電容式觸摸屏點出精彩世界

iPhone可能是2007年采用了觸摸屏的最高端手機產品。在2008年，60多款其它型號的手機也將采用觸摸屏技術，而2009年還將有100多款新手機采用觸摸屏技術。觸摸屏將在手機上變得如此普及，以致于我們預計到2012年帶觸摸屏的手機將達到5億部左右。與此同時，即便是低端手機型號也將增加觸摸按鍵、滑動條和旋轉輪的使用。當然，手機只是其中的一個應用，觸摸屏技術正在迅速滲透的其它一些應用還包括PDA、PC、GPS系統(tǒng)和家用電器。

今天，精心設計的觸摸屏使用起來是一種享受。該技術帶來了新穎的、富有吸引力的和簡單易用的人機接口，而且這樣的接口能很容易地進行改進和更新，以實現(xiàn)新的特性或系統(tǒng)功能。為響應不斷改變的消費需求而做出的設計更改，只需要對軟件做出一些修改就可以了。最重要的是，最新的觸摸屏產品即便在有射頻干擾的環(huán)境下也能穩(wěn)定可靠地工作。

走近觸摸屏

今天的電氣和電子設備采用了以下5種類型的觸摸屏技術：電阻式、表面電容式、投射電容式、表面聲波式和紅外線式。其中前三種適合用于移動設備和消費電子產品，后兩種技術做出的觸摸屏不是太昂貴就是體積太大，因此不適合上述應用。采用以上任何一種觸摸屏技術的系統(tǒng)都由一個感應裝置、它與電子控制電路的互連裝置和控制電路本身構成。

電阻式觸摸屏（見圖1）從技術角度來講可能并不算真正的‘觸摸’屏，因為它需要一定的壓力才能激活。這點與真正的觸摸接口是不同的，因為有些觸摸屏甚至只需將手指靠近就能感應到。電阻式觸摸屏采用了三明治架構實現(xiàn)，上下兩層是印刷在塑料（PET）薄膜上的導電性銦錫氧化物(ITO)，中間隔以空氣。

該空氣隙由很多微小的間隔器來保持。當兩個導電層被手指（或鐵筆）壓到一起時才算是完成了一次‘觸摸’，而觸摸的位置通過測量X軸和Y軸上的電壓比就可檢測出來。根據(jù)采用多少根線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M行處理，電阻式觸摸屏可分為四線、五線、六線和八線版本。電阻式觸摸屏成本低廉，已經廣泛地在大批量應用中得到了采用。

不過，該技術固有的不足已經限制了它無法得到業(yè)界的普遍認可。這些不足包括機械性弱點、有限的工業(yè)設計選擇、在大多數(shù)應用中需要一個斜面、觸摸屏的厚度、糟糕的光學性能和需要用戶校準。使用電阻式觸摸屏技術無法實現(xiàn)接近檢測（即在手指靠近屏幕時便能感應到），也不能實現(xiàn)多指檢測。而這兩種選項現(xiàn)在都是產品設計師所需要的。

圖1：電阻式觸摸屏成本很低，但有很多設計局限性


表面電容式觸摸屏（圖2）采用了一個普通的ITO層和一個金屬邊框。電場幾乎直線穿過ITO層，當一根手指觸摸屏幕時，它會從面板中放出電荷。感應在觸摸屏的四個角完成，不需要復雜的ITO圖案。這類型觸摸屏的一個最著名ITO圖案是由WilliamPepper設計的，他在1978年為他的設計圖案申請了專利。這一圖案奠定了Microtouch公司(現(xiàn)在的3M公司)賣出的表面電容式觸摸屏產品的基礎。

使用在面板背面的表面電容式觸摸技術的企圖總是遇到‘手影效應’，這一現(xiàn)象會給觸摸屏帶來很大的感應誤差，因為靠近面板的用戶手和腕會產生電容性耦合問題，而且由于靠近的角度和距離相當隨意而導致不確定的耦合電容值。由于表面電容式觸摸屏采用的是均勻的ITO層，因此它們無法抑制這些錯誤信號，因為它們已和實際觸摸信號纏繞在三維信號空間。如果不將ITO排成行和列，那么在面板的背面使用表面電容式觸摸技術的企圖肯定會失敗。

圖2：表面電容式觸摸屏上的普通ITO傳感器電極很容易損壞，而且由于手影效應而無法抑制錯誤觸發(fā)信號


投射電容式觸摸技術正在促進觸摸屏在消費電子中的應用。它需要1個或多個精心設計的、被蝕刻的ITO層，但可比其它觸摸技術提供更多技術優(yōu)勢。這些ITO層通過蝕刻形成多個水平和垂直電極，所有這些電極都由一個電容式感應芯片來驅動。該芯片既能將數(shù)據(jù)傳送到一個主處理器，也能自己處理觸摸點的XY軸位置。

