從控制器角度談感應電容觸控系統的設計挑戰
摘要： 自2007年iPhone出現后，感應電容觸摸屏的年銷售額已增長了100倍，并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面對的很多設計和應用挑戰，并重點強調了控制器信噪比的重要性。
Abstract：
Key words :
摘要：自2007年iPhone出現后，感應電容觸摸屏的年銷售額已增長了100倍，并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面對的很多設計和應用挑戰，并重點強調了控制器信噪比的重要性。
簡介
自2007年iPhone出現后，感應電容觸摸屏的應用范圍就在不斷擴大。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)、外圍器件產生干擾及嘈雜的環境中。有效的解決方案之一是使用高信噪比(SNR)的觸摸屏控制器來對抗噪聲。一個高信噪比控制器還會有其它優勢，下面將會詳細描述。
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：
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制器。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，這決定于所需的系統性能和觸摸屏控制器芯片。
通常要根據觸摸屏控制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，觸摸屏表面到ITO的X層和Y層的距離是一樣的，這降低了增益誤差并使行和列的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噪聲干擾。使用高SNR的觸摸屏控制器可以降低觸摸屏傳感器的成本，放寬設計限制，使用更多的樣式和層結構。正如下面將要討論的一樣，高SNR觸摸屏控制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，并允許使用手套或尖導電筆。
控制器架構
自容式和互容式[1]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。
●受限于“鬼點”(相對于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噪聲抑制較差。
●簡單，低成本控制器。
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，這有助于最大化SNR。
●較好的噪聲抑制。
●更復雜，高成本控制器。
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，尤其當用戶界面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干擾，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并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的系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制器的模擬前端(AFE)，AFE的輸出被轉化成數字格式并在數字信號處理器(DSP)中進行進一步處理。
圖1. 互容式系統框圖
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于高SNR的觸摸屏控制器。
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。由于高SNR觸摸屏控制器可以處理較寬動態范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。
圖2. 一種互容式觸摸屏傳感器的層結構(與實物不成比例)。
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，并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，導致電容范圍變大，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。根據系統要求，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面，但當替換一個破損的保護透鏡時，觸摸屏傳感器也必須被替換，這會增加維修成本。為了避免這個成本，以及壓合工藝低良率帶來的成本，通常會用一個襯墊將觸摸屏傳感器和保護透鏡隔開。
盡管如此，當觸摸屏傳感器和保護透鏡間出現氣隙時，觸摸屏傳感器會很難探測到手指觸摸行為，因為空氣介電常數低，手指觸摸產生的信號的強度也低。解決這種問題的一個方法是提高觸控系統靈敏度閾值，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：一些器件生產商把觸摸屏傳感器直接做在顯示器上以使得整體設計更薄。但這也是有風險的，因為觸摸屏傳感器被直接放在噪聲源上。一個解決方案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面的彩色濾光片上。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。
觸摸屏控制器位置：電容型觸摸屏控制器通常位于觸摸屏電纜上(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制器放在系統板上。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制器。長FPC會起到天線的作用，很容易吸收噪聲，使得觸摸屏控制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。環境噪聲也對觸控系統有很大影響，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，當把設備放在臺式熒光燈等強噪聲源附近時，觸控系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的控制器不比低SNR的控制器有很大的優勢，只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控制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，觸控系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：觸摸精度是觸摸屏傳感器設計的一個重要指標。例如，在虛擬鍵盤應用中，字符被緊湊的排在一個很小的區域內，精確響應觸摸動作，避免誤輸入字符很關鍵。提高精度的方法之一是在控制器中增加更多的傳感器通道，支持更高的觸摸屏傳感器網格密度。但這將付出成本的代價，因為觸摸屏傳感器和觸摸屏控制器都需要更多的引腳。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SNR觸摸屏控制器能夠增強檢測精度，因為它對弱信號的檢測能力更強，并從較大的周邊范圍內收集采樣數據，而較大的檢測范圍提供了更多的參考點，從而觸摸位置可以被精確算出。圖3揭示了觸摸屏控制器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控制器畫出的直線顯然比低SNR控制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后處理軟件記錄的，以保證公正的比較。
圖3. 一個機器臂握著4mm金屬片畫的直線。左側使用的是高SNR的觸摸屏控制器；
右側使用的是低SNR觸摸屏控制器。
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于1mm，通常用不導電的塑料制作。對于電容觸控系統來說，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制器提供的信號非常微弱。市場上很多觸控系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。
只要書寫筆用導電材料包裹(一個相對較小的犧牲)，高SNR的觸摸屏控制器可以檢測到1mm直徑筆尖的書寫筆。圖4說明了觸摸屏控制器SNR對2mm導電筆尖的書寫筆檢測結果的影響。低SNR的控制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面圖，左側剖面使用高SNR觸摸屏控制器；右側使用低SNR觸摸屏控制器。書寫筆位于綠色錐體頂部；白色平面的高度代表了背景噪聲。信噪比的增加有效降低了背景噪聲幅度，如左圖所示。如果右圖中的書寫筆移到屏幕的左邊，信號將被噪聲淹沒，書寫筆將無法工作。
非接觸檢測：接近檢測逐漸在觸摸屏應用中被采用。例如，通過增加觸控系統的靈敏度，當使用電子書時，用戶可以手勢翻頁，而不需要實際觸碰屏幕。但觸控系統增加靈敏度也很容易被環境噪聲觸發，設計者一直在努力尋找最佳平衡，既要最大化接近距離，又不至于引起誤觸發。三菱在這個領域做了一些有趣的研究，他們建了一個觸控系統，基于觸摸手指是懸空還是真實觸摸來自動調節靈敏度。
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的，這使得觸摸屏傳感器很難檢測到觸摸動作。增加觸摸屏控制器的靈敏度可能在用戶不帶手套時引起誤觸發。唯一解決方法是需要應用(或用戶)根據情況選擇不同靈敏度。
結論
高SNR電容型觸摸屏控制器帶有很多優勢，它可以滿足如書寫筆，小手指和手套等廣泛的設計和應用要求。它可以幫助改善觸摸精度而不需要專門的ITO傳感器樣式或增加傳感器通道。它可以滿足各種顯示器及不同背光燈的要求，同時保持很好的觸摸性能，它為傳感器設計和生產提供了更靈活的選擇。使觸控系統可以工作在強噪聲環境中，并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。最后，從性能的觀點來看，它提供了精確的觸摸精度?？傊?，高SNR觸摸屏控制器能幫助終端用戶實現更可靠的應用。
參考文獻
G. Barrett and R. Omote, "Projected-Capacitive Touch Technology," Information Display, Vol. 26, No. 3, March 2010, pp 16-21.
T. Nezu, "Mitsubishi Demos '3D Touch Panel,'" Tech-On!, March 11, 2009.
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