電容式觸控技術(shù)之電荷轉(zhuǎn)移橫向模式技術(shù)

1、    電容式觸控技術(shù)之電荷轉(zhuǎn)移橫向模式技術(shù)電容式觸控面板若采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)中的橫向模式方案,則更可解決電容式觸控屏幕噪聲與噪訊比的問題,從而開發(fā)更具優(yōu)勢的電容式觸控屏幕. 在技術(shù)層面上,觸控屏幕早在數(shù)10年前就已確實可行,但早期技術(shù)并不適用于低成本的大眾市場應(yīng)用,這些技術(shù)包括紅外線系統(tǒng)與表面聲波感測系統(tǒng),由于紅外線系統(tǒng)采用由水平和垂直兩個方向構(gòu)成的傳感器數(shù)組,用以檢測使用者的手指是否靠近屏幕表面,而阻斷經(jīng)過調(diào)制的光束,而表面聲波傳感器,因手指接近屏幕電容式觸控面板若采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)中的橫向模式方案,則更可解決電容式觸控屏幕噪聲與噪訊比的問題,從而開發(fā)更

2、具優(yōu)勢的電容式觸控屏幕.       在技術(shù)層面上,觸控屏幕早在數(shù)10年前就已確實可行,但早期技術(shù)并不適用于低成本的大眾市場應(yīng)用,這些技術(shù)包括紅外線系統(tǒng)與表面聲波感測系統(tǒng),由于紅外線系統(tǒng)采用由水平和垂直兩個方向構(gòu)成的傳感器數(shù)組,用以檢測使用者的手指是否靠近屏幕表面,而阻斷經(jīng)過調(diào)制的光束,而表面聲波傳感器,因手指接近屏幕表面時會吸收聲波,因此該技術(shù)可根據(jù)聲波的變化確定是否有手指觸及屏幕.    除上述提到的技術(shù)之外,還有幾種其它技術(shù),不過目前的主流趨勢是電阻式和電容式感測,這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢,但最新的電容

3、式控制IC不單能簡化單觸控應(yīng)用,而且還可以實現(xiàn)電阻式感測系統(tǒng)無法提供的多指觸控功能.    電阻式觸控面板 囿于架構(gòu)而導(dǎo)致諸多缺點    電阻式觸控屏幕已擺脫從1970年代就存在的專利限制桎梏,這種技術(shù)的工作原理很簡單,主要部分是由兩層微小空氣隙隔離的透明電阻材料組成,一般是淀積在塑料膜和玻璃基板上的氧化銦錫(ITO),其中,頂層是軟性的(Flexible),而低層是硬性的(Rigid),中間有許多細(xì)小的透明間隔點以隔離兩個導(dǎo)電層(圖1),當(dāng)用戶手指按壓頂層時,在接觸點形成電壓梯度時,電子控制組件會對之進(jìn)行感測,并計算出X、Y坐標(biāo)的位

4、置.    圖1:電阻式觸控面板原理示意    圖2:電阻式觸控屏幕電極正交電位計    在最簡單的四線(Four-wire)電阻式連接中,頂層兩端和低層兩端分別各連接兩個電極,兩層的電極互相呈九十度交叉,形成四線星狀連接結(jié)構(gòu),這實際上就是一對彼此正交的電位計(圖2),相當(dāng)于機(jī)械操縱桿的平面屏幕模擬. 為了在X軸方向測量觸摸位置,觸控板的控制器將X-設(shè)為接地,而X+偏置為參考電壓,然后從Y層的兩端讀取電壓,以找出X軸上兩層的接觸點.同樣地,控制器透過在Y層的電極上加載驅(qū)動電壓,并從X層讀取觸摸點電壓,可以

5、確定Y軸上的觸摸位置.    電阻式技術(shù)的主要優(yōu)勢在于其接口電子結(jié)構(gòu)很簡單,控制器只須在一對電極上加載參考電壓,同時測量另一對電極間的電勢即可,而這一點利用片上(On-chip)金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFET)開關(guān)、模擬多路器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)就可輕松做到.若ADC進(jìn)行差分測量,測量結(jié)果實際上成為比率計(Radiometric),可使用Vcc和接地作激勵(Stimulus),透過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計,就完全有可能獲得4,096×4,096的分辨率.    相反地,這種技術(shù)的主要缺點源于觸控屏幕的多層結(jié)構(gòu).其基層一般是

6、玻璃,表面涂有一層均勻的ITO,頂層通常由聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)制造,內(nèi)表面(Inner Surface)也涂有一層均勻的ITO,而外表面(Outer Surface)則有硬涂層,以為保護(hù)作用,而形成空氣隙以把這些導(dǎo)電層隔離開的細(xì)小透明間隔點常在打印制程中產(chǎn)生.這種多層材料堆棧的多層結(jié)構(gòu)對透光性有所影響,一般將降至約透明玻璃透光率的75%,同時,空氣間隙可能產(chǎn)生薄霧效應(yīng),進(jìn)一步降低清晰度.此外,這種結(jié)構(gòu)很容易刮傷損壞,而且因為機(jī)械軸性不重合,還須仔細(xì)校準(zhǔn)以確定X、Y坐標(biāo)范圍,其它弱點還包括可能吸收電氣噪聲,尤其是來自液晶顯示器(LCD),這時一般須進(jìn)行濾波,將導(dǎo)致反應(yīng)時間的延長,當(dāng)然,控

