进而计算手指之所在.苹果计算机(Apple) 之i Phone即以此技术为基础,其技术门槛高但后市可期.
(7)电磁式:主要是透过一个特殊的电磁笔与感应面板做触控而去计算电磁笔在感应面板上之轨迹,因其需用特殊之电磁笔及无法做多点,某些特殊机种外,无其它应用产生,某些应用尝试使用电磁与电容或与电阻结合,但成本极高,恐也非长期可靠.
除上述之技术外,尚有其它方法引入触控领域,如微软的光学成像式 (Microsoft Surface)造价昂贵,反应速度慢,可用度不高,另外友达、TM D、夏普之内嵌光 (In-Cell design)检器技术更为复杂,价格仍难被终端厂商所接受,其期初面板之良率,恐也是另一难题,故亦都不在本文讨论范围之内,表二比较各式的优缺点,各式触控面板之主要应用则整理于表三.
表(二)主要针对各式面板特性做基本之比较:
表(三)、触控面板主要应用:
由表(二)及表(三)基本上就触控面板可得结论如下:
(1)中大尺寸仍以电阻式面板为主,主要是其成本较低但功能有限,若需较多功能,则红外线与电磁式将为主流.
(2)小尺寸或可携式产品初期仍会以电阻式为主,但由于i Phone之风潮,投射电容式面板之比重将持续增加,甚至全面取代.
(3)复合面板(电阻式+电容式,或电阻式+电磁式,或电磁式+电容式)将成为各家商研发之主要方向.(如N-Trig开发,电磁式与电容式组合,WACOM的电磁式+电阻式,但贵.)
(4)除多手指侦测外,手写或笔写或手笔并进亦将是未来主要之研发重点.
二、触控产业的主要关键
触控产业其实行之有年,无声无息直到苹果计算机 (Apple) iPhone的多手指应用方才?爆,平地一声雷,因此集三千宠爱于一身,尤其是投射电式面板.其它面板技术只在突破以既有之基础实施多手指应用.而投射电容触控技术本也非新技术(原笔记型计算机之触控板鼠标即是),以下将讨论投射电容式面板在应用却也面临一些关键问题:
(1)透光感应表面的技术.
可透光感应面基本上是上下二层电极矩阵形成,中间以绝缘层隔开以形成电容,结构甚为简单.触控面板基本上是由轻薄透明之感应面与一控制IC以及IC内部相对应之软件(Software)及韧体(Firmware)组合而成.导电电极而溅镀或蒸镀透明导电材料(目前都为ITO,氧化铟锡)于透明基材上,一般为玻璃或PET薄膜以Film/Film、Film/Glass或Glass/Glass三种结构上下贴合而成.感应面的主要规格为透光率与耐久性,玻璃上之溅镀或蒸镀,原为面板厂所熟知,因此传统中小尺寸面板厂也积极投此一领域,然玻璃厚、重、贵且易碎,显然并非长期饭票.因此电阻式触控面板业便挟其在光学PET溥膜的经验挺进.
(2)控制IC之来源.
不同于电阻式面板,原理简单、门槛低,其感应控制电路无需独立控制IC,而多由系统上之主控CPU以软件处理,投射电容式目前尚无法由系统上的主IC处理而须独立IC处理,因此也吸引国内外多家IC设计公司相继投入,如美商新思(Synaptics)、塞普拉斯(Cypress) 及台湾?达 (Sentelic)、义隆(Elantek) 等等.但投射电容式触控IC因其门槛相当高,若非具相当研发实力恐难完成.其主要技术门槛在 (a)系统噪声之处理(b)手指上之汗、油、膏、污之克服 (c) Cover lens或机构保护面之厚度使感应灵敏度之降低(d)人体体质不同造成系统稳定度降低(e)在小尺寸应用上手指分辨率低使光标分辨率不易提升,往往使Demo容易,量产困难,若无长期经验之累积是无法克服量产之稳定问题.目前只有美商新思(Synaptics)与台湾?达(Sentelic)在此方面有长期之基础,其它厂商恐将需渡过一段学习曲线.
(3)系统整合的关键.
投射电容式本身最大之障碍在于系统整合与应用时的状况,毕竟面板终究得安装在屏幕面板,其噪声与系统其它电路所产生之噪声极易对触控产生干扰,造成定位不准,若只是手势之应用或许可行,若未来手写与指针之应用、控制IC便是关键,第二:因系统机构的设计致使Coverlens变厚,原则上问题将益形严重.另外,模块厂是否需含客制化Coverlens亦是产业供应链的一大挑战.最后,当面板整合到LCD屏幕面板上之贴合,亦将考验制程的能力,因为目前面板贴合良率本身也只有80%~85%而已,另一段的贴合势必将使良率再低,而且尺寸愈大、贴合愈难.
