電容式觸摸--實(shí)現新一代平板電腦運算

　　當預計微軟在2012年下半年推出Windows 8操作系統后，我們可以預期有更多的現有和未來(lái)產(chǎn)品如 Ultrabook、平板計算機、筆記本計算機和個(gè)人腦，將加入觸摸技術(shù)，從而影響我們的生活方式，包括互動(dòng)、工作、游戲及信息獲取等等。這些發(fā)展的重點(diǎn)都在同一個(gè)組件：觸摸屏。觸摸屏的技術(shù)不斷改進(jìn)，比如ToL和on cell等技術(shù)，本文將著(zhù)重討論。

　　安卓和iOS系統的進(jìn)一步增強，連同即將來(lái)臨的Windows 8，都已做好準備來(lái)更進(jìn)一步擴展多點(diǎn)觸摸界面的能力。同時(shí)，設備制造商所面對的改進(jìn)顯示品質(zhì)的壓力 — 通過(guò)從頂部去除反光和吸收層，以及通過(guò)轉變到有源矩陣有機發(fā)光二極管（AMOLED）技術(shù) — 對用于解析許多觸摸活動(dòng)的傳感器產(chǎn)生了影響，而這些觸摸活動(dòng)需要觸摸界面的支持。

　　采用電容式觸摸屏解決方案實(shí)現多點(diǎn)觸摸界面

　　所有這些趨勢的結果是著(zhù)重強調電容式觸摸屏解決方案。在過(guò)去，人們喜愛(ài)電阻式觸摸屏，因為它們制造相對便宜且支持基于手寫(xiě)筆的輸入，而手寫(xiě)輸入對基于亞洲文字的應用非常有用。然而，電阻式技術(shù)不易支持多點(diǎn)觸摸界面。

　　電阻式觸摸屏由彈性頂部觸點(diǎn)矩陣圖層組成，通過(guò)隔離片與相區配的下方導電層分開(kāi)。當手指或手寫(xiě)筆把這兩層壓在一起時(shí)，便形成了接觸并被電氣傳感器所記錄。在多層間的內部反射導致了在陽(yáng)光下所產(chǎn)生的顯示能見(jiàn)度不良，以及較低的整體亮度和色彩飽和度。因為觸摸屏依賴(lài)于由連接矩陣生成的電氣接觸，它們不能可靠地檢測多于一個(gè)的單點(diǎn)觸摸活動(dòng)。

　　另一方面，投射式電容傳感器技術(shù)已經(jīng)實(shí)現了多點(diǎn)觸摸界面。該技術(shù)現正朝著(zhù)去除中間層而演變，因為中間層會(huì )降低亮度和色彩飽和度并增加物理厚度和重量。

　　投射式電容觸摸屏面世之初便迅速贏(yíng)得了用戶(hù)的支持，因為它提供了堅實(shí)的“光滑”外表面，美觀(guān)而又吸引人。當輕柔的導電物體如一根手指接近或觸摸屏幕表面時(shí)，該技術(shù)通過(guò)測量電容中的微小變化來(lái)工作 （能夠控制一個(gè)電荷）。然而，在實(shí)施中有很大的不同，會(huì )極大地影響性能。在電容對數字轉換（capacitive-to-digital conversion，CDC）技術(shù)中進(jìn)行選擇，以及選擇匯集電荷的電極的空間排列，可以確定設備可以達到的整體性能和功能。

　　設備制造商正面臨在兩個(gè)基本選項間選擇用于測量觸摸屏中電容變化的選項：自電容和互電容。大多數早期電容式觸摸屏依賴(lài)于自電容，測量整行或整列電極的電容變化。此方法對單點(diǎn)觸摸或簡(jiǎn)單的兩點(diǎn)觸摸互動(dòng)來(lái)說(shuō)是合適的。然而，如果用戶(hù)在表面上了放置了兩根手指，解碼器就不能明白地確定哪個(gè)水平位置可以和哪個(gè)垂直讀數相配。當編譯觸摸點(diǎn)時(shí)，會(huì )導致位置‘重影’，降低了準確度和性能。

　　互電容觸摸屏使用按正交矩陣排列的發(fā)送和接收電極，允許它們測量行和列電極的相交點(diǎn)。采用此方法，它們把每次觸摸作為一個(gè)特定的水平和垂直坐標對來(lái)進(jìn)行檢測。

　　該基本的CDC技術(shù)也會(huì )影響性能。在電荷捕獲過(guò)程，接收行保持在零電位上，只有在特定的水平發(fā)射器和垂直接收器電極間被用戶(hù)觸摸的電荷被傳輸。此外，也可使用其它技術(shù)，但互電容技術(shù)的關(guān)鍵優(yōu)勢在于對噪聲和寄生效應的抗擾度。此抗擾度允許額外的系統設計靈活性。例如，傳感器IC可以在PCB上較隨意地放置，并通過(guò)進(jìn)一步增強，能夠使用更薄的無(wú)屏蔽顯示屏。

　　更高的電極密度、更高的分辨率

　　在電容式傳感器設計中，電極間距是另一個(gè)因素。觸摸屏上的電極密度越高，觸摸屏的分辨率也越高，使之更易于檢測來(lái)自不同手指的觸摸。不同的應用具有不同的分辨率要求。但現今的多點(diǎn)觸摸應用，需要編譯小尺度的觸摸動(dòng)作，例如縮放指尖，因而要求高分辨率來(lái)獨特地識別幾個(gè)相鄰的觸摸。

