從控制器角度談感應(yīng)電容觸控系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)

摘要：自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的年銷售額已增長了100倍，并且速度沒有減慢的跡象。本文描述了把感應(yīng)電容型觸摸屏集成到一個設(shè)備中時須面對的很多設(shè)計和應(yīng)用挑戰(zhàn)，并重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了控制器信噪比的重要性。

簡介 自2007年iPhone出現(xiàn)后，感應(yīng)電容觸摸屏的應(yīng)用范圍就在不斷擴(kuò)大。盡管如此，真正把感應(yīng)電容觸摸屏集成到設(shè)備中仍存在著很大的挑戰(zhàn)，尤其在液晶顯示器(LCD)、外圍器件產(chǎn)生干擾及嘈雜的環(huán)境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏控制器來對抗噪聲。一個高信噪比控制器還會有其它優(yōu)勢，下面將會詳細(xì)描述。 SNR定義為信號(有用的信息)和噪聲(無用信號)的功率比。如果信號和噪聲在相同的負(fù)載下測量，SNR可以通過計算幅度均方根(RMS)的平方獲得。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用對數(shù)(dB)來描述。SNR可以表示為：高SNR意味著測到的信號強(qiáng)度比背景噪聲高。整體觸控性能 主要由兩個器件決定整體觸控性能：觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器。觸摸屏傳感器種類繁多，它們的名稱形象的說明了其形狀和結(jié)構(gòu)，例如三角形、菱形、雪花形、條形等等。例如，“菱形”是菱形的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，而“條形”是行列交叉的網(wǎng)格，像一個城市的街道。一些傳感器類型使用一層ITO，而其它的則需要兩層或三層，這決定于所需的系統(tǒng)性能和觸摸屏控制器芯片。 通常要根據(jù)觸摸屏控制器結(jié)構(gòu)來決定觸摸屏傳感器樣式和層結(jié)構(gòu)(“堆疊”)以最大化SNR。例如，在單層互容帶有交叉(搭橋)的菱形樣式中，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差并使行和列的SNR很接近。盡管如此，仍需要增加一層屏蔽層防止傳感器受到LCD噪聲干擾。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設(shè)計限制，使用更多的樣式和層結(jié)構(gòu)。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制器還可提供額外的好處，例如較容易找到觸摸中心，降低了觸摸屏對環(huán)境噪聲的靈敏度，并允許使用手套或尖導(dǎo)電筆?？刂破骷軜?gòu) 自容式和互容式[1]是兩種主要的電容觸摸屏感應(yīng)檢測技術(shù)，自容式和互容式的特性簡單歸納如下：自容式●今天仍在使用的早期技術(shù)?！袷芟抻?ldquo;鬼點(diǎn)”(相對于真實(shí)觸摸位置的錯誤觸摸位置)，通常為一點(diǎn)觸摸或兩點(diǎn)觸摸?！窳庑螛邮阶钇毡椤！駥CD噪聲抑制較差?！窈唵?，低成本控制器?；ト菔健裾诠フ际袌龅男乱淮O(shè)計?！裾嬲膬牲c(diǎn)或多點(diǎn)觸摸?！褫^高的精度?！駛鞲衅鳂邮皆O(shè)計更加靈活，這有助于最大化SNR?！褫^好的噪聲抑制?！