中心議題：

• 感應電容型觸摸屏設計與應用挑戰
• 從控製器角度看感應電容觸控係統

摘要：自2007年iPhone®出現後
，感應電容觸摸屏的年銷售額已增長了100倍bei，並bing且qie速su度du沒mei有you減jian慢man的de跡ji象xiang。本ben文wen描miao述shu了le把ba感gan應ying電dian容rong型xing觸chu摸mo屏ping集ji成cheng到dao一yi個ge設she備bei中zhong時shi須xu麵mian對dui的de很hen多duo設she計ji和he應ying用yong挑tiao戰zhan，並bing重zhong點dian強qiang調tiao了le控kong製zhi器qi信xin噪zao比bi的de重zhong要yao性xing。

簡介

自2007年iPhone®出chu現xian後hou
，感gan應ying電dian容rong觸chu摸mo屏ping的de應ying用yong範fan圍wei就jiu在zai不bu斷duan擴kuo大da。盡jin管guan如ru此ci，真zhen正zheng把ba感gan應ying電dian容rong觸chu摸mo屏ping集ji成cheng到dao設she備bei中zhong仍reng存cun在zai著zhe很hen大da的de挑tiao戰zhan，尤you其qi在zai液ye晶jing顯xian示shi器qi(LCD)
、外圍器件產生幹擾及嘈雜的環境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏控製器來對抗噪聲。一個高信噪比控製器還會有其它優勢，下麵將會詳細描述。

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(dB)來描述。SNR可以表示為：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)² = 20log10(RMSS/RMSN)

高SNR意味著測到的信號強度比背景噪聲高。

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製器。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構，例如三角形、菱形、雪花形、條形等等。例如，“菱形”是菱形的網格結構，而 “條形”是行列交叉的網格，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，這決定於所需的係統性能和觸摸屏控製器芯片。

通常要根據觸摸屏控製器結構來決定觸摸屏傳感器樣式和層結構(“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，觸摸屏表麵到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差並使行和列的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噪聲幹擾。使用高SNR的觸摸屏控製器可以降低觸摸屏傳感器的成本
，放寬設計限製，使用更多的樣式和層結構。正如下麵將要討論的一樣
，高SNR觸摸屏控製器還可提供額外的好處，例如較容易找到觸摸中心，降低了觸摸屏對環境噪聲的靈敏度
，並允許使用手套或尖導電筆。

控製器架構

自容式和互容式是兩種主要的電容觸摸屏感應檢測技術，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。
•受限於“鬼點”(相對於真實觸摸位置的錯誤觸摸位置)
，通常為一點觸摸或兩點觸摸。
•菱形樣式最普遍。
•對LCD噪聲抑製較差。
•簡單，低成本控製器。

互容式

•正在攻占市場的新一代設計。
•真正的兩點或多點觸摸。
•較高的精度。
•傳感器樣式設計更加靈活

，這有助於最大化SNR。
•較好的噪聲抑製。
•更複雜，高成本控製器。

很多應用僅需要一個或兩個觸點

，因此自容方案更有吸引力
，尤其當用戶界麵的觸摸位置可控以消除“鬼點”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。

其它技術可被用到自容方案以進一步提高SNR。這包括(a)增加每通道的采樣數
；(b)增加傳感器驅動電壓，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幹擾

，如避開60Hz(這被稱為“頻率抖動”)。盡管如此
，該技術通常會降低幀率

，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並支持兩點或多點的觸摸，互容式是最有希望的感應檢測技術。圖1的係統框圖歸納了互容式的實現方法，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製器的模擬前端(AFE)，AFE的輸出被轉化成數字格式並在數字信號處理器 (DSP)中進行進一步處理。


設計挑戰

當把電容觸摸屏傳感器集成到觸控設備中時會遇到很多技術挑戰。下文所述情況均可受益於高SNR的觸摸屏控製器。

傳感器層設計：如今存在各種各樣的觸摸屏傳感器層結構，分別對應材料、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
，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生的信號幅度。由於高SNRchumopingkongzhiqikeyichulijiaokuandongtaifanweidechumopingchuanganqixinhao，jiegouchayiyinqideyingxianghuibeixueruo。zhejiugeileshejizhegengduodeziyouquxuanzechuanganqicengjiegou。