7、制器一次只能處理一個觸摸位置,也是一大局限.    利用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)解決應(yīng)用挑戰(zhàn)    由于電阻式觸控屏幕存在缺陷和局限性,許多設(shè)計人員已轉(zhuǎn)向投射式電容感測技術(shù).這種技術(shù)在IC形式上分為好幾種電路,主要包括容抗(RC)時間常數(shù)測量電路,如弛張振蕩器、直流(AC)電流測量組件,以及電荷轉(zhuǎn)移(Charge-transfer)組件.電荷轉(zhuǎn)移組件又分為單端模式(Single-ended)和橫向模式(Transverse-mode),選擇上述任何一種方法,利用在兩層或更多迭層上的電極行列數(shù)組,都可以實現(xiàn)觸控屏幕.  

8、0; RC時間常數(shù)技術(shù)的基本原理是,當(dāng)電容組件C隨手指觸摸改變時,電極區(qū)域充電或放電所需的時間也隨之改變.測量充/放電期間的變化可得到C的變化,因為C是未知,所以假設(shè)為Cx,這種方法有許多變化形式,可測量頻率或時間、可自由運行或以單周期為基礎(chǔ).RC時間常數(shù)測量的缺點是速度較慢,并易受泄漏電流干擾,其動態(tài)范圍也非常有限,很難校準(zhǔn),而且容易受到恒定漂移問題的影響.此外,由于其電路的高阻抗特性,所以也極易受外界噪聲干擾,盡管如此,仍有部分觸控屏幕采用這種方案.    至于AC電流測量方法,由一個AC電壓源驅(qū)動阻抗,繼而驅(qū)動Cx,故測量阻抗產(chǎn)生的電壓就可確定Cx的值.這些

9、電路也有很多和RC電路相同的局限性,不過前者的驅(qū)動阻抗一般較低,然而其須利用放大器恢復(fù)串聯(lián)阻抗產(chǎn)生的小電壓,但訊噪比等方面的問題又隨之而來,這種方法在觸控屏幕中已有一定運用,尤其是在帶低阻抗邊沿的前表面板中.    和RC及AC技術(shù)相同,單端電荷轉(zhuǎn)移電容傳感器也是在每個感測通道采用一個電極板,但不依賴于時序測量或放大器,而是采用互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開關(guān)把電荷泵入Cx,并把電荷轉(zhuǎn)移到一個參考采樣電容(Cs)中.透過計算Cs達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓值所需的周期數(shù),就可很容易求得電荷電平,且這個周期數(shù)與Cx成反比.眾所周知,電荷轉(zhuǎn)移方法有助于抑制泄漏電流的影響,

10、而且由于其采用一個很大的Cs作為檢測器,這個檢測器相當(dāng)于對外界的一個低阻抗,故其抗外部電氣噪聲的能力非常強(qiáng).    與之相反,橫向模式電荷轉(zhuǎn)移感測是每個感測元素都采用兩個電極.基本上,其電氣行為與單端電荷轉(zhuǎn)移感測相同,但這些電路在發(fā)送/接收矩陣中采用電極數(shù)組創(chuàng)造觸控屏幕功能.該方案的優(yōu)點是其需要的布線較少,更甚之能同時識別和區(qū)分多個觸點之間的差異,單端電路也可感測多個觸點,不過由于訊號本身模糊,故不能區(qū)分.此外,橫向模式方案還有速度快和功耗低的優(yōu)勢,因為其能同時測量一條驅(qū)動線路上的所有節(jié)點,所以可減少50%的采集周期數(shù).這種雙電極式結(jié)構(gòu)具有自我屏蔽外部噪聲的功能,

11、在定功率級上可提高訊號穩(wěn)定性,因此,量研科技(Quantum Research)一直將橫向模式感測技術(shù)作為驅(qū)動觸控屏幕的主要方案,利用高載模式采樣、擴(kuò)頻調(diào)制及數(shù)字訊號處理等各種增強(qiáng)型技術(shù)的結(jié)合,促成抗噪聲源干擾能力強(qiáng),即使在惡劣環(huán)境下也較穩(wěn)健的解決方案.    在電氣方面,橫向模式感測的工作原理非常類似于T橋衰減器電路,使用者的手指實際上相當(dāng)于一對電容之間的Cx項(圖3).手指觸控屏幕表面吸收驅(qū)動電極和接收電極之間的耦合電荷,電荷經(jīng)由大量雜散電容路徑返回至電路的接地,這會降低訊號的強(qiáng)度,而降低的程度很容易且可靠地測出.    圖3:橫