窀鼜?fù)雜，高成本控制器。 很多應(yīng)用僅需要一個或兩個觸點(diǎn)，因此自容方案更有吸引力，尤其當(dāng)用戶界面的觸摸位置可控以消除“鬼點(diǎn)”的時候。自容方案的典型SNR超過30dB，通常需要在LCD和傳感器的觸摸層底部之間增加屏蔽層，這會增加成本，降低顯示亮度。 其它技術(shù)可被用到自容方案以進(jìn)一步提高SNR。這包括(a)增加每通道的采樣數(shù)；(b)增加傳感器驅(qū)動電壓，這增加了固定噪聲(如來自LCD的噪聲)下的信號幅度；(c)在不同頻率采樣以避免固定頻率干擾，如避開60Hz(這被稱為“頻率抖動”)。盡管如此，該技術(shù)通常會降低幀率，增加功耗，這兩樣都是不希望的。 從以上討論中可以很清楚地看出，為了最大化SNR并支持兩點(diǎn)或多點(diǎn)的觸摸，互容式是最有希望的感應(yīng)檢測技術(shù)。圖1的系統(tǒng)框圖歸納了互容式的實(shí)現(xiàn)方法，即把一個激勵信號加在觸摸屏傳感器電容的一極，把另一極連接到觸摸屏控制器的模擬前端(AFE)，AFE的輸出被轉(zhuǎn)化成數(shù)字格式并在數(shù)字信號處理器(DSP)中進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖1. 互容式系統(tǒng)框圖設(shè)計挑戰(zhàn) 當(dāng)把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設(shè)備中時會遇到很多技術(shù)挑戰(zhàn)。下文所述情況均可受益于高SNR的觸摸屏控制器。 傳感器層設(shè)計：如今存在各種各樣的觸摸屏傳感器層結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)材料、厚度、性能和成本的不同要求。如圖2所示。而單層還是多層襯底，“向上”還是“向下”架構(gòu)，X和Y層厚度的變化，透光膠(OCA)厚度的變化以及其它因素都會影響傳感器產(chǎn)生的信號幅度。由于高SNR觸摸屏控制器可以處理較寬動態(tài)范圍的觸摸屏傳感器信號，結(jié)構(gòu)差異引起的影響會被削弱。這就給了設(shè)計者更多的自由去選擇傳感器層結(jié)構(gòu)。圖2. 一種互容式觸摸屏傳感器的層結(jié)構(gòu)(與實(shí)物不成比例)。 厚防護(hù)罩：一些應(yīng)用，例如銀行ATM機(jī)，可能需要一個厚玻璃罩來防止顯示器被破壞。但厚玻璃罩會降低觸摸信號強(qiáng)度，并降低觸摸位置檢測精度，這是因?yàn)槭种鸽x觸摸屏傳感器距離變大，導(dǎo)致電容范圍變大，信號幅值變低，很難確定精確觸摸位置，戴手套也會產(chǎn)生相同的效果。 LCD VCOM類型： LCD VCOM是“共模電壓”，是LCD屏的參考電壓。根據(jù)系統(tǒng)要求，可能采用AC VCOM或DC VCOM。AC VCOM是交變的，而DC VCOM是恒壓。前一種方式會產(chǎn)生更多的噪聲。 觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡間的氣隙：觸控設(shè)備用戶報告的最常見問題之一是保護(hù)透鏡破損。為把產(chǎn)品做得更薄，電容型觸摸屏傳感器可以被壓到保護(hù)透鏡背面，但當(dāng)替換一個破損的保護(hù)透鏡時，觸摸屏傳感器也必須被替換，這會增加維修成本。為了避免這個成本，以及壓合工藝低良率帶來的成本，通常會用一個襯墊將觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡隔開。 盡管如此，當(dāng)觸摸屏傳感器和保護(hù)透鏡間出現(xiàn)氣隙時，觸摸屏傳感器會很難探測到手指觸摸行為，因?yàn)榭諝饨殡姵?shù)低，手指觸摸產(chǎn)生的信號的強(qiáng)度也低。