電容式觸控電荷轉移橫向模式技術

目前電阻式觸控面板由于其多層材料堆棧架構的限制，使其在透光度與計算手指位置的精確度上不若電容式觸控面板來得好，電容式觸控面板若采用電荷轉移技術中的橫向模式方案，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。

　　由于觸控屏幕反應迅速，而且是直觀式操作，因此正迅速被各類消費電子產品和交通售票系統(tǒng)等工業(yè)及商業(yè)設備選為使用者接口。

　　在技術層面上，觸控屏幕早在數(shù)10年前就已確實可行，但早期技術并不適用于低成本的大眾市場應用，這些技術包括紅外線系統(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。

　　除上述提到的技術之外，還有幾種其它技術，不過目前的主流趨勢是電阻式和電容式感測，這兩種技術都有其優(yōu)勢，但最新的電容式控制IC不單能簡化單觸控應用，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　囿于架構而導致諸多缺點

　　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），中間有許多細小的透明間隔點以隔離兩個導電層（圖1），當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行感測，并計算出X、Y坐標的位置。

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構，這實際上就是一對彼此正交的電位計（圖2），相當于機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層的電極上加載驅動電壓，并從X層讀取觸摸點電壓，可以確定Y軸上的觸摸位置。

　　這種技術的變化形包括五線系統(tǒng)，基板帶有ITO涂層，四邊都有電極。軟性隔膜為第五個電極，當用戶手指壓按時，控制器可測量出X和Y軸的電壓，從而確定觸摸的位置。這種排列通?？商峁┍人木€結構更佳的穩(wěn)定性和更長的壽命。其它變化還有適用于大型屏幕、分辨率更高的六線和八線系統(tǒng)。

　　電阻式技術的主要優(yōu)勢在于其接口電子結構很簡單，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）金屬氧化物半導體場效晶體管（MOSFET）開關、模擬多路器和模擬數(shù)字轉換器（ADC）就可輕松做到。若ADC進行差分測量，測量結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?shù)脑O計，就完全有可能獲得4，09*，096的分辨率。

　　相反地，這種技術的主要缺點源于觸控屏幕的多層結構。其基層一般是玻璃，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，以為保護作用，而形成空氣隙以把這些導電層隔離開的細小透明間隔點常在打印制程中產生。這種多層材料堆棧的多層結構對透光性有所影響，一般將降至約透明玻璃透光率的75%，同時，空氣間隙可能產生薄霧效應，進一步降低清晰度。此外，這種結構很容易刮傷損壞，而且因為機械軸性不重合，還須仔細校準以確定X、Y坐標范圍，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），這時一般須進行濾波，將導致反應時間的延長，當然，控制器一次只能處理一個觸摸位置，也是一大局限。

　　利用電荷轉移技術解決應用挑戰(zhàn)

　　由于電阻式觸控屏幕存在缺陷和局限性，許多設計人員已轉向投射式電容感測技術。這種技術在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，以及電荷轉移（Charge-transfer）組件。電荷轉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。

　　RC時間常數(shù)技術的基本原理是，當電容組件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。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，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電壓源驅動阻抗，繼而驅動Cx，故測量阻抗產生的電壓就可確定Cx的值。這些電路也有很多和RC電路相同的局限性，不過前者的驅動阻抗一般較低，然而其須利用放大器恢復串聯(lián)阻抗產生的小電壓，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技術相同，單端電荷轉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體（CMOS）開關把電荷泵入Cx，并把電荷轉移到一個參考采樣電容（Cs）中。透過計算Cs達到預先設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，電荷轉移方法有助于抑制泄漏電流的影響，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。