中心議題：

• 感應電容型觸摸屏設計與應用挑戰
• 從控制器角度看感應電容觸控系統

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：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)² = 20log10(RMSS/RMSN)

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

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。[2]

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。