(4)产业上下游整合模式.
表(四)举例粗分之触控面板产业链,上游其原本都掌握在日本业者身上,中游材料加工则在日本与台湾,下游面板之贴合、压合、测试,则在台湾,少部份在大陆完成,由于投射电容式面板于面板加工制造,系全新领域,多数仍在摸索与试车阶段,良率之提升仍有一段路途.而面对全新投射电容式面板,目前之面板厂均无整合、测试与系统支持之经验,此段仍必须由IC设计厂来执行,而IC厂本身有无整合前段制程之能力仍待考验,届时势必率动整个上下游产业链之定位与重组,约在2009年Q2后将更为明朗.
表(四)、触控面板产业链
表(五)、全球触控面板主要厂商
(5)专利保护壁垒
十多年来在触控面板的发展,各家在专利上的布局已使这个产业地雷布满各式触控面板,当然其原创者皆会有所保护.单就投射电容式面板相关之专利即有100多种.后继者几乎完全没有插手的空间,目前在投射电容面板主要掌握在美国Synaptics(新思)、苹果计算机(Apple)及台湾?达(Sentelic)科技手上,此三家之专利布局绵密,几乎涵盖现在与未来发展所需的技术.下表反应了目前可查到之专利数量.
表六、触摸屏相关专利统计
举个简单例子,触控板上要单击/双击、要多手指侦侧、要在板子上做滑动的动作,对不起这些都已有专利,多手指侦测后要做其它翻页动作,那更是苹果计算机(Apple)的专利,其它更底层技术性的便不在话下了.目前投射电容式尚未有多家及大量产品投入,可见未来之不久,一定刀光四射、狼唣不止.系统设计者必须凌波微步、左躲、右闪!
三、多手指侦测应用以及系统整合:
丑媳妇终究是要见公婆,技术终归要上台面,入应用.自从iPhone多手指应用之后,此项功能已成触控面板之主要功能,当然手写、笔写、单击、双击、卷动等传统之功能,更不在话下,因此针对各不同应用所需之技术趋势也便可想而知,成本则是另一重要考量,已不再赘言.就多指之应用而言,可想而知,只有投射电容式与红外线式,可做多指侦测并分占中小尺寸与大尺寸之市埸.有了多指侦测后,其它单击、双击、卷动、手写、笔写等也只是软件或韧体之应用而已.各式各样的屏幕上之变化也大都可由软件或韧体程序完成,因此基本问题便可带出:何种系统的架构整合最易、效率最好、成本最低、壁垒最少,以上考虑是系统业者最需深思之课题,因此我们可清楚地推论其最终之轮廓:
(1)是塑料而不是玻璃.
虽塑料(压克力,光学胶,PETFilm)的光学特性与耐刮耐久性不如玻璃,且常需低温制程,但玻璃厚、重、加工难、制程贵、不耐摔,在长期成本压力之下,塑料仍是首选,尤其是PETFilm(PET光学薄膜),因可导入Roll-to-Roll制程,故相当看好,其光学特性也在可接受范围,且传统电阻式触控面板厂亦有长期的经验,上下游整合完整,最终相信应是PET光学薄膜Filmon Film的结构.
(2)手势辨识在控制IC,不在系统端.
一般是将手指的坐标传到系统,再由系统藉软件程序辨识手势,虽属可行但反应速度较慢,尤其是多指触控或手输入时更为明显,而当X、Y轴之讯号受外部杂干扰时,坐标的信息将更不可靠,造成手势辨识的困难,使得更复杂之手势无法支持,像iPhone也只有滑动与Zoom-in/Zoomout之动作而已.另外以目前之扫描方式(红外线或投射电容式或有建置X、Y轴扫描者),为了降低扫描线的数目都采所谓LoadGrounded的做法,此一做法会造成不同之二手指坐标,而只有一个相同坐标,系统亦不可辨识.而IC内可用其它额外讯号辅助判断,此额外讯号通常因算法不同而形成各家不同整合之困难.
(3)软硬兼施而不是吃软不吃硬.
由于投射电容式面板门槛高,因此很难以纯软件/韧体的方法直接解决,更非一般低阶8bit MCU可有效解决,尤其需平行处理不同复杂讯号时,硬件方案与软件方案需做适切的分割搭配,方能降低高速CPU的耗能.这也是目前一般面板整合者相信用软件即可解决迷思.
