電容式觸摸屏點(diǎn)出精彩世界

iPhone可能是2007年采用了觸摸屏的最高端手機產(chǎn)品。在2008年，60多款其它型號的手機也將采用觸摸屏技術(shù)，而2009年還將有100多款新手機采用觸摸屏技術(shù)。觸摸屏將在手機上變得如此普及，以致于我們預計到2012年帶觸摸屏的手機將達到5億部左右。與此同時(shí)，即便是低端手機型號也將增加觸摸按鍵、滑動(dòng)條和旋轉輪的使用。當然，手機只是其中的一個(gè)應用，觸摸屏技術(shù)正在迅速滲透的其它一些應用還包括PDA、PC、GPS系統和家用電器。

今天，精心設計的觸摸屏使用起來(lái)是一種享受。該技術(shù)帶來(lái)了新穎的、富有吸引力的和簡(jiǎn)單易用的人機接口，而且這樣的接口能很容易地進(jìn)行改進(jìn)和更新，以實(shí)現新的特性或系統功能。為響應不斷改變的消費需求而做出的設計更改，只需要對軟件做出一些修改就可以了。最重要的是，最新的觸摸屏產(chǎn)品即便在有射頻干擾的環(huán)境下也能穩定可靠地工作。

走近觸摸屏

今天的電氣和電子設備采用了以下5種類(lèi)型的觸摸屏技術(shù)：電阻式、表面電容式、投射電容式、表面聲波式和紅外線(xiàn)式。其中前三種適合用于移動(dòng)設備和消費電子產(chǎn)品，后兩種技術(shù)做出的觸摸屏不是太昂貴就是體積太大，因此不適合上述應用。采用以上任何一種觸摸屏技術(shù)的系統都由一個(gè)感應裝置、它與電子控制電路的互連裝置和控制電路本身構成。

電阻式觸摸屏（見(jiàn)圖1）從技術(shù)角度來(lái)講可能并不算真正的‘觸摸’屏，因為它需要一定的壓力才能激活。這點(diǎn)與真正的觸摸接口是不同的，因為有些觸摸屏甚至只需將手指靠近就能感應到。電阻式觸摸屏采用了三明治架構實(shí)現，上下兩層是印刷在塑料（PET）薄膜上的導電性銦錫氧化物(ITO)，中間隔以空氣。

該空氣隙由很多微小的間隔器來(lái)保持。當兩個(gè)導電層被手指（或鐵筆）壓到一起時(shí)才算是完成了一次‘觸摸’，而觸摸的位置通過(guò)測量X軸和Y軸上的電壓比就可檢測出來(lái)。根據采用多少根線(xiàn)將數據傳輸到微控制器進(jìn)行處理，電阻式觸摸屏可分為四線(xiàn)、五線(xiàn)、六線(xiàn)和八線(xiàn)版本。電阻式觸摸屏成本低廉，已經(jīng)廣泛地在大批量應用中得到了采用。

不過(guò)，該技術(shù)固有的不足已經(jīng)限制了它無(wú)法得到業(yè)界的普遍認可。這些不足包括機械性弱點(diǎn)、有限的工業(yè)設計選擇、在大多數應用中需要一個(gè)斜面、觸摸屏的厚度、糟糕的光學(xué)性能和需要用戶(hù)校準。使用電阻式觸摸屏技術(shù)無(wú)法實(shí)現接近檢測（即在手指靠近屏幕時(shí)便能感應到），也不能實(shí)現多指檢測。而這兩種選項現在都是產(chǎn)品設計師所需要的。

