電容式觸摸屏點(diǎn)出精彩世界

iPhone可能是2007年采用了觸摸屏的最高端手機(jī)產(chǎn)品。在2008年，60多款其它型號(hào)的手機(jī)也將采用觸摸屏技術(shù)，而2009年還將有100多款新手機(jī)采用觸摸屏技術(shù)。觸摸屏將在手機(jī)上變得如此普及，以致于我們預(yù)計(jì)到2012年帶觸摸屏的手機(jī)將達(dá)到5億部左右。與此同時(shí)，即便是低端手機(jī)型號(hào)也將增加觸摸按鍵、滑動(dòng)條和旋轉(zhuǎn)輪的使用。當(dāng)然，手機(jī)只是其中的一個(gè)應(yīng)用，觸摸屏技術(shù)正在迅速滲透的其它一些應(yīng)用還包括PDA、PC、GPS系統(tǒng)和家用電器。

今天，精心設(shè)計(jì)的觸摸屏使用起來是一種享受。該技術(shù)帶來了新穎的、富有吸引力的和簡(jiǎn)單易用的人機(jī)接口，而且這樣的接口能很容易地進(jìn)行改進(jìn)和更新，以實(shí)現(xiàn)新的特性或系統(tǒng)功能。為響應(yīng)不斷改變的消費(fèi)需求而做出的設(shè)計(jì)更改，只需要對(duì)軟件做出一些修改就可以了。最重要的是，最新的觸摸屏產(chǎn)品即便在有射頻干擾的環(huán)境下也能穩(wěn)定可靠地工作。

走近觸摸屏

今天的電氣和電子設(shè)備采用了以下5種類型的觸摸屏技術(shù)：電阻式、表面電容式、投射電容式、表面聲波式和紅外線式。其中前三種適合用于移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)電子產(chǎn)品，后兩種技術(shù)做出的觸摸屏不是太昂貴就是體積太大，因此不適合上述應(yīng)用。采用以上任何一種觸摸屏技術(shù)的系統(tǒng)都由一個(gè)感應(yīng)裝置、它與電子控制電路的互連裝置和控制電路本身構(gòu)成。

電阻式觸摸屏（見圖1）從技術(shù)角度來講可能并不算真正的‘觸摸’屏，因?yàn)樗枰欢ǖ膲毫Σ拍芗せ?。這點(diǎn)與真正的觸摸接口是不同的，因?yàn)橛行┯|摸屏甚至只需將手指靠近就能感應(yīng)到。電阻式觸摸屏采用了三明治架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，上下兩層是印刷在塑料（PET）薄膜上的導(dǎo)電性銦錫氧化物(ITO)，中間隔以空氣。

該空氣隙由很多微小的間隔器來保持。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)電層被手指（或鐵筆）壓到一起時(shí)才算是完成了一次‘觸摸’，而觸摸的位置通過測(cè)量X軸和Y軸上的電壓比就可檢測(cè)出來。根據(jù)采用多少根線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鬟M(jìn)行處理，電阻式觸摸屏可分為四線、五線、六線和八線版本。電阻式觸摸屏成本低廉，已經(jīng)廣泛地在大批量應(yīng)用中得到了采用。

不過，該技術(shù)固有的不足已經(jīng)限制了它無法得到業(yè)界的普遍認(rèn)可。這些不足包括機(jī)械性弱點(diǎn)、有限的工業(yè)設(shè)計(jì)選擇、在大多數(shù)應(yīng)用中需要一個(gè)斜面、觸摸屏的厚度、糟糕的光學(xué)性能和需要用戶校準(zhǔn)。使用電阻式觸摸屏技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)接近檢測(cè)（即在手指靠近屏幕時(shí)便能感應(yīng)到），也不能實(shí)現(xiàn)多指檢測(cè)。而這兩種選項(xiàng)現(xiàn)在都是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師所需要的。

