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
，並且速度沒有減慢的跡象。本文描述了把感應電容 型觸摸屏集成到一個設備中時須麵對的很多設計和應用挑戰，並重點強調了控製器信噪比的重要性。

簡介

自2007年iPhone®出現後
，感應電容觸摸屏的應用範圍就在不斷擴大。盡管如此，真正把感應電容觸摸屏集成到設備中仍存在著很大的挑戰，尤其在液晶 顯示器(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。


 
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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SNR觸摸屏控製器可以處理較寬動態範圍的 觸摸屏傳感器信號，結構差異引起的影響會被削弱。這就給了設計者更多的自由去選擇傳感器層結構。

厚防護罩：一些應用

，例如銀行ATM機，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度，並降低觸摸位置檢測精度，這是因為手指 離觸摸屏傳感器距離變大，導致電容範圍變大，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：觸控設備用戶報告的最常見問題之一是保護透鏡破損。為把產品做得更薄
，電容型觸摸屏傳感器可以被壓到保護透鏡背麵，但當 tihuanyigeposundebaohutoujingshi，chumopingchuanganqiyebixubeitihuan，zhehuizengjiaweixiuchengben。weilebimianzhegechengben，yijiyahegongyidilianglvdailaidechengben

，tongchanghuiyongyigechendianjiangchumopingchuan 感器和保護透鏡隔開。

jinguanruci

，dangchumopingchuanganqihebaohutoujingjianchuxianqixishi，chumopingchuanganqihuihennantancedaoshouzhichumoxingwei，yinweikongqijiedianchangshudi，shouzhichumochanshengdexinhaodeqiangduyedi。jiejuezhezhong 問題的一個方法是提高觸控係統靈敏度閾值

，但這會很危險，因為傳感器會接收到一些雜散信號，例如LCD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：yixieqijianshengchanshangbachumopingchuanganqizhijiezuozaixianshiqishangyishidezhengtishejigengbo。danzheyeshiyoufengxiande，yinweichumopingchuanganqibeizhijiefangzaizaoshengyuanshang。yigejiejuefangan 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：為了降低生產成本，LCD生產商開始把觸摸屏傳感器直接做在偏光鏡下麵的彩色濾光片上。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，進一步增加了傳感器接收到的噪聲。

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控製器不能把信號從噪聲中區分出來。如果降低傳感器閾值以增加探測靈敏度
，觸控係統則會很容易 被誤觸發
，引起誤操作，這在實際應用中是絕對不被允許的。

應用挑戰

觸摸精度：chumojingdushichumopingchuanganqishejideyigezhongyaozhibiao。liru，zaixunijianpanyingyongzhong，zifubeijincoudepaizaiyigehenxiaodequyunei，jingquexiangyingchumodongzuo
，bimianwushuruzifuhen guanjian。tigaojingdudefangfazhiyishizaikongzhiqizhongzengjiagengduodechuanganqitongdao
，zhichigenggaodechumopingchuanganqiwanggemidu。danzhejiangfuchuchengbendedaijia
，yinweichumopingchuanganqihechumopingkongzhiqidou 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SNRchumopingkongzhiqinenggouzengqiangjiancejingdu，yinweitaduiruoxinhaodejiancenengligengqiang，bingcongjiaodadezhoubianfanweineishoujicaiyangshuju，erjiaodadejiancefanweitigonglegengduodecankaodian
，congerchu 摸位置可以被精確算出。圖3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。

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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；白色平麵的 高(gao)度(du)代(dai)表(biao)了(le)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)。信(xin)噪(zao)比(bi)的(de)增(zeng)加(jia)有(you)效(xiao)降(jiang)低(di)了(le)背(bei)景(jing)噪(zao)聲(sheng)幅(fu)度(du)，如(ru)左(zuo)圖(tu)所(suo)示(shi)。如(ru)果(guo)右(you)圖(tu)中(zhong)的(de)書(shu)寫(xie)筆(bi)移(yi)到(dao)屏(ping)幕(mu)的(de)左(zuo)邊(bian)
，信(xin)號(hao)將(jiang)被(bei)噪(zao)聲(sheng)淹(yan)沒(mei)，書(shu)寫(xie)筆(bi)將(jiang)無(wu)法(fa)工(gong)作(zuo)。

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 了一個觸控係統
，基於觸摸手指是懸空還是真實觸摸來自動調節靈敏度。[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GPS需要能在冬天戴手套時使用，大多數手套是由介電材料做成 de，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) ITO傳(chuan)感(gan)器(qi)樣(yang)式(shi)或(huo)增(zeng)加(jia)傳(chuan)感(gan)器(qi)通(tong)道(dao)。它(ta)可(ke)以(yi)滿(man)足(zu)各(ge)種(zhong)顯(xian)示(shi)器(qi)及(ji)不(bu)同(tong)背(bei)光(guang)燈(deng)的(de)要(yao)求(qiu)
，同(tong)時(shi)保(bao)持(chi)很(hen)好(hao)的(de)觸(chu)摸(mo)性(xing)能(neng)，它(ta)為(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)設(she)計(ji)和(he)生(sheng)產(chan)提(ti)供(gong)了(le)更(geng)靈(ling)活(huo)的(de)選(xuan)擇(ze)。使(shi)觸(chu)控(kong) 係統可以工作在強噪聲環境中，並可減小設備本身來自LCD，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。