解決這種問題的一個方法是提高觸控系統(tǒng)靈敏度閾值，但這會很危險，因?yàn)閭鞲衅鲿邮盏揭恍╇s散信號，例如LCD或其它環(huán)境噪聲，使得觸摸屏傳感器很難從噪聲中區(qū)分出觸摸動作。 工業(yè)設(shè)計要求：一些器件生產(chǎn)商把觸摸屏傳感器直接做在顯示器上以使得整體設(shè)計更薄。但這也是有風(fēng)險的，因?yàn)橛|摸屏傳感器被直接放在噪聲源上。一個解決方案是在觸摸屏傳感器和顯示器之間增加一個屏蔽層。但多增加一層ITO會增加整體材料成本，而且對透光性有影響。 集成觸摸屏傳感器：為了降低生產(chǎn)成本，LCD生產(chǎn)商開始把觸摸屏傳感器直接做在偏光鏡下面的彩色濾光片上。這種方法不需要外部傳感器和壓合，但觸摸屏傳感器更靠近顯示器，進(jìn)一步增加了傳感器接收到的噪聲。 觸摸屏控制器位置：電容型觸摸屏控制器通常位于觸摸屏電纜上(芯片在導(dǎo)線或PCB上)，有時也會直接放在觸摸屏傳感器上(芯片在玻璃上)。但是為了測試方便，有些設(shè)計需要把觸摸屏控制器放在系統(tǒng)板上。這可能需要很長的柔性電路板(FPC)來連接觸摸屏傳感器和控制器。長FPC會起到天線的作用，很容易吸收噪聲，使得觸摸屏控制器很難處理觸摸屏傳感器發(fā)出的弱信號。 其它噪聲源：移動設(shè)備的主要噪聲源是LCD屏、LCD逆變器、WiFi天線、GSM天線和設(shè)備中的各種高速電路。環(huán)境噪聲也對觸控系統(tǒng)有很大影響，如一些交流電源會產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲，這些噪聲會經(jīng)由AC適配器傳播。同樣，當(dāng)把設(shè)備放在臺式熒光燈等強(qiáng)噪聲源附近時，觸控系統(tǒng)會把噪聲誤認(rèn)為有效的觸摸行為。 通常條件下，對正常大小的手指(>7mm)而言，高SNR的控制器不比低SNR的控制器有很大的優(yōu)勢，只有在在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，如使用書寫筆或使用戴手套的手指輸入，信號很弱的時候優(yōu)勢才會體現(xiàn)出來。低SNR控制器不能把信號從噪聲中區(qū)分出來。如果降低傳感器閾值以增加探測靈敏度，觸控系統(tǒng)則會很容易被誤觸發(fā)，引起誤操作，這在實(shí)際應(yīng)用中是絕對不被允許的。應(yīng)用挑戰(zhàn) 觸摸精度：觸摸精度是觸摸屏傳感器設(shè)計的一個重要指標(biāo)。例如，在虛擬鍵盤應(yīng)用中，字符被緊湊的排在一個很小的區(qū)域內(nèi)，精確響應(yīng)觸摸動作，避免誤輸入字符很關(guān)鍵。提高精度的方法之一是在控制器中增加更多的傳感器通道，支持更高的觸摸屏傳感器網(wǎng)格密度。但這將付出成本的代價，因?yàn)橛|摸屏傳感器和觸摸屏控制器都需要更多的引腳。此外，更多的傳感器通道需要在觸摸屏邊界增加更多的走線，會增加邊界寬度。 高SNR觸摸屏控制器能夠增強(qiáng)檢測精度，因?yàn)樗鼘θ跣盘柕臋z測能力更強(qiáng)，并從較大的周邊范圍內(nèi)收集采樣數(shù)據(jù)，而較大的檢測范圍提供了更多的參考點(diǎn)，從而觸摸位置可以被精確算出。圖3揭示了觸摸屏控制器SNR對劃線精度的影響，這是一個機(jī)械臂握著一個4mm金屬片所畫的直線。高SNR控制器畫出的直線顯然比低SNR控制器畫出的直線更平滑。注意這些測量結(jié)果都是由相同的觸摸屏傳感器和相同的后處理軟件記錄的，以保證公正的比較。圖3. 一個機(jī)器臂握著4mm金屬片畫的直線。左側(cè)使用的是高SNR的觸摸屏控制器；右側(cè)使用的是低SNR觸摸屏控制器。 