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互電容式觸摸屏技術(shù)淺析

發(fā)布時(shí)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(jì)算機(jī)問世以來,人們就一直在思考如何以更有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)的對(duì)話,也即所謂的人機(jī)交互技術(shù)。容式觸摸技術(shù),特別是互電容技術(shù)由于具有直接、高效、準(zhǔn)確、流暢、時(shí)尚等特點(diǎn),極大程度提高了人和計(jì)算機(jī)對(duì)話的效率和便利性,未來必將替代鼠標(biāo)和鍵盤,成為未來消費(fèi)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(dǎo)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(gòu)成電容,這個(gè)電容就是通常所說的自電容,也就是電極對(duì)地的電容。當(dāng)手指觸摸到電容屏?xí)r,手指的電容將會(huì)疊加到屏體電容上,使屏體電容量增加。

在觸摸檢測時(shí),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(biāo)和縱向坐標(biāo),然后組合成平面的觸摸坐標(biāo)。自電容的掃描方式,相當(dāng)于把觸摸屏上的觸摸點(diǎn)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(jì)算出坐標(biāo),最后組合成觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。

如果是單點(diǎn)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(biāo)也是唯一的;如果在觸摸屏上有兩點(diǎn)觸摸并且這兩點(diǎn)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(gè)投影,則組合出4個(gè)坐標(biāo)。顯然,只有兩個(gè)坐標(biāo)是真實(shí)的,另外兩個(gè)就是俗稱的”鬼點(diǎn)”。因此,自電容屏無法實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)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(huì)形成電容,也即這兩組電極分別構(gòu)成了電容的兩極。當(dāng)手指觸摸到電容屏?xí)r,影響了觸摸點(diǎn)附近兩個(gè)電極之間的耦合,從而改變了這兩個(gè)電極之間的電容量。檢測互電容大小時(shí),橫向的電極依次發(fā)出激勵(lì)信號(hào),縱向的所有電極同時(shí)接收信號(hào),這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點(diǎn)的電容值大小,即整個(gè)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(jì)算出每一個(gè)觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。因此,屏上即使有多個(gè)觸摸點(diǎn),也能計(jì)算出每個(gè)觸摸點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。


圖1  自電容鬼影的產(chǎn)生機(jī)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(shù)研究和開發(fā)的公司之一,在互電容領(lǐng)域擁有數(shù)十項(xiàng)國內(nèi)國際專利,包括互電容式觸摸屏體的設(shè)計(jì),互電容式觸摸檢測電路、觸摸檢測算法、環(huán)境自適應(yīng)算法等技術(shù)。利用FocalTech自有專利技術(shù),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(guān)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(shù),但由于抗電磁干擾設(shè)計(jì)較差,經(jīng)常發(fā)生來電時(shí)無法接電話,或者通話結(jié)束時(shí)無法掛電話的情況。再加上環(huán)境變化時(shí)觸摸屏失效頻繁,造成了多個(gè)電容式觸摸屏手機(jī)項(xiàng)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(lǐng)域的跳頻技術(shù),同時(shí)提高了TX的發(fā)送功率,在提高系統(tǒng)信噪比的同時(shí)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(hào)功率和噪聲功率的比值。SNR是觸摸屏系統(tǒng)性能另一個(gè)關(guān)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(gè)途徑提高SNR。首先是提高信號(hào)發(fā)送功率。提高了信號(hào)發(fā)送信號(hào)功率,相應(yīng)的就提高了接收到信號(hào)的功率,從而增加了SNR。其次,降低噪聲也是一個(gè)有效的方法。FocalTech提供觸摸屏設(shè)計(jì)方案,這些方案都做了非常好的屏蔽設(shè)計(jì),例如在觸摸屏底部靠LCD一側(cè)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(gè)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(hào)功率。即觸摸變化量越大,則檢測到的信號(hào)功率越大。FTS獨(dú)有的觸摸屏專利技術(shù),能大大提高觸摸引起的電容變化率,通常能達(dá)到30%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)性
自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化,對(duì)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(huì)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(gè)良好的設(shè)計(jì),必須能在非常大范圍能適應(yīng)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(jìn)行觸摸。FocalTech專門開發(fā)了環(huán)境自適應(yīng)算法,并配合相應(yīng)的觸摸屏體設(shè)計(jì),已經(jīng)完全解決了環(huán)境變化對(duì)觸摸屏影響問題。

4) 功耗
對(duì)于便攜式設(shè)備而言,功耗也非常關(guān)鍵。而互電容技術(shù)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(shù)功耗為自電容技術(shù)的2~3倍。因此,降低功耗變得十分關(guān)鍵。FocalTech同時(shí)采用了多項(xiàng)技術(shù)來降低功耗。在IC設(shè)計(jì)時(shí),把功耗列為約束第一位,如采用低功耗結(jié)構(gòu)、低功耗工藝、增加硬件加速器等。在坐標(biāo)計(jì)算中,F(xiàn)ocalTech開發(fā)出了快速坐標(biāo)計(jì)算方案,可簡化計(jì)算量,大大降低了數(shù)據(jù)后期處理的時(shí)間和功耗。此外,還設(shè)計(jì)了多個(gè)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(shí)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(gòu)

互電容式觸摸屏技術(shù)和市場發(fā)展趨勢

隨著研究的深入,互電容技術(shù)不斷成熟,其基本功能、基本架構(gòu)都已經(jīng)確定,將來的發(fā)展主要集中在細(xì)部優(yōu)化,比如進(jìn)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(yīng)環(huán)境變化的能力、提高掃描速度、多點(diǎn)ID識(shí)別、多點(diǎn)應(yīng)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(jìn)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(yīng)商的加入,新材料、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用,也帶來各項(xiàng)成本的下降,從而降低整體模組的價(jià)格。一些電容觸摸屏模組大廠預(yù)測,在2011年,完成電極刻蝕的ITO玻璃的價(jià)格將降到0.3~0.5美元/英寸,不到現(xiàn)在價(jià)格的一半;目前,深圳一些小廠的出貨價(jià)已經(jīng)非常接近這個(gè)區(qū)間。我們預(yù)計(jì),電容式觸摸屏將來會(huì)有明顯的降價(jià),在2011年,3.5’’的模組的價(jià)格可降到5~6美元;而一些低端產(chǎn)品,更有可能達(dá)到4美元左右,甚至更低。屆時(shí),電容屏將大幅擠占目前電阻屏的市場,無論品牌機(jī)或是山寨機(jī)市場,電容屏都將成為主流。

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