圖1：電阻式觸摸屏成本很低，但有很多設計局限性


表面電容式觸摸屏（圖2）采用了一個(gè)普通的ITO層和一個(gè)金屬邊框。電場(chǎng)幾乎直線(xiàn)穿過(guò)ITO層，當一根手指觸摸屏幕時(shí)，它會(huì )從面板中放出電荷。感應在觸摸屏的四個(gè)角完成，不需要復雜的ITO圖案。這類(lèi)型觸摸屏的一個(gè)最著(zhù)名ITO圖案是由WilliamPepper設計的，他在1978年為他的設計圖案申請了專(zhuān)利。這一圖案奠定了Microtouch公司(現在的3M公司)賣(mài)出的表面電容式觸摸屏產(chǎn)品的基礎。

使用在面板背面的表面電容式觸摸技術(shù)的企圖總是遇到‘手影效應’，這一現象會(huì )給觸摸屏帶來(lái)很大的感應誤差，因為靠近面板的用戶(hù)手和腕會(huì )產(chǎn)生電容性耦合問(wèn)題，而且由于靠近的角度和距離相當隨意而導致不確定的耦合電容值。由于表面電容式觸摸屏采用的是均勻的ITO層，因此它們無(wú)法抑制這些錯誤信號，因為它們已和實(shí)際觸摸信號纏繞在三維信號空間。如果不將ITO排成行和列，那么在面板的背面使用表面電容式觸摸技術(shù)的企圖肯定會(huì )失敗。

圖2：表面電容式觸摸屏上的普通ITO傳感器電極很容易損壞，而且由于手影效應而無(wú)法抑制錯誤觸發(fā)信號


投射電容式觸摸技術(shù)正在促進(jìn)觸摸屏在消費電子中的應用。它需要1個(gè)或多個(gè)精心設計的、被蝕刻的ITO層，但可比其它觸摸技術(shù)提供更多技術(shù)優(yōu)勢。這些ITO層通過(guò)蝕刻形成多個(gè)水平和垂直電極，所有這些電極都由一個(gè)電容式感應芯片來(lái)驅動(dòng)。該芯片既能將數據傳送到一個(gè)主處理器，也能自己處理觸摸點(diǎn)的XY軸位置。

通常，水平和垂直電極都通過(guò)單端感應方法來(lái)驅動(dòng)，也就是說(shuō)一行和一列的驅動(dòng)電路沒(méi)有什么區別，我們把這稱(chēng)為‘單端’感應。不過(guò)，在一些方法中，一根軸通過(guò)一套AC信號來(lái)驅動(dòng)，而穿過(guò)觸摸屏的響應則通過(guò)其它軸上的電極感測出來(lái)。我們把這稱(chēng)為‘橫穿式’感應，因為電場(chǎng)是以橫穿的方式通過(guò)上層面板的電介層從一個(gè)電極組（如行）傳遞到另一個(gè)電極組（如列）。

圖3：投射式觸摸屏技術(shù)包括通過(guò)清晰的蝕刻的ITO圖案沿著(zhù)X軸和Y軸進(jìn)行感應


在任何一種情況下，位置都是通過(guò)測量X電極和Y電極之間信號改變量的分配來(lái)確定的，隨后會(huì )使用數學(xué)算法處理這些已改變的信號水平，以確定觸摸點(diǎn)的XY坐標。目前分辨率高達1024x1024和厚度高達5mm的這種觸摸屏已經(jīng)進(jìn)行了公開(kāi)演示。

電容式觸摸屏值得注意的一個(gè)問(wèn)題就是，LCD本身非?？拷麵TO層，如果沒(méi)有在氣密堆疊時(shí)事實(shí)上接合到一起的話(huà)。由于它不停地掃描象素，因此它總是不變地散發(fā)出大量的電氣噪音。這一最大頻率可以達到20kHz的噪音在幾乎所有情況下都要求，在ITO感應電極和LCD模塊之間安裝一個(gè)屏蔽層。這意味著(zhù)在通常情況下電容式觸摸屏需要有3個(gè)ITO層：兩個(gè)用于XY感應矩陣，一個(gè)用來(lái)進(jìn)行噪音屏蔽，而這一屏蔽ITO層意味著(zhù)更高的成本和更低的透明度。