書寫筆：電阻觸摸屏用戶長期以來已經(jīng)習(xí)慣了使用帶有尖的書寫筆。典型電阻觸摸屏?xí)鴮懝P筆尖直徑小于1mm，通常用不導(dǎo)電的塑料制作。對于電容觸控系統(tǒng)來說，檢測這樣一個細(xì)小、不導(dǎo)電的器件很困難，因?yàn)樗軌蚪o觸摸屏控制器提供的信號非常微弱。市場上很多觸控系統(tǒng)使用的書寫筆筆尖直徑很大(3－9mm)，使得書寫和繪畫都變的很困難，因?yàn)楣P尖粗會使得書寫的痕跡很模糊。 只要書寫筆用導(dǎo)電材料包裹(一個相對較小的犧牲)，高SNR的觸摸屏控制器可以檢測到1mm直徑筆尖的書寫筆。圖4說明了觸摸屏控制器SNR對2mm導(dǎo)電筆尖的書寫筆檢測結(jié)果的影響。低SNR的控制器很難從背景噪聲中識別出小筆尖的書寫筆，尤其在屏幕噪聲最大的部分。在低SNR情況下使用1mm筆尖的書寫筆將導(dǎo)致有用信號淹沒在背景噪聲中，導(dǎo)致書寫筆無法使用。圖4. 4英寸屏上使用2mm導(dǎo)電書寫筆的電容值剖面圖，左側(cè)剖面使用高SNR觸摸屏控制器；右側(cè)使用低SNR觸摸屏控制器。書寫筆位于綠色錐體頂部；白色平面的高度代表了背景噪聲。信噪比的增加有效降低了背景噪聲幅度，如左圖所示。如果右圖中的書寫筆移到屏幕的左邊，信號將被噪聲淹沒，書寫筆將無法工作。 非接觸檢測：接近檢測逐漸在觸摸屏應(yīng)用中被采用。例如，通過增加觸控系統(tǒng)的靈敏度，當(dāng)使用電子書時，用戶可以手勢翻頁，而不需要實(shí)際觸碰屏幕。但觸控系統(tǒng)增加靈敏度也很容易被環(huán)境噪聲觸發(fā)，設(shè)計者一直在努力尋找最佳平衡，既要最大化接近距離，又不至于引起誤觸發(fā)。三菱在這個領(lǐng)域做了一些有趣的研究，他們建了一個觸控系統(tǒng)，基于觸摸手指是懸空還是真實(shí)觸摸來自動調(diào)節(jié)靈敏度。 戴手套操作：在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，觸摸屏需要能在帶著外科手套的情況下工作。與之類似，車載觸摸屏GPS需要能在冬天戴手套時使用，大多數(shù)手套是由介電材料做成的，這使得觸摸屏傳感器很難檢測到觸摸動作。增加觸摸屏控制器的靈敏度可能在用戶不帶手套時引起誤觸發(fā)。唯一解決方法是需要應(yīng)用(或用戶)根據(jù)情況選擇不同靈敏度。結(jié)論 高SNR電容型觸摸屏控制器帶有很多優(yōu)勢，它可以滿足如書寫筆，小手指和手套等廣泛的設(shè)計和應(yīng)用要求。它可以幫助改善觸摸精度而不需要專門的ITO傳感器樣式或增加傳感器通道。它可以滿足各種顯示器及不同背光燈的要求，同時保持很好的觸摸性能，它為傳感器設(shè)計和生產(chǎn)提供了更靈活的選擇。使觸控系統(tǒng)可以工作在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，并可減小設(shè)備本身來自LCD，WiFi天線，GPS天線和AC適配器的噪聲。它給予設(shè)備OEM商更多的自由來選擇元器件。最后，從性能的觀點(diǎn)來看，它提供了精確的觸摸精度?？傊?，高SNR觸摸屏控制器能幫助終端用戶實(shí)現(xiàn)更可靠的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)G. Barrett and R. Omote, "Projected-Capacitive Touch Technology," Information Display, Vol. 26, No. 3, March 2010, pp 16-21.T. Nezu, "Mitsubishi Demos '3D Touch Panel,'" Tech-On!, March 11, 2009.