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現今社會上很多人都頻繁地接觸到觸摸屏。這種裝置最常見于PDA和手機等手持設備和售票終端系統等應用，其中大部分都基于電阻性技術。電阻性技術采用一個柔性外層，其壓觸固定內層時，會產生電信號，然后轉換為X-Y坐標位置。此外，還有其它兩種常用技術：表面聲波 (SAW) 和電容感測技術，不過，一直以來，由于成本和構建的限制，這兩種技術都僅用在公用信息服務應用(Kiosk applications) 中。
電阻性觸摸屏非常容易受到損傷，因為其表層是由薄薄的柔性塑料構成的，本身就很容易被利物刮損。至于SAW觸摸屏，由于它需要在邊角以特殊的機械安裝方法安裝聲換能器，因此不適合于移動應用。而且，SAW的成本也十分高，但因為無需透明的有源電極，所以可靠性相當好。
電容性觸摸屏在顯示區域采用了一層周邊電氣連接的導電薄膜。Kiosk類的顯示屏是在玻璃表面涂上一層導電物質，而較新的“投射式電容”觸摸屏則是在玻璃背面使用一組結構更復雜的涂層，大多數情況下會有三層，兩層分別用于沿X 和 Y軸的感測；另一層是用于屏蔽LCD模塊本身產生的噪聲。只有投射式電容感測和SAW能夠同時檢測出多個手指觸點。
從技術和經濟兩個層面上來看，上述的方法各有優劣，而應該全面根據應用的需求來正確選擇，其中主要的決定因素是預算、顯示屏尺寸、機械考慮事項、電氣噪聲問題，以及視覺清晰度和可靠性要求。近來，能否同時檢測多個觸點的能力越來越受到關注，現在已成為許多便攜式應用發展的主要驅動力。
當前，增長最快、最令人矚目的技術當屬投射式電容觸摸屏。然而，這種技術的供貨商極少，相關專利卻又相當多，包括多觸點算法、感測層圖案和手勢提取方法等方面的專利，為市場新進者造成了巨大障礙。本文的主題正是要討論投射式電容感測的技術。
1 制備原理
圖1a所示為一個投射式電容觸摸屏元素的橫截面，可看出其感測層大幅擴展到盡量清晰。這種感測層一般是由一種透明的導電材料制備的，比如真空淀積的銦錫氧化物 (Indium-Tin-Oxide, ITO)，見黑色部分。在最終裝配之前，利用光刻或絲網印刷工藝 (類似于PCB的蝕刻方法)，ITO層便會在塑料薄膜 (通常是PET薄膜) 襯底上蝕刻形成電極圖案。圖中沒有顯示出屏幕四邊連接ITO模塊，然后往下延伸到電氣連接器的銀墨連線。這些ITO層通過一種透明的粘膠彼此融合在一起，形成觸摸屏鏡片；粘膠一般為一層薄片，整個層式結構利用層壓工藝融為一體。
要注意的是，這里有兩個感測層和一個屏蔽層，后者是最低層，正好在LCD模塊 (圖中未顯示) 之上。屏蔽層用來屏蔽LCD模塊產生的噪聲，這種噪聲相當大，會對與ITO電極有關的較弱電氣信號造成干擾。
圖1b所示為ITO電極設計的一種常見圖案，其最早見于上世紀80年代初。這種菱形圖案需要兩個感測層，分別針對X 和 Y軸向，以確定觸點位置。菱形圖案可對暴露在手指觸摸區域下的電極表面進行優化，同時把X和Y方向電極軌跡的交叉面積降至最小。這些電極的密度越高，觸摸的空間分辨率也越高。在多觸點技術中這可是一個關鍵因素，尤其是在需要兩根手指極為靠近地操作時。
三層ITO疊層結構的壓層厚度一般為250mm左右。
雖然這種菱形圖案的效果不錯，可以獲得很好的空間分辨率，但另一方面，信號處理和電極圖案領域取得的先進成果，能夠讓設計在同一層上結合X 和 Y電極，而且大多數情況下無需屏蔽層。這種能力對光學特性 (每一層都會吸收和散射部分光) 和更重要的成本和生產良率都有著重大的影響。
圖1c所示為單層結構的橫截面示意圖。這種結構較薄，在對疊層結構以微米計的移動設備廠商中大獲好評。
