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电容式触摸屏点出精彩世界

iPhone可能是2007年采用了触摸屏的最高端手机产品。在2008年,60多款其它型号的手机也将采用触摸屏技术,而2009年还将有100多款新手机采用触摸屏技术。触摸屏将在手机上变得如此普及,以致于我们预计到2012年带触摸屏的手机将达到5亿部左右。与此同时,即便是低端手机型号也将增加触摸按键、滑动条和旋转轮的使用。当然,手机只是其中的一个应用,触摸屏技术正在迅速渗透的其它一些应用还包括PDA、PC、GPS系统和家用电器。
今天,精心设计的触摸屏使用起来是一种享受。该技术带来了新颖的、富有吸引力的和简单易用的人机接口,而且这样的接口能很容易地进行改进和更新,以实现新的特性或系统功能。为响应不断改变的消费需求而做出的设计更改,只需要对软件做出一些修改就可以了。最重要的是,最新的触摸屏产品即便在有射频干扰的环境下也能稳定可靠地工作。
走近触摸屏
今天的电气和电子设备采用了以下5种类型的触摸屏技术:电阻式、表面电容式、投射电容式、表面声波式和红外线式。其中前三种适合用于移动设备和消费电子产品,后两种技术做出的触摸屏不是太昂贵就是体积太大,因此不适合上述应用。采用以上任何一种触摸屏技术的系统都由一个感应装置、它与电子控制电路的互连装置和控制电路本身构成。
电阻式触摸屏(见图1)从技术角度来讲可能并不算真正的‘触摸’屏,因为它需要一定的压力才能激活。这点与真正的触摸接口是不同的,因为有些触摸屏甚至只需将手指靠近就能感应到。电阻式触摸屏采用了三明治架构实现,上下两层是印刷在塑料(PET)薄膜上的导电性铟锡氧化物(ITO),中间隔以空气。
该空气隙由很多微小的间隔器来保持。当两个导电层被手指(或铁笔)压到一起时才算是完成了一次‘触摸’,而触摸的位置通过测量X轴和Y轴上的电压比就可检测出来。根据采用多少根线将数据传输到微控制器进行处理,电阻式触摸屏可分为四线、五线、六线和八线版本。电阻式触摸屏成本低廉,已经广泛地在大批量应用中得到了采用。
不过,该技术固有的不足已经限制了它无法得到业界的普遍认可。这些不足包括机械性弱点、有限的工业设计选择、在大多数应用中需要一个斜面、触摸屏的厚度、糟糕的光学性能和需要用户校准。使用电阻式触摸屏技术无法实现接近检测(即在手指靠近屏幕时便能感应到),也不能实现多指检测。而这两种选项现在都是产品设计师所需要的。
图1:电阻式触摸屏成本很低,但有很多设计局限性
 
表面电容式触摸屏(图2)采用了一个普通的ITO层和一个金属边框。电场几乎直线穿过ITO层,当一根手指触摸屏幕时,它会从面板中放出电荷。感应在触摸屏的四个角完成,不需要复杂的ITO图案。这类型触摸屏的一个最著名ITO图案是由William Pepper设计的,他在1978年为他的设计图案申请了专利。这一图案奠定了Microtouch 公司(现在的3M公司)卖出的表面电容式触摸屏产品的基础。
使用在面板背面的表面电容式触摸技术的企图总是遇到‘手影效应’,这一现象会给触摸屏带来很大的感应误差,因为靠近面板的用户手和腕会产生电容性耦合问题,而且由于靠近的角度和距离相当随意而导致不确定的耦合电容值。由于表面电容式触摸屏采用的是均匀的ITO层,因此它们无法抑制这些错误信号,因为它们已和实际触摸信号缠绕在三维信号空间。如果不将ITO排成行和列,那么在面板的背面使用表面电容式触摸技术的企图肯定会失败。
图2:表面电容式触摸屏上的普通ITO传感器电极很容易损坏,而且由于手影效应而无法抑制错误触发信号
 
