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互電容式觸摸屏技術淺析

發(fā)布時間:2011-12-19

中心議題:

  • 投射電容屏觸摸檢測原理
  • 提升互電容式觸摸屏性能


自從計算機問世以來,人們就一直在思考如何以更有效的方式實現(xiàn)人與計算機的對話,也即所謂的人機交互技術。容式觸摸技術,特別是互電容技術由于具有直接、高效、準確、流暢、時尚等特點,極大程度提高了人和計算機對話的效率和便利性,未來必將替代鼠標和鍵盤,成為未來消費的主流。

投射電容屏觸摸檢測原理

投射電容屏可分為自電容屏和互電容屏兩種類型。在玻璃表面用ITO(一種透明的導電材料)制作成橫向與縱向電極陣列,這些橫向和縱向的電極分別與地構成電容,這個電容就是通常所說的自電容,也就是電極對地的電容。當手指觸摸到電容屏時,手指的電容將會疊加到屏體電容上,使屏體電容量增加。

在觸摸檢測時,自電容屏依次分別檢測橫向與縱向電極陣列,根據(jù)觸摸前后電容的變化,分別確定橫向坐標和縱向坐標,然后組合成平面的觸摸坐標。自電容的掃描方式,相當于把觸摸屏上的觸摸點分別投影到X軸和Y軸方向,然后分別在X軸和Y軸方向計算出坐標,最后組合成觸摸點的坐標。

如果是單點觸摸,則在X軸和Y軸方向的投影都是唯一的,組合出的坐標也是唯一的;如果在觸摸屏上有兩點觸摸并且這兩點不在同一X方向或者同一Y方向,則在X和Y方向分別有兩個投影,則組合出4個坐標。顯然,只有兩個坐標是真實的,另外兩個就是俗稱的”鬼點”。因此,自電容屏無法實現(xiàn)真正的多點觸摸。
 
互電容屏也是在玻璃表面用ITO制作橫向電極與縱向電極,它與自電容屏的區(qū)別在于,兩組電極交叉的地方將會形成電容,也即這兩組電極分別構成了電容的兩極。當手指觸摸到電容屏時,影響了觸摸點附近兩個電極之間的耦合,從而改變了這兩個電極之間的電容量。檢測互電容大小時,橫向的電極依次發(fā)出激勵信號,縱向的所有電極同時接收信號,這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點的電容值大小,即整個觸摸屏的二維平面的電容大小。根據(jù)觸摸屏二維電容變化量數(shù)據(jù),可以計算出每一個觸摸點的坐標。因此,屏上即使有多個觸摸點,也能計算出每個觸摸點的真實坐標。


圖1  自電容鬼影的產(chǎn)生機理

提升互電容式觸摸屏性能

敦泰科技(FocalTech)是較早開始互電容式觸摸屏技術研究和開發(fā)的公司之一,在互電容領域擁有數(shù)十項國內國際專利,包括互電容式觸摸屏體的設計,互電容式觸摸檢測電路、觸摸檢測算法、環(huán)境自適應算法等技術。利用FocalTech自有專利技術,可以大幅提升互電容觸摸屏的以下性能:

1) 抗電磁干擾能力
抗電磁干擾是容式觸摸屏系統(tǒng)性能最關鍵的因素。從2007年起,即有公司開始提供自電容方案的電容式觸摸屏技術,但由于抗電磁干擾設計較差,經(jīng)常發(fā)生來電時無法接電話,或者通話結束時無法掛電話的情況。再加上環(huán)境變化時觸摸屏失效頻繁,造成了多個電容式觸摸屏手機項目失敗,甚至間接引起一些方案公司的倒閉。Focaltech借鑒了現(xiàn)代無線通信領域的跳頻技術,同時提高了TX的發(fā)送功率,在提高系統(tǒng)信噪比的同時有效抑制了電磁干擾。

