電容式觸摸的推出實現(xiàn)了新一代平板電腦的運算

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

安卓和iOS系統(tǒng)的進一步增強，連同即將來臨的Windows 8，都已做好準備來更進一步擴展多點觸摸界面的能力。同時，設(shè)備制造商所面對的改進顯示品質(zhì)的壓力 — 通過從頂部去除反光和吸收層，以及通過轉(zhuǎn)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的傳感器產(chǎn)生了影響，而這些觸摸活動需要觸摸界面的支持。

采用電容式觸摸屏解決方案實現(xiàn)多點觸摸界面

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

電阻式觸摸屏由彈性頂部觸點矩陣圖層組成，通過隔離片與相區(qū)配的下方導電層分開。當手指或手寫筆把這兩層壓在一起時，便形成了接觸并被電氣傳感器所記錄。在多層間的內(nèi)部反射導致了在陽光下所產(chǎn)生的顯示能見度不良，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的單點觸摸活動。

另一方面，投射式電容傳感器技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了多點觸摸界面。該技術(shù)現(xiàn)正朝著去除中間層而演變，因為中間層會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，因為它提供了堅實的“光滑”外表面，美觀而又吸引人。當輕柔的導電物體如一根手指接近或觸摸屏幕表面時，該技術(shù)通過測量電容中的微小變化來工作 (能夠控制一個電荷)。然而，在實施中有很大的不同，會極大地影響性能。在電容對數(shù)字轉(zhuǎn)換(capacitive-to-digital conversion，CDC)技術(shù)中進行選擇，以及選擇匯集電荷的電極的空間排列，可以確定設(shè)備可以達到的整體性能和功能。

設(shè)備制造商正面臨在兩個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(shù)早期電容式觸摸屏依賴于自電容，測量整行或整列電極的電容變化。此方法對單點觸摸或簡單的兩點觸摸互動來說是合適的。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水平位置可以和哪個垂直讀數(shù)相配。當編譯觸摸點時，會導致位置‘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。采用此方法，它們把每次觸摸作為一個特定的水平和垂直坐標對來進行檢測。

該基本的CDC技術(shù)也會影響性能。在電荷捕獲過程，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(tǒng)設(shè)計靈活性。例如，傳感器IC可以在PCB上較隨意地放置，并通過進一步增強，能夠使用更薄的無屏蔽顯示屏。

更高的電極密度、更高的分辨率

在電容式傳感器設(shè)計中，電極間距是另一個因素。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(xiàn)今的多點觸摸應用，需要編譯小尺度的觸摸動作，例如縮放指尖，因而要求高分辨率來獨特地識別幾個相鄰的觸摸。

一般來說，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指尖對指尖的距離。這使得設(shè)備能夠正確地追蹤指尖動作，支持手寫筆輸入，以及采用適當?shù)墓碳惴ǎ种茻o意識的觸摸。當電極間距處于3mm到5mm之間，觸摸屏能夠支持來自細小筆尖的手寫筆輸入，增加電容式觸摸屏的準確度來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(shè)備制造商需要使用基本芯片和軟件技術(shù)來提供高準確度和靈活性。正如任何其它的芯片設(shè)計，觸摸屏驅(qū)動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，連同靈活性來支持廣泛的傳感器設(shè)計和實施方案。任何驅(qū)動芯片將由其所達到的速度、功率和靈活性平衡來衡量。

對于用戶來說，響應時間(即設(shè)備要花費多長時間來記錄觸摸和響應)是以觸摸屏為基礎(chǔ)的設(shè)備的最重要標準之一。對于基本的觸摸手勢如輕敲，設(shè)備應該在不到100ms的時間內(nèi)記錄輸入并給用戶提供反饋。加入各種系統(tǒng)遲滯時間的考慮后，意味著觸摸屏需要在15ms之內(nèi)報告第一個合格觸摸位置。確保驅(qū)動器可以支持如此短的遲滯時間是重要的，并且使用專用觸摸屏驅(qū)動解決方案，例如Atmel　maXTouch控制器，可以實現(xiàn)最佳支持。

另一個影響用戶體驗的因素(雖然對于用戶來說可能并非如此明顯)就是信噪比(signal-to-noise， SNR)。這指的是觸摸屏區(qū)別電容信號由真實觸摸引起，而且還是由偶然噪聲引起的能力。在行對列耦合電容方面，觸摸活動會引起很小的變化，因而很難從系統(tǒng)噪聲中進行區(qū)分。大屏幕觸摸屏在此方面尤其具有挑戰(zhàn)性，因為最顯著的噪聲發(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值的其中一環(huán)。

更小的觸摸屏，更清晰的圖像

今天，市場對于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。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，包括噪聲等問題。例如，對于更薄的觸摸屏的期望正在推動結(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，來代替安裝在LCD模塊頂層的玻璃面板。此結(jié)構(gòu)的一個可替代選擇就是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題?；贏MOLED顯示的新發(fā)展趨勢也呈現(xiàn)出較高的噪聲風險，因為觸摸界面電子產(chǎn)品是如此靠近有源驅(qū)動顯示電路，尤其是任何電氣屏蔽都會增加內(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)動器未針對減少噪聲影響而進行設(shè)計，則噪聲會破壞來自觸摸屏驅(qū)動器的讀取值。

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“對角線的創(chuàng)新型直觀觸摸屏界面設(shè)計，可用于智能電話、平板電腦、數(shù)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器件支持采用無屏蔽、覆蓋層觸摸(touch-on-lens)和外掛式(on-cell)傳感器設(shè)計的更小外形尺寸顯示屏。而且，噪聲消除技術(shù)甚至能夠控制來自低成本充電器的噪聲，使用任何充電器都可以實現(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設(shè)備制造商能夠輕易滿足市場需求和消費者期望。

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本文結(jié)論

隨著市場向更小的尺寸提供更高的顯示分辨率演進，這些改變帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括噪聲更高的薄型顯示屏增加了系統(tǒng)復雜性。愛特梅爾等公司的電容式觸摸技術(shù)針對這些系統(tǒng)復雜性問題，幫助設(shè)計工程師創(chuàng)造新產(chǎn)品，滿足新的市場需求。舉例來說，愛特梅爾最新發(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)，提供對無屏蔽、覆蓋層觸摸touch on lens和‘on-cell傳感器’設(shè)計的支持。多點觸摸接口將越來越成熟和獲得廣泛使用，事實上，今天市場上的電容性觸摸屏解決方案及未來將面世的技術(shù)，將使得用戶體驗變得越來越好。

圖1： 當前觸摸屏和新一代觸摸屏的層數(shù)對比。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)計未解決這一問題的話，便會加重顯示器噪聲問題。

圖2： 來自層迭在輸出大約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圖，單一手指觸摸傳感器。左圖中，軟件濾波被禁用，導致訊號噪聲比低。右圖中，軟件濾波啟用，導致訊號噪聲比(SNR)增加30倍。