互電容式觸控技術(shù)淺析

投射電容屏觸摸檢測原理

投射電容屏可分為自電容屏和互電容屏兩種類型。在玻璃表面用ITO(一種透明的導(dǎo)電材料)制作成橫向與縱向電極陣列，這些橫向和縱向的電極分別與地構(gòu)成電容，這個電容就是通常所說的自電容，也就是電極對地的電容。當(dāng)手指觸摸到電容屏?xí)r，手指的電容將會疊加到屏體電容上，使屏體電容量增加。

在觸摸檢測時，自電容屏依次分別檢測橫向與縱向電極陣列，根據(jù)觸摸前后電容的變化，分別確定橫向坐標(biāo)和縱向坐標(biāo)，然后組合成平面的觸摸坐標(biāo)。自電容的掃描方式，相當(dāng)于把觸摸屏上的觸摸點(diǎn)分別投影到X軸和Y軸方向，然后分別在X軸和Y軸方向計(jì)算出坐標(biāo)，最后組合成觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。

如果是單點(diǎn)觸摸，則在X軸和Y軸方向的投影都是唯一的，組合出的坐標(biāo)也是唯一的；如果在觸摸屏上有兩點(diǎn)觸摸并且這兩點(diǎn)不在同一X方向或者同一Y方向，則在X和Y方向分別有兩個投影，則組合出4個坐標(biāo)。顯然，只有兩個坐標(biāo)是真實(shí)的，另外兩個就是俗稱的”鬼點(diǎn)”。因此，自電容屏無法實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)觸摸。

互電容屏也是在玻璃表面用ITO制作橫向電極與縱向電極，它與自電容屏的區(qū)別在于，兩組電極交叉的地方將會形成電容，也即這兩組電極分別構(gòu)成了電容的兩極。當(dāng)手指觸摸到電容屏?xí)r，影響了觸摸點(diǎn)附近兩個電極之間的耦合，從而改變了這兩個電極之間的電容量。檢測互電容大小時，橫向的電極依次發(fā)出激勵信號，縱向的所有電極同時接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點(diǎn)的電容值大小，即整個觸摸屏的二維平面的電容大小。根據(jù)觸摸屏二維電容變化量數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出每一個觸摸點(diǎn)的坐標(biāo)。因此，屏上即使有多個觸摸點(diǎn)，也能計(jì)算出每個觸摸點(diǎn)的真實(shí)坐標(biāo)。

圖1、 自電容鬼影的產(chǎn)生機(jī)理。

FocalTech互電容解決方案

敦泰科技(FocalTech)是較早開始互電容式觸摸屏技術(shù)研究和開發(fā)的公司之一，在互電容領(lǐng)域擁有數(shù)十項(xiàng)國內(nèi)國際專利，包括互電容式觸摸屏體的設(shè)計(jì)，互電容式觸摸檢測電路、觸摸檢測算法、環(huán)境自適應(yīng)算法等技術(shù)。利用FocalTech自有專利技術(shù)，可以大幅提升互電容觸摸屏的以下性能：

1) 抗電磁干擾能力

抗電磁干擾是容式觸摸屏系統(tǒng)性能最關(guān)鍵的因素。從2007年起，即有公司開始提供自電容方案的電容式觸摸屏技術(shù)，但由于抗電磁干擾設(shè)計(jì)較差，經(jīng)常發(fā)生來電時無法接電話，或者通話結(jié)束時無法掛電話的情況。再加上環(huán)境變化時觸摸屏失效頻繁，造成了多個電容式觸摸屏手機(jī)項(xiàng)目失敗，甚至間接引起一些方案公司的倒閉。Focaltech借鑒了現(xiàn)代無線通信領(lǐng)域的跳頻技術(shù)，同時提高了TX的發(fā)送功率，在提高系統(tǒng)信噪比的同時有效抑制了電磁干擾。

2) 信噪比(SNR)