(4)善事必先利其器(客制化、开发之软/硬件开发工具).
终端系统整合工程师,一般并非都熟稔面板特性而为了应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,完整方便的软/硬开发工具,是系统整合者决定其解决方案的开发时程与品稳定度的重要关键.
四、结论
就以上之讨论,在整个触控技术在现在产业链,约可做成如下几点结论:
(1)目前触控面板仍以小尺寸之应用主(尤其是多指触控)而投射电容式面板势将成为主流而逐渐取代电阻式方案.
(2)Demo不等于量产,目前多指应用之解决方案,Demo者多但可量产者少,其间仍有相当大的距离.
(3)控制IC厂商本身的研发能量决定未来/电子/产品使用情境的发展.
(4)选择适当面板技术是系统厂商最重要量.
(5)与控制IC厂商的合作关系攸关触控面板厂商之生存.
(6)虽困难度高,但垂直整合势在必行.
总结触控面板技术,就多指触控其技术成本及普遍应用性来看,目前以投射电容式为发展主流,但仍有诸多的障碍需克服解决,以上提供给触控产业界朋友做一些参考.
电容式触控技术再精进 电荷转移横向模式技术诞生
目前电阻式触控面板由于其多层材料堆栈架构的限制,使其在透光度与计算手指位置的精确度上不若电容式触控面板来得好,电容式触控面板若采用电荷转移技术中的横向模式方案,则更可解决电容式触控屏幕噪声与噪讯比的问题,从而开发更具优势的电容式触控屏幕.
由于触控屏幕反应迅速,而且是直观式操作,因此正迅速被各类消费电子产品和交通售票系统等工业及商业设备选为使用者接口.
在技术层面上,触控屏幕早在数10年前就已确实可行,但早期技术并不适用于低成本的大众市场应用,这些技术包括红外线系统与表面声波感测系统,由于红外线系统采用由水平和垂直两个方向构成的传感器数组,用以检测使用者的手指是否靠近屏幕表面,而阻断经过调制的光束,而表面声波传感器,因手指接近屏幕表面时会吸收声波,因此该技术可根据声波的变化确定是否有手指触及屏幕.
除上述提到的技术之外,还有几种其它技术,不过目前的主流趋势是电阻式和电容式感测,这两种技术都有其优势,但最新的电容式控制IC不单能简化单触控应用,而且还可以实现电阻式感测系统无法提供的多指触控功能.
电阻式触控面板囿于架构而导致诸多缺点
电阻式触控屏幕已摆脱从1970年代就存在的专利限制桎梏,这种技术的工作原理很简单,主要部分是由两层微小空气隙隔离的透明电阻材料组成,一般是淀积在塑料膜和玻璃基板上的氧化铟锡(ITO),其中,顶层是软性的(Flexible),而低层是硬性的(Rigid),中间有许多细小的透明间隔点以隔离两个导电层(图1),当用户手指按压顶层时,在接触点形成电压梯度时,电子控制组件会对之进行感测,并计算出X、Y坐标的位置.
图1:电阻式触控面板原理示意
图2:电阻式触控屏幕电极正交电位计
在最简单的四线(Four-wire)电阻式连接中,顶层两端和低层两端分别各连接两个电极,两层的电极互相呈九十度交叉,形成四线星状连接结构,这实际上就是一对彼此正交的电位计(图2),相当于机械操纵杆的平面屏幕模拟.为了在X轴方向测量触摸位置,触控板的控制器将X-设为接地,而X+偏置为参考电压,然后从Y层的两端读取电压,以找出X轴上两层的接触点.同样地,控制器透过在Y层的电极上加载驱动电压,并从X层读取触摸点电压,可以确定Y轴上的触摸位置.
这种技术的变化形包括五线系统,基板带有ITO涂层,四边都有电极.软性隔膜为第五个电极,当用户手指压按时,控制器可测量出X和Y轴的电压,从而确定触摸的位置.这种排列通常可提供比四线结构更佳的稳定性和更长的寿命.其它变化还有适用于大型屏幕、分辨率更高的六线和八线系统.
电阻式技术的主要优势在于其接口电子结构很简单,控制器只须在一对电极上加载参考电压,同时测量另一对电极间的电势即可,而这一点利用片上(On-chip)金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)开关、模拟多路器和模拟数字转换器(ADC)就可轻松做到.若ADC进行差分测量,测量结果实际上成为比率计(Radiometric),可使用Vcc和接地作激励(Stimulus),透过适当的设计,就完全有可能获得4,096×4,096的分辨率.