厚防護罩：一些應用，例如銀行ATMji，kenengxuyaoyigehoubolizhaolaifangzhixianshiqibeipohuai。danhoubolizhaohuijiangdichumoxinhaoqiangdu，bingjiangdichumoweizhijiancejingdu
，zheshiyinweishouzhilichumopingchuanganqijulibianda，daozhidianrongfanweibianda
，xinhaofuzhibiandi

，hennanquedingjingquechumoweizhi，daishoutaoyehuichanshengxiangtongdexiaoguo。
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LCD VCOM類型： LCD VCOM是“共模電壓”，是LCD屏的參考電壓。根據係統要求，可能采用AC VCOM或DC VCOM。AC VCOM是交變的，而DC VCOM是恒壓。前一種方式會產生更多的噪聲。

觸摸屏傳感器和保護透鏡間的氣隙：觸chu控kong設she備bei用yong戶hu報bao告gao的de最zui常chang見jian問wen題ti之zhi一yi是shi保bao護hu透tou鏡jing破po損sun。為wei把ba產chan品pin做zuo得de更geng薄bo，電dian容rong型xing觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi可ke以yi被bei壓ya到dao保bao護hu透tou鏡jing背bei麵mian，但dan當dang替ti換huan一yi個ge破po損sun的de保bao護hu透tou鏡jing時shi
，觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi也ye必bi須xu被bei替ti換huan，這zhe會hui增zeng加jia維wei修xiu成cheng本ben。為wei了le避bi免mian這zhe個ge成cheng本ben，以yi及ji壓ya合he工gong藝yi低di良liang率lv帶dai來lai的de成cheng本ben，通tong常chang會hui用yong一yi個ge襯chen墊dian將jiang觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi和he保bao護hu透tou鏡jing隔ge開kai。

盡jin管guan如ru此ci
，當dang觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi和he保bao護hu透tou鏡jing間jian出chu現xian氣qi隙xi時shi，觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi會hui很hen難nan探tan測ce到dao手shou指zhi觸chu摸mo行xing為wei
，因yin為wei空kong氣qi介jie電dian常chang數shu低di，手shou指zhi觸chu摸mo產chan生sheng的de信xin號hao的de強qiang度du也ye低di。解jie決jue這zhe種zhong問wen題ti的de一yi個ge方fang法fa是shi提ti高gao觸chu控kong係xi統tong靈ling敏min度du閾yu值zhi

，但dan這zhe會hui很hen危wei險xian，因yin為wei傳chuan感gan器qi會hui接jie收shou到dao一yi些xie雜za散san信xin號hao，例li如ruLCD或其它環境噪聲
，使得觸摸屏傳感器很難從噪聲中區分出觸摸動作。

工業設計要求：一(yi)些(xie)器(qi)件(jian)生(sheng)產(chan)商(shang)把(ba)觸(chu)摸(mo)屏(ping)傳(chuan)感(gan)器(qi)直(zhi)接(jie)做(zuo)在(zai)顯(xian)示(shi)器(qi)上(shang)以(yi)使(shi)得(de)整(zheng)體(ti)設(she)計(ji)更(geng)薄(bo)。但(dan)這(zhe)也(ye)是(shi)有(you)風(feng)險(xian)的(de)，因(yin)為(wei)觸(chu)摸(mo)屏(ping)傳(chuan)感(gan)器(qi)被(bei)直(zhi)接(jie)放(fang)在(zai)噪(zao)聲(sheng)源(yuan)上(shang)。一(yi)個(ge)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)在(zai)觸(chu)摸(mo)屏(ping)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)顯(xian)示(shi)器(qi)之(zhi)間(jian)增(zeng)加(jia)一(yi)個(ge)屏(ping)蔽(bi)層(ceng)。但(dan)多(duo)增(zeng)加(jia)一(yi)層(ceng)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：為了降低生產成本

，LCDshengchanshangkaishibachumopingchuanganqizhijiezuozaipianguangjingxiamiandecaiselvguangpianshang。zhezhongfangfabuxuyaowaibuchuanganqiheyahe，danchumopingchuanganqigengkaojinxianshiqi
，jinyibuzengjialechuanganqijieshoudaodezaosheng。

觸摸屏控製器位置：電容型觸摸屏控製器通常位於觸摸屏電纜上 (芯片在導線或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
，有些設計需要把觸摸屏控製器放在係統板上。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製器。長FPC會起到天線的作用，很容易吸收噪聲，使得觸摸屏控製器很難處理觸摸屏傳感器發出的弱信號。