圖1d所示是一個采用1層設計中的典型圖案。這種設計沒有在透明顯示區域使用交叉結構，而是在四周使用。令人難以想象的是，這種特殊設計有4個列線 (column)，而且行線 (row) 數可以不受限制。這些列線是通過把相似位置的三角形連接在一根軸上，并把它們連接為一個感測通道而形成。三角形圖案的采用，可以通過由一種特殊數學算法決定的內插過程 (interpolative process)，使垂直于列線的感測轉換順利進行。這種方法中運用的內插法降低了對列數的需求。同時，采用了非常先進的信號處理技術，大大減小了LCD產生的噪聲，從而無需屏蔽層。
采用不同的布線方法，設計中可以包含多達7個列線，足以應對幾乎所有可預見應用的要求，包括那些帶基本多觸點能力的應用。而這些圖案是由愛特梅爾開發并申請專利。
類似的結構也可以淀積在玻璃和塑料薄膜上 (圖2)。從技術上來說，玻璃是一種比塑料更好的襯底材料，因為它的光學特性比塑料好，透明度更高，光散射更小。不過，如何把玻璃層粘接在剛性面板上是一大挑戰，因為很難消除層壓工藝中的空氣。
現在有一些更先進的設計是直接在純平觸摸屏上涂敷感測層，完全無需載體層 (圖3)。利用這種方法可以把整個面板做得更薄，當然也進一步改進了光學特性。每減少一層，就降低了一部分成本和測試時間，從而提高解決方案的經濟效益，更有利于大批量生產。所以單層電極結構非常適合于這類構建。
材料疊層的厚度當然取決于層數。一個典型的三層結構 (X、Y、屏蔽層) 可能厚達450mm，而在玻璃上的單層結構 (圖3) 厚度可能僅25mm。當然，疊層厚度對小型便攜式設備而言至關重要，每加一層便會增大模糊度，降低透光度。此外，高層數解決方案還有一個缺點，即是功耗增加，因為LCD背光不得提高亮度以補償光吸收的增加。
在所有情況下，ITO電極都需要經由出線端 (tail) 連接，插入到包含感測芯片的PCB 中。但有些情況下，芯片可以直接安裝在出線端上。連接線跡通常由絲網印刷銀墨形成，而有些情況則是由濺射和蝕刻金屬構成，以減小厚度。由于觸摸屏周邊的空間限制，故這些線跡可能非常難于設計。
觸摸屏使用的感測電路和方法完全取決于技術供應商，英國量研科技公司在1990年末開發的專利技術“電荷轉移感測”就是可靠技術的一個典型實例。電荷轉移感測技術可以實現超低阻抗的感測，有助于減小外部噪聲的影響，它有兩種類型：1) 單端模式；2) 橫穿模式 。其中橫穿模式的性能最高，因為它能夠輕易識別同一個觸摸屏元素上多個觸點的絕對位置，而單端模式卻具有難以避免的含糊性。
這種感測電路還整合了一個微控制器，其接收原始信號數據并進行處理，輸出一個X-Y位置信號 (在多觸點觸摸屏的情況下，可為多個輸出)。這種用來減少數據的算法是基于數學內插方法的。一般而言，一個投射式電容解決方案能夠達到10位×10位 (1024×1024) 的分辨率，足以滿足大多數應用的需求。
如果需要手勢和筆跡識別，還可包含其它的一些算法。
2 結論
觸摸屏已成為電子控制表面的一種主流設計趨勢。在全球觸摸屏市場，雖然投射式電容感測技術仍只占極小部分，但它正以加速方式逐漸獲得采納。這種最為人所期待的技術將只包含一個透明感測層，并采用非常可靠的感測電路和算法來提高可靠性并降低成本。投射式電容感測技術很可能取代電阻性技術成為下一代主流技術。 |
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發表于 2010-10-10 13:35:33
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