2) 信噪比(SNR)
SNR定義為指接收到的信號功率和噪聲功率的比值。SNR是觸摸屏系統(tǒng)性能另一個關鍵因素,其高低直接決定了觸摸的精度、線性度和分辨率等性能好壞。FocalTech主要通過三個途徑提高SNR。首先是提高信號發(fā)送功率。提高了信號發(fā)送信號功率,相應的就提高了接收到信號的功率,從而增加了SNR。其次,降低噪聲也是一個有效的方法。FocalTech提供觸摸屏設計方案,這些方案都做了非常好的屏蔽設計,例如在觸摸屏底部靠LCD一側增加地平面,在屏體四周增加地線隔離等。這些措施可有效降低噪聲的功率。還有一個辦法就是提高觸摸引起的電容變化量。觸摸電容變化量,正比于信號功率。即觸摸變化量越大,則檢測到的信號功率越大。FTS獨有的觸摸屏專利技術,能大大提高觸摸引起的電容變化率,通常能達到30%以上,遠遠高于iPhone所采用的觸摸屏僅為18%的變化量。
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3) 環(huán)境適應性
自動適應環(huán)境變化,對觸摸屏系統(tǒng)亦十分重要。觸摸屏直接暴露在空氣中,空氣的溫度、濕度都會影響觸摸屏體的電容大小。而觸摸屏表面的水滴,則有可能直接造成誤觸摸。一個良好的設計,必須能在非常大范圍能適應環(huán)境溫度濕度的變化,并且在有少量水的條件下,能正常進行觸摸。FocalTech專門開發(fā)了環(huán)境自適應算法,并配合相應的觸摸屏體設計,已經(jīng)完全解決了環(huán)境變化對觸摸屏影響問題。

4) 功耗
對于便攜式設備而言,功耗也非常關鍵。而互電容技術采用了二維檢測而不是自電容的一維檢測,大大增加了檢測電路的功耗和后期處理數(shù)據(jù)的功耗。通常而言,相同規(guī)格的觸摸屏,互電容技術功耗為自電容技術的2~3倍。因此,降低功耗變得十分關鍵。FocalTech同時采用了多項技術來降低功耗。在IC設計時,把功耗列為約束第一位,如采用低功耗結構、低功耗工藝、增加硬件加速器等。在坐標計算中,F(xiàn)ocalTech開發(fā)出了快速坐標計算方案,可簡化計算量,大大降低了數(shù)據(jù)后期處理的時間和功耗。此外,還設計了多個功耗模式,系統(tǒng)可以靈活使用這些模式,降低整體使用功耗。根據(jù)實測,F(xiàn)ocalTech的方案功耗僅為同類方案功耗的一半左右。


圖2  FocalTech觸控芯片基本架構

互電容式觸摸屏技術和市場發(fā)展趨勢

隨著研究的深入,互電容技術不斷成熟,其基本功能、基本架構都已經(jīng)確定,將來的發(fā)展主要集中在細部優(yōu)化,比如進一步提高信噪比、改善觸摸精度(特別是邊沿的精度)、降低功耗、增加適應環(huán)境變化的能力、提高掃描速度、多點ID識別、多點應用開發(fā),減少懸空觸摸影響等。

目前互電容式觸摸屏在歐美市場已經(jīng)成為主流,出貨量不斷攀升,這也極大促進電容式觸摸屏產(chǎn)業(yè)鏈的完善。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善,眾多供應商的加入,新材料、新技術和新工藝的應用,也帶來各項成本的下降,從而降低整體模組的價格。一些電容觸摸屏模組大廠預測,在2011年,完成電極刻蝕的ITO玻璃的價格將降到0.3~0.5美元/英寸,不到現(xiàn)在價格的一半;目前,深圳一些小廠的出貨價已經(jīng)非常接近這個區(qū)間。我們預計,電容式觸摸屏將來會有明顯的降價,在2011年,3.5’’的模組的價格可降到5~6美元;而一些低端產(chǎn)品,更有可能達到4美元左右,甚至更低。屆時,電容屏將大幅擠占目前電阻屏的市場,無論品牌機或是山寨機市場,電容屏都將成為主流。

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