電容式觸摸實(shí)現(xiàn)新一代平板電腦運(yùn)算

    當(dāng)預(yù)計(jì)微軟在2012年下半年推出Windows 8操作系統(tǒng)后，我們可以預(yù)期有更多的現(xiàn)有和未來(lái)產(chǎn)品如 Ultrabook、平板計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)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)，本文將著重討論。

    安卓和iOS系統(tǒng)的進(jìn)一步增強(qiáng)，連同即將來(lái)臨的Windows 8，都已做好準(zhǔn)備來(lái)更進(jìn)一步擴(kuò)展多點(diǎn)觸摸界面的能力。同時(shí)，設(shè)備制造商所面對(duì)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(zhuǎn)變到有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管（AMOLED）技術(shù)—對(duì)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(xiàn)多點(diǎn)觸摸界面

    所有這些趨勢(shì)的結(jié)果是著重強(qiáng)調(diào)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?yàn)樗鼈冎圃煜鄬?duì)便宜且支持基于手寫(xiě)筆的輸入，而手寫(xiě)輸入對(duì)基于亞洲文字的應(yīng)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(qū)配的下方導(dǎo)電層分開(kāi)。當(dāng)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(nèi)部反射導(dǎo)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?yàn)橛|摸屏依賴于由連接矩陣生成的電氣接觸，它們不能可靠地檢測(cè)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(xiàn)了多點(diǎn)觸摸界面。該技術(shù)現(xiàn)正朝著去除中間層而演變，因?yàn)橹虚g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得了用戶的支持，因?yàn)樗�提供了�?jiān)實(shí)的“光滑”外表面，美觀而又吸引人。當(dāng)輕柔的導(dǎo)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(cè)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(duì)數(shù)字轉(zhuǎn)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(shè)備可以達(dá)到的整體性能和功能。

    設(shè)備制造商正面臨在兩個(gè)基本選項(xiàng)間選擇用于測(cè)量觸摸屏中電容變化的選項(xiàng)：自電容和互電容。大多數(shù)早期電容式觸摸屏依賴于自電容，測(cè)量整行或整列電極的電容變化。此方法對(duì)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(shù)相配。當(dāng)編譯觸摸點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致位置‘重影’，降低了準(zhǔn)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(cè)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(biāo)對(duì)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

    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(shì)在于對(duì)噪聲和寄生效應(yīng)的抗擾度。此抗擾度允許額外的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(qiáng)，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(shè)計(jì)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(cè)來(lái)自不同手指的觸摸。不同的應(yīng)用具有不同的分辨率要求。但現(xiàn)今的多點(diǎn)觸摸應(yīng)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(dú)特地識(shí)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(duì)指尖的距離。這使得設(shè)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(dāng)?shù)墓碳�算法，抑制無(wú)意識(shí)的觸摸。當(dāng)電極間距處于3mm到5mm之間，觸摸屏能夠支持來(lái)自細(xì)小筆尖的手寫(xiě)筆輸入，增加電容式觸摸屏的準(zhǔn)確度來(lái)擴(kuò)展它們的應(yīng)用范圍。

    利用電容式觸摸屏的傳感器技術(shù)，設(shè)備制造商需要使用基本芯片和軟件技術(shù)來(lái)提供高準(zhǔn)確度和靈活性。正如任何其它的芯片設(shè)計(jì)，觸摸屏驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)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(shè)計(jì)和實(shí)施方案。任何驅(qū)動(dòng)芯片將由其所達(dá)到的速度、功率和靈活性平衡來(lái)衡量。