其它噪聲源：移動設備的主要噪聲源是LCD屏
、LCD逆變器、WiFi天線、GSM天線和設備中的各種高速電路。環境噪聲也對觸控係統有很大影響，如一些交流電源會產生很強的噪聲
，這些噪聲會經由AC適配器傳播。同樣
，當把設備放在台式熒光燈等強噪聲源附近時，觸控係統會把噪聲誤認為有效的觸摸行為。

通常條件下
，對正常大小的手指(>7mm)而言，高SNR的控製器不比低SNR的控製器有很大的優勢，隻有在在強噪聲環境中，如使用書寫筆或使用戴手套的手指輸入，信號很弱的時候優勢才會體現出來。低SNR控kong製zhi器qi不bu能neng把ba信xin號hao從cong噪zao聲sheng中zhong區qu分fen出chu來lai。如ru果guo降jiang低di傳chuan感gan器qi閾yu值zhi以yi增zeng加jia探tan測ce靈ling敏min度du，觸chu控kong係xi統tong則ze會hui很hen容rong易yi被bei誤wu觸chu發fa
，引yin起qi誤wu操cao作zuo，這zhe在zai實shi際ji應ying用yong中zhong是shi絕jue對dui不bu被bei允yun許xu的de。

應用挑戰

觸摸精度：觸chu摸mo精jing度du是shi觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi設she計ji的de一yi個ge重zhong要yao指zhi標biao。例li如ru，在zai虛xu擬ni鍵jian盤pan應ying用yong中zhong，字zi符fu被bei緊jin湊cou的de排pai在zai一yi個ge很hen小xiao的de區qu域yu內nei，精jing確que響xiang應ying觸chu摸mo動dong作zuo，避bi免mian誤wu輸shu入ru字zi符fu很hen關guan鍵jian。提ti高gao精jing度du的de方fang法fa之zhi一yi是shi在zai控kong製zhi器qi中zhong增zeng加jia更geng多duo的de傳chuan感gan器qi通tong道dao，支zhi持chi更geng高gao的de觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi網wang格ge密mi度du。但dan這zhe將jiang付fu出chu成cheng本ben的de代dai價jia，因yin為wei觸chu摸mo屏ping傳chuan感gan器qi和he觸chu摸mo屏ping控kong製zhi器qi都dou需xu要yao更geng多duo的de引yin腳jiao。此ci外wai，更geng多duo的de傳chuan感gan器qi通tong道dao需xu要yao在zai觸chu摸mo屏ping邊bian界jie增zeng加jia更geng多duo的de走zou線xian，會hui增zeng加jia邊bian界jie寬kuan度du。

高SNR觸chu摸mo屏ping控kong製zhi器qi能neng夠gou增zeng強qiang檢jian測ce精jing度du，因yin為wei它ta對dui弱ruo信xin號hao的de檢jian測ce能neng力li更geng強qiang，並bing從cong較jiao大da的de周zhou邊bian範fan圍wei內nei收shou集ji采cai樣yang數shu據ju，而er較jiao大da的de檢jian測ce範fan圍wei提ti供gong了le更geng多duo的de參can考kao點dian，從cong而er觸chu摸mo位wei置zhi可ke以yi被bei精jing確que算suan出chu。圖tu3揭示了觸摸屏控製器SNR對劃線精度的影響，這是一個機械臂握著一個4mm金屬片所畫的直線。高SNR控製器畫出的直線顯然比低SNR控製器畫出的直線更平滑。注意這些測量結果都是由相同的觸摸屏傳感器和相同的後處理軟件記錄的
，以保證公正的比較。


書寫筆：電阻觸摸屏用戶長期以來已經習慣了使用帶有尖的書寫筆。典型電阻觸摸屏書寫筆筆尖直徑小於1mm
，通常用不導電的塑料製作。對於電容觸控係統來說，檢測這樣一個細小、不導電的器件很困難
，因為它能夠給觸摸屏控製器提供的信號非常微弱。市場上很多觸控係統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，因為筆尖粗會使得書寫的痕跡很模糊。

隻要書寫筆用導電材料包裹(一個相對較小的犧牲)，高SNR的觸摸屏控製器可以檢測到1mm直徑筆尖的書寫筆。圖4說明了觸摸屏控製器SNR對 2mm導電筆尖的書寫筆檢測結果的影響。低SNR的控製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 筆尖的書寫筆將導致有用信號淹沒在背景噪聲中，導致書寫筆無法使用。