投射电容式触摸技术正在促进触摸屏在消费电子中的应用。它需要1个或多个精心设计的、被蚀刻的ITO层,但可比其它触摸技术提供更多技术优势。这些ITO层通过蚀刻形成多个水平和垂直电极,所有这些电极都由一个电容式感应芯片来驱动。该芯片既能将数据传送到一个主处理器,也能自己处理触摸点的XY轴位置。
通常,水平和垂直电极都通过单端感应方法来驱动,也就是说一行和一列的驱动电路没有什么区别,我们把这称为‘单端’感应。不过,在一些方法中,一根轴通过一套AC信号来驱动,而穿过触摸屏的响应则通过其它轴上的电极感测出来。我们把这称为‘横穿式’感应,因为电场是以横穿的方式通过上层面板的电介层从一个电极组(如行)传递到另一个电极组(如列)。
图3:投射式触摸屏技术包括通过清晰的蚀刻的ITO图案沿着X轴和Y轴进行感应 
 
在任何一种情况下,位置都是通过测量X电极和Y电极之间信号改变量的分配来确定的,随后会使用数学算法处理这些已改变的信号水平,以确定触摸点的XY坐标。目前分辨率高达1024 x 1024和厚度高达5mm的这种触摸屏已经进行了公开演示。
电容式触摸屏值得注意的一个问题就是,LCD本身非常靠近ITO层,如果没有在气密堆叠时事实上接合到一起的话。由于它不停地扫描象素,因此它总是不变地散发出大量的电气噪音。这一最大频率可以达到20kHz的噪音在几乎所有情况下都要求,在ITO感应电极和LCD模块之间安装一个屏蔽层。这意味着在通常情况下电容式触摸屏需要有3个ITO层:两个用于XY感应矩阵,一个用来进行噪音屏蔽,而这一屏蔽ITO层意味着更高的成本和更低的透明度。
其结果是,大多数触摸屏供应商都采用至少两个ITO感应层和一个屏蔽层来实现无噪音工作。值得注意的是,Quantum Research Group现在已经开发出了一种不需要屏蔽层的独特单层投射式XY矩阵设计,并将于2008下半年公开上市。目前一家主要手机制造商已经在其进入生产阶段的三款手机产品中采用了这一设计。
当只使用一层ITO时,成本可以大幅下降,层堆叠厚度可以变薄,透明度会得到改善,背光功率要求也会降低。更重要的是,单层ITO技术也使得可制造性得到大幅改善。
触摸屏应用领域的另一热点话题是‘多指触摸’,即触摸屏能够同时感应到多个点的触摸,这一性能由于在苹果的iPhone上得到了实现而变得很流行。表面电容式触摸屏在同一时间无法感应到多指触摸,因为它采用了一个同质的感应层,而这种感应层只会将触摸屏上任何位置感应到的所有信号汇聚成一个更大的信号。同质层破坏了太多的信息,以致于无法感应到多指触摸。
不过,双层投射电容式触摸屏可以识别两指触摸,尽管单端变量无法充分地区分开两指触摸,并在整个屏上单独跟踪它们。再增加一个感应层可以解决剩下的模糊性问题,但这样会极大地提高成本。而使用横穿感应方法的双层投射电容式触摸屏则在理论上能非常清晰地识别两指或多指触摸,并独立在整个屏幕上跟踪每个触摸点。
与电阻式和表面电容式触摸屏不一样,投射电容式触摸屏不需要经常或由用户进行校准,甚至在工厂中也不需要,因为其电极结构在很大程度上决定了屏幕的响应,而这些都是固定的。同质触摸屏技术经常需要反复进行实质补偿,因为其表面电阻会随着时间的推移而变得品质下降和不均匀。
基于投射式电容技术创建一款有吸引力的、功能可靠的和稳定的触摸屏,包括选择正确的基本技术,以及选择由哪一家供应商来提供这一技术。有些供应商提供交钥匙解决方案,该方案由一个控制器和一个触摸屏感应单元组成,且它们常常被集成在一起。有些供应商提供芯片方案,并在ITO薄膜的设计和选择过程中提供技术支持。
在这一发展中市场上,供应链的选择包含许多超越上述技术的权衡,关键的权衡因素包括:薄膜供应的多源化能力、可制造性、质量控制和测试。即便到了最后的工序,即将薄膜层压到最终产品上,也需要非常小心,因为这是一个由于压力不当和层压工艺不够精确而容易引入许多错误的关键步骤。
投射电容式触摸屏正是我们需要的方案。这种触摸屏解决了之前各种触摸屏的许多问题,目前至少两家芯片供应商已经可以提供这一技术。正确供应商的选择将取决于设计的技术要求,以及成本和供应链管理要求,而后两者刚刚现在才开始成为重要的选择因素。

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