相反地,这种技术的主要缺点源于触控屏幕的多层结构.其基层一般是玻璃,表面涂有一层均匀的ITO,顶层通常由聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)制造,内表面(InnerSurface)也涂有一层均匀的ITO,而外表面(OuterSurface)则有硬涂层,以为保护作用,而形成空气隙以把这些导电层隔离开的细小透明间隔点常在打印制程中产生.这种多层材料堆栈的多层结构对透光性有所影响,一般将降至约透明玻璃透光率的75%,同时,空气间隙可能产生薄雾效应,进一步降低清晰度.此外,这种结构很容易刮伤损坏,而且因为机械轴性不重合,还须仔细校准以确定X、Y坐标范围,其它弱点还包括可能吸收电气噪声,尤其是来自液晶显示器(LCD),这时一般须进行滤波,将导致反应时间的延长,当然,控制器一次只能处理一个触摸位置,也是一大局限.
利用电荷转移技术解决应用挑战
由于电阻式触控屏幕存在缺陷和局限性,许多设计人员已转向投射式电容感测技术.这种技术在IC形式上分为好几种电路,主要包括容抗(RC)时间常数测量电路,如弛张振荡器、直流(AC)电流测量组件,以及电荷转移(Charge-transfer)组件.电荷转移组件又分为单端模式(Single-ended)和横向模式(Transverse-mode),选择上述任何一种方法,利用在两层或更多迭层上的电极行列数组,都可以实现触控屏幕.
RC时间常数技术的基本原理是,当电容组件C随手指触摸改变时,电极区域充电或放电所需的时间也随之改变.测量充/放电期间的变化可得到C的变化,因为C是未知,所以假设为Cx,这种方法有许多变化形式,可测量频率或时间、可自由运行或以单周期为基础.RC时间常数测量的缺点是速度较慢,并易受泄漏电流干扰,其动态范围也非常有限,很难校准,而且容易受到恒定漂移问题的影响.此外,由于其电路的高阻抗特性,所以也极易受外界噪声干扰,尽管如此,仍有部分触控屏幕采用这种方案.
至于AC电流测量方法,由一个AC电压源驱动阻抗,继而驱动Cx,故测量阻抗产生的电压就可确定Cx的值.这些电路也有很多和RC电路相同的局限性,不过前者的驱动阻抗一般较低,然而其须利用放大器恢复串联阻抗产生的小电压,但讯噪比等方面的问题又随之而来,这种方法在触控屏幕中已有一定运用,尤其是在带低阻抗边沿的前表面板中.
和RC及AC技术相同,单端电荷转移电容传感器也是在每个感测通道采用一个电极板,但不依赖于时序测量或放大器,而是采用互补式金属氧化物半导体(CMOS)开关把电荷泵入Cx,并把电荷转移到一个参考采样电容(Cs)中.透过计算Cs达到预先设定的电压值所需的周期数,就可很容易求得电荷电平,且这个周期数与Cx成反比.众所周知,电荷转移方法有助于抑制泄漏电流的影响,而且由于其采用一个很大的Cs作为检测器,这个检测器相当于对外界的一个低阻抗,故其抗外部电气噪声的能力非常强.
与之相反,横向模式电荷转移感测是每个感测元素都采用两个电极.基本上,其电气行为与单端电荷转移感测相同,但这些电路在发送/接收矩阵中采用电极数组创造触控屏幕功能.该方案的优点是其需要的布线较少,更甚之能同时识别和区分多个触点之间的差异,单端电路也可感测多个触点,不过由于讯号本身模糊,故不能区分.此外,横向模式方案还有速度快和功耗低的优势,因为其能同时测量一条驱动线路上的所有节点,所以可减少50%的采集周期数.这种双电极式结构具有自我屏蔽外部噪声的功能,在定功率级上可提高讯号稳定性,因此,量研科技(QuantumResearch)一直将横向模式感测技术作为驱动触控屏幕的主要方案,利用高载模式采样、扩频调制及数字讯号处理等各种增强型技术的结合,促成抗噪声源干扰能力强,即使在恶劣环境下也较稳健的解决方案.
在电气方面,横向模式感测的工作原理非常类似于T桥衰减器电路,使用者的手指实际上相当于一对电容之间的Cx项(图3).手指触控屏幕表面吸收驱动电极和接收电极之间的耦合电荷,电荷经由大量杂散电容路径返回至电路的接地,这会降低讯号的强度,而降低的程度很容易且可靠地测出.