其結果是，大多數觸摸屏供應商都采用至少兩個(gè)ITO感應層和一個(gè)屏蔽層來(lái)實(shí)現無(wú)噪音工作。值得注意的是，QuantumResearchGroup現在已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種不需要屏蔽層的獨特單層投射式XY矩陣設計，并將于2008下半年公開(kāi)上市。目前一家主要手機制造商已經(jīng)在其進(jìn)入生產(chǎn)階段的三款手機產(chǎn)品中采用了這一設計。

當只使用一層ITO時(shí)，成本可以大幅下降，層堆疊厚度可以變薄，透明度會(huì )得到改善，背光功率要求也會(huì )降低。更重要的是，單層ITO技術(shù)也使得可制造性得到大幅改善。

觸摸屏應用領(lǐng)域的另一熱點(diǎn)話(huà)題是‘多指觸摸’，即觸摸屏能夠同時(shí)感應到多個(gè)點(diǎn)的觸摸，這一性能由于在蘋(píng)果的iPhone上得到了實(shí)現而變得很流行。表面電容式觸摸屏在同一時(shí)間無(wú)法感應到多指觸摸，因為它采用了一個(gè)同質(zhì)的感應層，而這種感應層只會(huì )將觸摸屏上任何位置感應到的所有信號匯聚成一個(gè)更大的信號。同質(zhì)層破壞了太多的信息，以致于無(wú)法感應到多指觸摸。

不過(guò)，雙層投射電容式觸摸屏可以識別兩指觸摸，盡管單端變量無(wú)法充分地區分開(kāi)兩指觸摸，并在整個(gè)屏上單獨跟蹤它們。再增加一個(gè)感應層可以解決剩下的模糊性問(wèn)題，但這樣會(huì )極大地提高成本。而使用橫穿感應方法的雙層投射電容式觸摸屏則在理論上能非常清晰地識別兩指或多指觸摸，并獨立在整個(gè)屏幕上跟蹤每個(gè)觸摸點(diǎn)。

與電阻式和表面電容式觸摸屏不一樣，投射電容式觸摸屏不需要經(jīng)?；蛴捎脩?hù)進(jìn)行校準，甚至在工廠(chǎng)中也不需要，因為其電極結構在很大程度上決定了屏幕的響應，而這些都是固定的。同質(zhì)觸摸屏技術(shù)經(jīng)常需要反復進(jìn)行實(shí)質(zhì)補償，因為其表面電阻會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的推移而變得品質(zhì)下降和不均勻。

基于投射式電容技術(shù)創(chuàng )建一款有吸引力的、功能可靠的和穩定的觸摸屏，包括選擇正確的基本技術(shù)，以及選擇由哪一家供應商來(lái)提供這一技術(shù)。有些供應商提供交鑰匙解決方案，該方案由一個(gè)控制器和一個(gè)觸摸屏感應單元組成，且它們常常被集成在一起。有些供應商提供芯片方案，并在ITO薄膜的設計和選擇過(guò)程中提供技術(shù)支持。

在這一發(fā)展中市場(chǎng)上，供應鏈的選擇包含許多超越上述技術(shù)的權衡，關(guān)鍵的權衡因素包括：薄膜供應的多源化能力、可制造性、質(zhì)量控制和測試。即便到了最后的工序，即將薄膜層壓到最終產(chǎn)品上，也需要非常小心，因為這是一個(gè)由于壓力不當和層壓工藝不夠精確而容易引入許多錯誤的關(guān)鍵步驟。

投射電容式觸摸屏正是我們需要的方案。這種觸摸屏解決了之前各種觸摸屏的許多問(wèn)題，目前至少兩家芯片供應商已經(jīng)可以提供這一技術(shù)。正確供應商的選擇將取決于設計的技術(shù)要求，以及成本和供應鏈管理要求，而后兩者剛剛現在才開(kāi)始成為重要的選擇因素。