SNR定義為指接收到的信號功率和噪聲功率的比值。SNR是觸摸屏系統(tǒng)性能另一個關(guān)鍵因素，其高低直接決定了觸摸的精度、線性度和分辨率等性能好壞。FocalTech主要通過三個途徑提高SNR。首先是提高信號發(fā)送功率。提高了信號發(fā)送信號功率，相應(yīng)的就提高了接收到信號的功率，從而增加了SNR。其次，降低噪聲也是一個有效的方法。FocalTech提供觸摸屏設(shè)計(jì)方案，這些方案都做了非常好的屏蔽設(shè)計(jì)，例如在觸摸屏底部靠LCD一側(cè)增加地平面，在屏體四周增加地線隔離等。這些措施可有效降低噪聲的功率。還有一個辦法就是提高觸摸引起的電容變化量。觸摸電容變化量，正比于信號功率。即觸摸變化量越大，則檢測到的信號功率越大。FTS獨(dú)有的觸摸屏專利技術(shù)，能大大提高觸摸引起的電容變化率，通常能達(dá)到30%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于iPhone所采用的觸摸屏僅為18%的變化量。

3) 環(huán)境適應(yīng)性

自動適應(yīng)環(huán)境變化，對觸摸屏系統(tǒng)亦十分重要。觸摸屏直接暴露在空氣中，空氣的溫度、濕度都會影響觸摸屏體的電容大小。而觸摸屏表面的水滴，則有可能直接造成誤觸摸。一個良好的設(shè)計(jì)，必須能在非常大范圍能適應(yīng)環(huán)境溫度濕度的變化，并且在有少量水的條件下，能正常進(jìn)行觸摸。FocalTech專門開發(fā)了環(huán)境自適應(yīng)算法，并配合相應(yīng)的觸摸屏體設(shè)計(jì)，已經(jīng)完全解決了環(huán)境變化對觸摸屏影響問題。

4) 功耗

對于便攜式設(shè)備而言，功耗也非常關(guān)鍵。而互電容技術(shù)采用了二維檢測而不是自電容的一維檢測，大大增加了檢測電路的功耗和后期處理數(shù)據(jù)的功耗。通常而言，相同規(guī)格的觸摸屏，互電容技術(shù)功耗為自電容技術(shù)的2~3倍。因此，降低功耗變得十分關(guān)鍵。FocalTech同時采用了多項(xiàng)技術(shù)來降低功耗。在IC設(shè)計(jì)時，把功耗列為約束第一位，如采用低功耗結(jié)構(gòu)、低功耗工藝、增加硬件加速器等。在坐標(biāo)計(jì)算中，F(xiàn)ocalTech開發(fā)出了快速坐標(biāo)計(jì)算方案，可簡化計(jì)算量，大大降低了數(shù)據(jù)后期處理的時間和功耗。此外，還設(shè)計(jì)了多個功耗模式，系統(tǒng)可以靈活使用這些模式，降低整體使用功耗。根據(jù)實(shí)測，F(xiàn)ocalTech的方案功耗僅為同類方案功耗的一半左右。

圖2、 FocalTech觸控芯片基本架構(gòu)。

技術(shù)和市場發(fā)展趨勢

隨著研究的深入，互電容技術(shù)不斷成熟，其基本功能、基本架構(gòu)都已經(jīng)確定，將來的發(fā)展主要集中在細(xì)部優(yōu)化，比如進(jìn)一步提高信噪比、改善觸摸精度（特別是邊沿的精度）、降低功耗、增加適應(yīng)環(huán)境變化的能力、提高掃描速度、多點(diǎn)ID識別、多點(diǎn)應(yīng)用開發(fā)，減少懸空觸摸影響等。

目前互電容式觸摸屏在歐美市場已經(jīng)成為主流，出貨量不斷攀升，這也極大促進(jìn)電容式觸摸屏產(chǎn)業(yè)鏈的完善。隨著產(chǎn)業(yè)鏈的逐步完善，眾多供應(yīng)商的加入，新材料、新技術(shù)和新工藝的應(yīng)用，也帶來各項(xiàng)成本的下降，從而降低整體模組的價格。一些電容觸摸屏模組大廠預(yù)測，在2011年，完成電極刻蝕的ITO玻璃的價格將降到0.3~0.5美元/英寸，不到現(xiàn)在價格的一半；目前，深圳一些小廠的出貨價已經(jīng)非常接近這個區(qū)間。我們預(yù)計(jì)，電容式觸摸屏將來會有明顯的降價，在2011年，3.5’’的模組的價格可降到5~6美元；而一些低端產(chǎn)品，更有可能達(dá)到4美元左右，甚至更低。屆時，電容屏將大幅擠占目前電阻屏的市場，無論品牌機(jī)或是山寨機(jī)市場，電容屏都將成為主流。