　　一般來(lái)說(shuō)，觸摸屏要求行和列電極間距在5mm左右或以下。此大小源自于典型的拇指和食指聚攏時(shí)指尖對指尖的距離。這使得設備能夠正確地追蹤指尖動(dòng)作，支持手寫(xiě)筆輸入，以及采用適當的固件算法，抑制無(wú)意識的觸摸。當電極間距處于3mm到5mm之間，觸摸屏能夠支持來(lái)自細小筆尖的手寫(xiě)筆輸入，增加電容式觸摸屏的準確度來(lái)擴展它們的應用范圍。

　　要充分利用電容式觸摸屏的傳感器技術(shù)，設備制造商需要使用基本芯片和軟件技術(shù)來(lái)提供高準確度和靈活性。正如任何其它的芯片設計，觸摸屏驅動(dòng)芯片應該具有高集成度、最小占位面積，以及接近于零的功耗，連同靈活性來(lái)支持廣泛的傳感器設計和實(shí)施方案。任何驅動(dòng)芯片將由其所達到的速度、功率和靈活性平衡來(lái)衡量。

　　對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，響應時(shí)間（即設備要花費多長(cháng)時(shí)間來(lái)記錄觸摸和響應）是以觸摸屏為基礎的設備的最重要標準之一。對于基本的觸摸手勢如輕敲，設備應該在不到100ms的時(shí)間內記錄輸入并給用戶(hù)提供反饋。加入各種系統遲滯時(shí)間的考慮后，意味著(zhù)觸摸屏需要在15ms之內報告第一個(gè)合格觸摸位置。確保驅動(dòng)器可以支持如此短的遲滯時(shí)間是重要的，并且使用專(zhuān)用觸摸屏驅動(dòng)解決方案，例如Atmel　maXTouch控制器，可以實(shí)現最佳支持。

　　另一個(gè)影響用戶(hù)體驗的因素（雖然對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)可能并非如此明顯）就是信噪比（signal-to-noise， SNR）。這指的是觸摸屏區別電容信號由真實(shí)觸摸引起，而且還是由偶然噪聲引起的能力。在行對列耦合電容方面，觸摸活動(dòng)會(huì )引起很小的變化，因而很難從系統噪聲中進(jìn)行區分。大屏幕觸摸屏在此方面尤其具有挑戰性，因為最顯著(zhù)的噪聲發(fā)生器之一就是LCD本身，而這正是互電容觸摸屏傳感器證明其價(jià)值的其中一環(huán)。

　　更小的觸摸屏，更清晰的圖像

　　今天，市場(chǎng)對于4英寸和5英寸范圍內的高清觸摸屏，以及視網(wǎng)膜顯示屏（retina display）的需求繼續增長(cháng)。這一朝向更清晰、更精確的觸摸屏的發(fā)展趨勢除了使得對更小外形尺寸的需求增長(cháng)外，另一較不明顯的要求在于屏幕之下的復雜性，包括噪聲等問(wèn)題。例如，對于更薄的觸摸屏的期望正在推動(dòng)結構的改變，如覆蓋層觸摸（touch-on-lens）。覆蓋層觸摸技術(shù)是一種單層涂層，在集成于LCD中的一塊玻璃上提供x和y矩陣，來(lái)代替安裝在LCD模塊頂層的玻璃面板。此結構的一個(gè)可替代選擇就是on-cell技術(shù)，將觸摸屏傳感器集成在LCD內的彩色濾光片上。

　　由于這些設計把電容性傳感器放置在LCD電子產(chǎn)品附近，因此噪聲成為非常大的問(wèn)題?；贏(yíng)MOLED顯示的新發(fā)展趨勢也呈現出較高的噪聲風(fēng)險，因為觸摸界面電子產(chǎn)品是如此靠近有源驅動(dòng)顯示電路，尤其是任何電氣屏蔽都會(huì )增加內部反射并損失由AMOLED顯示屏提供的高色彩飽和度。如果驅動(dòng)器未針對減少噪聲影響而進(jìn)行設計，則噪聲會(huì )破壞來(lái)自觸摸屏驅動(dòng)器的讀取值。

　　幸好，技術(shù)創(chuàng )新可以支持具有更高分辨率的較小觸摸屏。例如，愛(ài)特梅爾推出了新的maXTouch S系列觸摸屏控制器，適用于最大17“對角線(xiàn)的創(chuàng )新型直觀(guān)觸摸屏界面設計，可用于智能電話(huà)、平板電腦、數碼相機、電子閱讀器和其它應用產(chǎn)品。使用新一代噪聲消除技術(shù)，maXTouch S器件支持采用無(wú)屏蔽、覆蓋層觸摸（touch-on-lens）和外掛式（on-cell）傳感器設計的更小外形尺寸顯示屏。而且，噪聲消除技術(shù)甚至能夠控制來(lái)自低成本充電器的噪聲，使用任何充電器都可以實(shí)現完美的觸摸性能。有了這些新的電容式觸摸技術(shù)，具有觸摸功能的移動(dòng)設備制造商能夠輕易滿(mǎn)足市場(chǎng)需求和消費者期望。

　　本文結論

　　隨著(zhù)市場(chǎng)向更小的尺寸提供更高的顯示分辨率演進(jìn)，這些改變帶來(lái)了新的技術(shù)挑戰，包括噪聲更高的薄型顯示屏增加了系統復雜性。愛(ài)特梅爾等公司的電容式觸摸技術(shù)針對這些系統復雜性問(wèn)題，幫助設計工程師創(chuàng )造新產(chǎn)品，滿(mǎn)足新的市場(chǎng)需求。舉例來(lái)說(shuō)，愛(ài)特梅爾最新發(fā)布的maXTouch S系列觸摸屏控制器使用新一代噪聲消除技術(shù)，提供對無(wú)屏蔽、覆蓋層觸摸touch on lens和‘on-cell傳感器’設計的支持。多點(diǎn)觸摸