通常，水平和垂直電極都通過單端感應方法來驅動，也就是說一行和一列的驅動電路沒有什么區(qū)別，我們把這稱為‘單端’感應。不過，在一些方法中，一根軸通過一套AC信號來驅動，而穿過觸摸屏的響應則通過其它軸上的電極感測出來。我們把這稱為‘橫穿式’感應，因為電場是以橫穿的方式通過上層面板的電介層從一個電極組（如行）傳遞到另一個電極組（如列）。

圖3：投射式觸摸屏技術包括通過清晰的蝕刻的ITO圖案沿著X軸和Y軸進行感應


在任何一種情況下，位置都是通過測量X電極和Y電極之間信號改變量的分配來確定的，隨后會使用數(shù)學算法處理這些已改變的信號水平，以確定觸摸點的XY坐標。目前分辨率高達1024x1024和厚度高達5mm的這種觸摸屏已經進行了公開演示。

電容式觸摸屏值得注意的一個問題就是，LCD本身非常靠近ITO層，如果沒有在氣密堆疊時事實上接合到一起的話。由于它不停地掃描象素，因此它總是不變地散發(fā)出大量的電氣噪音。這一最大頻率可以達到20kHz的噪音在幾乎所有情況下都要求，在ITO感應電極和LCD模塊之間安裝一個屏蔽層。這意味著在通常情況下電容式觸摸屏需要有3個ITO層：兩個用于XY感應矩陣，一個用來進行噪音屏蔽，而這一屏蔽ITO層意味著更高的成本和更低的透明度。

其結果是，大多數(shù)觸摸屏供應商都采用至少兩個ITO感應層和一個屏蔽層來實現(xiàn)無噪音工作。值得注意的是，QuantumResearchGroup現(xiàn)在已經開發(fā)出了一種不需要屏蔽層的獨特單層投射式XY矩陣設計，并將于2008下半年公開上市。目前一家主要手機制造商已經在其進入生產階段的三款手機產品中采用了這一設計。

當只使用一層ITO時，成本可以大幅下降，層堆疊厚度可以變薄，透明度會得到改善，背光功率要求也會降低。更重要的是，單層ITO技術也使得可制造性得到大幅改善。

觸摸屏應用領域的另一熱點話題是‘多指觸摸’，即觸摸屏能夠同時感應到多個點的觸摸，這一性能由于在蘋果的iPhone上得到了實現(xiàn)而變得很流行。表面電容式觸摸屏在同一時間無法感應到多指觸摸，因為它采用了一個同質的感應層，而這種感應層只會將觸摸屏上任何位置感應到的所有信號匯聚成一個更大的信號。同質層破壞了太多的信息，以致于無法感應到多指觸摸。

不過，雙層投射電容式觸摸屏可以識別兩指觸摸，盡管單端變量無法充分地區(qū)分開兩指觸摸，并在整個屏上單獨跟蹤它們。再增加一個感應層可以解決剩下的模糊性問題，但這樣會極大地提高成本。而使用橫穿感應方法的雙層投射電容式觸摸屏則在理論上能非常清晰地識別兩指或多指觸摸，并獨立在整個屏幕上跟蹤每個觸摸點。

與電阻式和表面電容式觸摸屏不一樣，投射電容式觸摸屏不需要經?；蛴捎脩暨M行校準，甚至在工廠中也不需要，因為其電極結構在很大程度上決定了屏幕的響應，而這些都是固定的。同質觸摸屏技術經常需要反復進行實質補償，因為其表面電阻會隨著時間的推移而變得品質下降和不均勻。

基于投射式電容技術創(chuàng)建一款有吸引力的、功能可靠的和穩(wěn)定的觸摸屏，包括選擇正確的基本技術，以及選擇由哪一家供應商來提供這一技術。有些供應商提供交鑰匙解決方案，該方案由一個控制器和一個觸摸屏感應單元組成，且它們常常被集成在一起。有些供應商提供芯片方案，并在ITO薄膜的設計和選擇過程中提供技術支持。

在這一發(fā)展中市場上，供應鏈的選擇包含許多超越上述技術的權衡，關鍵的權衡因素包括：薄膜供應的多源化能力、可制造性、質量控制和測試。即便到了最后的工序，即將薄膜層壓到最終產品上，也需要非常小心，因為這是一個由于壓力不當和層壓工藝不夠精確而容易引入許多錯誤的關鍵步驟。

投射電容式觸摸屏正是我們需要的方案。這種觸摸屏解決了之前各種觸摸屏的許多問題，目前至少兩家芯片供應商已經可以提供這一技術。正確供應商的選擇將取決于設計的技術要求，以及成本和供應鏈管理要求，而后兩者剛剛現(xiàn)在才開始成為重要的選擇因素。