12、向模式感測的工作原理    盡管功耗極低,橫向模式傳感器卻容易可穿過好幾毫米厚的塑料、玻璃及其它材料,檢測出使用多手指觸摸,電極可由任何導(dǎo)電材料制作而成,如ITO,而且?guī)缀跞魏纬叽绾托螤疃伎梢?噪聲消除算法可幫助這些傳感器消除LCD等模塊產(chǎn)生的噪聲,通常毋需單獨的屏蔽層,從而提高顯示器的光傳輸性能,同時降低產(chǎn)品的建構(gòu)成本和背光功率的要求,而廠商推出的QMatrix橫向模式電路采用一種雙斜坡轉(zhuǎn)換形式,可確保電路對時間和溫度的變化具有高度穩(wěn)定性(圖4).    圖4:QMatrix橫向模式電路示意圖    廠

13、商發(fā)展的芯片透過與驅(qū)動脈沖同步開關(guān)的采樣電容收集耦合到接收電極中的訊號,并利用一個脈沖串改進(jìn)訊噪比,每個脈沖串的脈沖數(shù)量將直接影響電路的增益,因此,可方便調(diào)整電路增益,使其適合于不同的面板材料、按鍵尺寸和面板厚度.    脈沖串產(chǎn)生的第一個斜坡是加到采樣電容上的梯級波形訊號,脈沖串過后,驅(qū)動器把斜率電阻的參考端切換為高電平,對采樣電容進(jìn)行放電,直到將電荷用完,電壓比較器檢測出零交叉點為止,獲得零交叉點所需的斜坡時間與X、Y電荷耦合成比例,并隨用戶手指觸摸面板表面而減小(圖5).    圖5:零交叉點所需的斜坡時間與X、Y電荷耦合比例圖

14、    這種自動調(diào)零行為讓電路對工作電壓和電路參數(shù),如Cs值的變化具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力.該項技術(shù)還提供潮濕抑制及固有的抗射頻(RF)干擾能力,這是其它電容方法無法望其項背的部分,如面板表面若存在水珠之類的局部水膜,將使訊號耦合略微增加;而使用者手指的觸摸則會使耦合減小.這意味著少量的潮濕會造成錯誤的方向變化,導(dǎo)致誤觸發(fā),這是令其它解決方案感到頭疼的問題.潮濕水膜的出現(xiàn)可能引開電荷,但由于水膜的建模模型是一個依賴于時間特性的分布式RC網(wǎng)絡(luò),電荷收集中門控時間的使用(微秒數(shù)量級或更短)抑制水膜的影響.    單層觸控屏幕崛起 &#

15、160;  由于組件可以在片上執(zhí)行所有訊號調(diào)節(jié)任務(wù),故只需少量離散式電阻與電容,再加上一個簡單的序列接口,如I2C即可.從軟件程序設(shè)計人員的角度來看,組件擁有簡單的命令集(Command Set)和用于不同寄存器的儲存映像結(jié)構(gòu),這樣一來,設(shè)計人員的主要任務(wù)就簡化為設(shè)計感測矩陣和編寫接口代碼.投射式電容觸控屏幕需要一個X、Y透明電極矩陣(圖6),以精確確定手指的位置.    圖6:投射式電容觸控屏幕所需之X、Y透明電極矩陣    上述通常需要在玻璃或塑料涂敷的透鏡后迭壓兩層或兩層以上的ITO,由于每增加一層就會增加成本,并降低

16、9%的透光性,因此應(yīng)該盡可能減少層數(shù).雖然廠商的觸控屏幕芯片完全能支持多層鉆石型圖案,但這些芯片也可采用專有的單層膜技術(shù).相較多層技術(shù),單層膜電極的透明度要高得多、薄得多,成本也低得多,這些優(yōu)點自然使其大受設(shè)計人員青睞.    雙軸多觸點技術(shù)面世    利用單層膜同步執(zhí)行雙觸點檢測也是可行的,但若采用能夠同時解決多觸點事件的雙層技術(shù),性能便會好得多.如圖7顯示在一個實驗室測試模型中使用者用三根指頭和大拇指時,電場的三維測量結(jié)果.    圖7:使用多手指時電場三維測量結(jié)果    透過連接一個放在六電極Y層上的八電極X層,控制器可支持大至8寸的雙觸控屏幕,而且這種多功能控制器能感測多達(dá)六個滑塊或四十八個離散式按鍵,或按鍵、滑塊與觸摸區(qū)域的組合,該控制器為接腳數(shù)精簡的版本,利用類似的簡單布線圖(圖8),能夠驅(qū)動八條X軸和接收四條Y軸,或區(qū)分多達(dá)三十二個離散式按鍵.    圖8:控制器電路圖    而直接影響增益的斜率電阻器一般在1m數(shù)量級,X和Y方向上可選配的電阻器能改善電磁兼容(EMC)性能和抗靜電放電(ESD)能力,典型值在120k范圍.除了控制器外,廠商