圖4. 4英寸屏上使用2mm導電書寫筆的電容值剖麵圖，左側剖麵使用高SNR觸摸屏控製器

；右側使用低SNR觸摸屏控製器。書寫筆位於綠色錐體頂部；baisepingmiandegaodudaibiaolebeijingzaosheng。xinzaobidezengjiayouxiaojiangdilebeijingzaoshengfudu，ruzuotusuoshi。ruguoyoutuzhongdeshuxiebiyidaopingmudezuobian
，xinhaojiangbeizaoshengyanmei
，shuxiebijiangwufagongzuo。
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非接觸檢測：接(jie)近(jin)檢(jian)測(ce)逐(zhu)漸(jian)在(zai)觸(chu)摸(mo)屏(ping)應(ying)用(yong)中(zhong)被(bei)采(cai)用(yong)。例(li)如(ru)，通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)觸(chu)控(kong)係(xi)統(tong)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)，當(dang)使(shi)用(yong)電(dian)子(zi)書(shu)時(shi)，用(yong)戶(hu)可(ke)以(yi)手(shou)勢(shi)翻(fan)頁(ye)，而(er)不(bu)需(xu)要(yao)實(shi)際(ji)觸(chu)碰(peng)屏(ping)幕(mu)。但(dan)觸(chu)控(kong)係(xi)統(tong)增(zeng)加(jia)靈(ling)敏(min)度(du)也(ye)很(hen)容(rong)易(yi)被(bei)環(huan)境(jing)噪(zao)聲(sheng)觸(chu)發(fa)，設(she)計(ji)者(zhe)一(yi)直(zhi)在(zai)努(nu)力(li)尋(xun)找(zhao)最(zui)佳(jia)平(ping)衡(heng)，既(ji)要(yao)最(zui)大(da)化(hua)接(jie)近(jin)距(ju)離(li)
，又(you)不(bu)至(zhi)於(yu)引(yin)起(qi)誤(wu)觸(chu)發(fa)。三(san)菱(ling)在(zai)這(zhe)個(ge)領(ling)域(yu)做(zuo)了(le)一(yi)些(xie)有(you)趣(qu)的(de)研(yan)究(jiu)，他(ta)們(men)建(jian)了(le)一(yi)個(ge)觸(chu)控(kong)係(xi)統(tong)，基(ji)於(yu)觸(chu)摸(mo)手(shou)指(zhi)是(shi)懸(xuan)空(kong)還(hai)是(shi)真(zhen)實(shi)觸(chu)摸(mo)來(lai)自(zi)動(dong)調(tiao)節(jie)靈(ling)敏(min)度(du)。[2]

戴手套操作：在醫學應用中，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GPSxuyaonengzaidongtiandaishoutaoshishiyong
，daduoshushoutaoshiyoujiediancailiaozuochengde
，zheshidechumopingchuanganqihennanjiancedaochumodongzuo。zengjiachumopingkongzhiqidelingmindukenengzaiyonghubudaishoutaoshiyinqiwuchufa。weiyijiejuefangfashixuyaoyingyong(或用戶)根據情況選擇不同靈敏度。

結論

高SNR電dian容rong型xing觸chu摸mo屏ping控kong製zhi器qi帶dai有you很hen多duo優you勢shi，它ta可ke以yi滿man足zu如ru書shu寫xie筆bi，小xiao手shou指zhi和he手shou套tao等deng廣guang泛fan的de設she計ji和he應ying用yong要yao求qiu。它ta可ke以yi幫bang助zhu改gai善shan觸chu摸mo精jing度du而er不bu需xu要yao專zhuan門men的de ITOchuanganqiyangshihuozengjiachuanganqitongdao。takeyimanzugezhongxianshiqijibutongbeiguangdengdeyaoqiu，tongshibaochihenhaodechumoxingneng，taweichuanganqishejiheshengchantigonglegenglinghuodexuanze。shichukongxitongkeyigongzuozaiqiangzaoshenghuanjingzhong，bingkejianxiaoshebeibenshenlaiziLCD
，WiFi天線

，GPS天線和AC適配器的噪聲。它給予設備OEM商更多的自由來選擇元器件。最後，從性能的觀點來看，它提供了精確的觸摸精度。總之，高SNR觸摸屏控製器能幫助終端用戶實現更可靠的應用。