图3:横向模式感测的工作原理
尽管功耗极低,横向模式传感器却容易可穿过好几毫米厚的塑料、玻璃及其它材料,检测出使用多手指触摸,电极可由任何导电材料制作而成,如ITO,而且几乎任何尺寸和形状都可以.噪声消除算法可帮助这些传感器消除LCD等模块产生的噪声,通常毋需单独的屏蔽层,从而提高显示器的光传输性能,同时降低产品的建构成本和背光功率的要求,而厂商推出的QMatrix横向模式电路采用一种双斜坡转换形式,可确保电路对时间和温度的变化具有高度稳定性(图4).
图4:QMatrix横向模式电路示意图
厂商发展的芯片透过与驱动脉冲同步开关的采样电容收集耦合到接收电极中的讯号,并利用一个脉冲串改进讯噪比,每个脉冲串的脉冲数量将直接影响电路的增益,因此,可方便调整电路增益,使其适合于不同的面板材料、按键尺寸和面板厚度.
脉冲串产生的第一个斜坡是加到采样电容上的梯级波形讯号,脉冲串过后,驱动器把斜率电阻的参考端切换为高电平,对采样电容进行放电,直到将电荷用完,电压比较器检测出零交叉点为止,获得零交叉点所需的斜坡时间与X、Y电荷耦合成比例,并随用户手指触摸面板表面而减小(图5).
图5:零交叉点所需的斜坡时间与X、Y电荷耦合比例图
这种自动调零行为让电路对工作电压和电路参数,如Cs值的变化具有极强的适应能力.该项技术还提供潮湿抑制及固有的抗射频(RF)干扰能力,这是其它电容方法无法望其项背的部分,如面板表面若存在水珠之类的局部水膜,将使讯号耦合略微增加;而使用者手指的触摸则会使耦合减小.这意味着少量的潮湿会造成错误的方向变化,导致误触发,这是令其它解决方案感到头疼的问题.潮湿水膜的出现可能引开电荷,但由于水膜的建模模型是一个依赖于时间特性的分布式RC网络,电荷收集中门控时间的使用(微秒数量级或更短)抑制水膜的影响.
单层触控屏幕崛起
由于组件可以在片上执行所有讯号调节任务,故只需少量离散式电阻与电容,再加上一个简单的序列接口,如I2C即可.从软件程序设计人员的角度来看,组件拥有简单的命令集(CommandSet)和用于不同寄存器的储存映像结构,这样一来,设计人员的主要任务就简化为设计感测矩阵和编写接口代码.投射式电容触控屏幕需要一个X、Y透明电极矩阵(图6),以精确确定手指的位置.
图6:投射式电容触控屏幕所需之X、Y透明电极矩阵
上述通常需要在玻璃或塑料涂敷的透镜后迭压两层或两层以上的ITO,由于每增加一层就会增加成本,并降低9%的透光性,因此应该尽可能减少层数.虽然厂商的触控屏幕芯片完全能支持多层钻石型图案,但这些芯片也可采用专有的单层膜技术.相较多层技术,单层膜电极的透明度要高得多、薄得多,成本也低得多,这些优点自然使其大受设计人员青睐.
双轴多触点技术面世
利用单层膜同步执行双触点检测也是可行的,但若采用能够同时解决多触点事件的双层技术,性能便会好得多.如图7显示在一个实验室测试模型中使用者用三根指头和大拇指时,电场的三维测量结果.
图7:使用多手指时电场三维测量结果
透过连接一个放在六电极Y层上的八电极X层,控制器可支持大至8寸的双触控屏幕,而且这种多功能控制器能感测多达六个滑块或四十八个离散式按键,或按键、滑块与触摸区域的组合,该控制器为接脚数精简的版本,利用类似的简单布线图(图8),能够驱动八条X轴和接收四条Y轴,或区分多达三十二个离散式按键.
图8:控制器电路图
而直接影响增益的斜率电阻器一般在1mΩ数量级,X和Y方向上可选配的电阻器能改善电磁兼容(EMC)性能和抗静电放电(ESD)能力,典型值在1～20kΩ范围.除了控制器外,厂商并推出触控屏幕演示评测工具套件,设计人员毋须使用使用者界面解释手势,如某个手势可能包含两根手指以水平或垂直方式或成某一角度的分开行动,在照片应用的情况中,这也许意味着对图像的某个区域局部缩放,而在全球卫星定位系统(GPS)地图绘制应用中,相同的动作则可能集中在某个特定区域或感兴趣的街道.此外,旋转手势可能代表旋转CAD程序三维空间中的某个物体,或是游戏作战区中某个外星指挥官的太空舰队着陆.正如其它众多创新一样,在设计人员的工具套件中增加概念简单的工具,可以激励创新性,催生出在诸多同类产品中脱颖而出的产品.