    對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，響應(yīng)時(shí)間（即設(shè)備要花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)記錄觸摸和響應(yīng)）是以觸摸屏為基礎(chǔ)的設(shè)備的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一。對(duì)于基本的觸摸手勢(shì)如輕敲，設(shè)備應(yīng)該在不到100ms的時(shí)間內(nèi)記錄輸入并給用戶提供反饋。加入各種系統(tǒng)遲滯時(shí)間的考慮后，意味著觸摸屏需要在15ms之內(nèi)報(bào)告第一個(gè)合格觸摸位置。確保驅(qū)動(dòng)器可以支持如此短的遲滯時(shí)間是重要的，并且使用專用觸摸屏驅(qū)動(dòng)解決方案，例如Atmel　maXTouch控制器，可以實(shí)現(xiàn)最佳支持。

    另一個(gè)影響用戶體驗(yàn)的因素（雖然對(duì)于用戶來(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(qū)別電容信號(hào)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(duì)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(tǒng)噪聲中進(jìn)行區(qū)分。大屏幕觸摸屏在此方面尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樽铒@著的噪聲發(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(duì)于4英寸和5英寸范圍內(nèi)的高清觸摸屏，以及視網(wǎng)膜顯示屏（retina display）的需求繼續(xù)增長(zhǎng)。這一朝向更清晰、更精確的觸摸屏的發(fā)展趨勢(shì)除了使得對(duì)更小外形尺寸的需求增長(zhǎng)外，另一較不明顯的要求在于屏幕之下的復(fù)雜性，包括噪聲等問(wèn)題。例如，對(duì)于更薄的觸摸屏的期望正在推動(dòng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(nèi)的彩色濾光片上。

    由于這些設(shè)計(jì)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�；�于AMOLED顯示的新發(fā)展趨勢(shì)也呈現(xiàn)出較高的噪聲風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛|摸界面電子產(chǎn)品是如此靠近有源驅(qū)動(dòng)顯示電路，尤其是任何電氣屏蔽都會(huì)增加內(nèi)部反射并損失由AMOLED顯示屏提供的高色彩飽和度。如果驅(qū)動(dòng)器未針對(duì)減少噪聲影響而進(jìn)行設(shè)計(jì)，則噪聲會(huì)破壞來(lái)自觸摸屏驅(qū)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(duì)角線的創(chuàng)新型直觀觸摸屏界面設(shè)計(jì)，可用于智能電話、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、電子閱讀器和其它應(yīng)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(shè)計(jì)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(xiàn)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(shè)備制造商能夠輕易滿足市場(chǎng)需求和消費(fèi)者期望。

    本文結(jié)論

    隨著市場(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(zhàn)，包括噪聲更高的薄型顯示屏增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。愛(ài)特梅爾等公司的電容式觸摸技術(shù)針對(duì)這些系統(tǒng)復(fù)雜性問(wèn)題，幫助設(shè)計(jì)工程師創(chuàng)造新產(chǎn)品，滿足新的市場(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(duì)無(wú)屏蔽、覆蓋層觸摸touch on lens和‘on-cell傳感器’設(shè)計(jì)的支持。多點(diǎn)觸摸接口將越來(lái)越成熟和獲得廣泛使用，事實(shí)上，今天市場(chǎng)上的電容性觸摸屏解決方案及未來(lái)將面世的技術(shù)，將使得用戶體驗(yàn)變得越來(lái)越好。

    圖1: 當(dāng)前觸摸屏和新一代觸摸屏的層數(shù)對(duì)比。右側(cè)堆棧的touch-on-lens的層數(shù)更少，降低了厚度并提高了顯示亮度，但是，由于缺少了ITO屏蔽層，如果觸摸屏控制器設(shè)計(jì)未解決這一問(wèn)題的話，便會(huì)加重顯示器噪聲問(wèn)題。

    圖2: 來(lái)自層迭在輸出大約3V峰峰噪聲的ACVCOM顯示屏上的覆蓋層觸摸傳感器的原始資料的兩個(gè)圖，單一手指觸摸傳感器。左圖中，軟件濾波被禁用，導(dǎo)致訊號(hào)噪聲比低。右圖中，軟件濾波啟用，導(dǎo)致訊號(hào)噪聲比（SNR）增加30倍。