圖1：電阻式觸摸屏成本很低，但有很多設(shè)計(jì)局限性


表面電容式觸摸屏（圖2）采用了一個(gè)普通的ITO層和一個(gè)金屬邊框。電場(chǎng)幾乎直線穿過ITO層，當(dāng)一根手指觸摸屏幕時(shí)，它會(huì)從面板中放出電荷。感應(yīng)在觸摸屏的四個(gè)角完成，不需要復(fù)雜的ITO圖案。這類型觸摸屏的一個(gè)最著名ITO圖案是由WilliamPepper設(shè)計(jì)的，他在1978年為他的設(shè)計(jì)圖案申請(qǐng)了專利。這一圖案奠定了Microtouch公司(現(xiàn)在的3M公司)賣出的表面電容式觸摸屏產(chǎn)品的基礎(chǔ)。

使用在面板背面的表面電容式觸摸技術(shù)的企圖總是遇到‘手影效應(yīng)’，這一現(xiàn)象會(huì)給觸摸屏帶來很大的感應(yīng)誤差，因?yàn)榭拷姘宓挠脩羰趾屯髸?huì)產(chǎn)生電容性耦合問題，而且由于靠近的角度和距離相當(dāng)隨意而導(dǎo)致不確定的耦合電容值。由于表面電容式觸摸屏采用的是均勻的ITO層，因此它們無法抑制這些錯(cuò)誤信號(hào)，因?yàn)樗鼈円押蛯?shí)際觸摸信號(hào)纏繞在三維信號(hào)空間。如果不將ITO排成行和列，那么在面板的背面使用表面電容式觸摸技術(shù)的企圖肯定會(huì)失敗。

圖2：表面電容式觸摸屏上的普通ITO傳感器電極很容易損壞，而且由于手影效應(yīng)而無法抑制錯(cuò)誤觸發(fā)信號(hào)


投射電容式觸摸技術(shù)正在促進(jìn)觸摸屏在消費(fèi)電子中的應(yīng)用。它需要1個(gè)或多個(gè)精心設(shè)計(jì)的、被蝕刻的ITO層，但可比其它觸摸技術(shù)提供更多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這些ITO層通過蝕刻形成多個(gè)水平和垂直電極，所有這些電極都由一個(gè)電容式感應(yīng)芯片來驅(qū)動(dòng)。該芯片既能將數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)主處理器，也能自己處理觸摸點(diǎn)的XY軸位置。

通常，水平和垂直電極都通過單端感應(yīng)方法來驅(qū)動(dòng)，也就是說一行和一列的驅(qū)動(dòng)電路沒有什么區(qū)別，我們把這稱為‘單端’感應(yīng)。不過，在一些方法中，一根軸通過一套AC信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，而穿過觸摸屏的響應(yīng)則通過其它軸上的電極感測(cè)出來。我們把這稱為‘橫穿式’感應(yīng)，因?yàn)殡妶?chǎng)是以橫穿的方式通過上層面板的電介層從一個(gè)電極組（如行）傳遞到另一個(gè)電極組（如列）。

圖3：投射式觸摸屏技術(shù)包括通過清晰的蝕刻的ITO圖案沿著X軸和Y軸進(jìn)行感應(yīng)


在任何一種情況下，位置都是通過測(cè)量X電極和Y電極之間信號(hào)改變量的分配來確定的，隨后會(huì)使用數(shù)學(xué)算法處理這些已改變的信號(hào)水平，以確定觸摸點(diǎn)的XY坐標(biāo)。目前分辨率高達(dá)1024x1024和厚度高達(dá)5mm的這種觸摸屏已經(jīng)進(jìn)行了公開演示。

電容式觸摸屏值得注意的一個(gè)問題就是，LCD本身非?？拷麵TO層，如果沒有在氣密堆疊時(shí)事實(shí)上接合到一起的話。由于它不停地掃描象素，因此它總是不變地散發(fā)出大量的電氣噪音。這一最大頻率可以達(dá)到20kHz的噪音在幾乎所有情況下都要求，在ITO感應(yīng)電極和LCD模塊之間安裝一個(gè)屏蔽層。這意味著在通常情況下電容式觸摸屏需要有3個(gè)ITO層：兩個(gè)用于XY感應(yīng)矩陣，一個(gè)用來進(jìn)行噪音屏蔽，而這一屏蔽ITO層意味著更高的成本和更低的透明度。

其結(jié)果是，大多數(shù)觸摸屏供應(yīng)商都采用至少兩個(gè)ITO感應(yīng)層和一個(gè)屏蔽層來實(shí)現(xiàn)無噪音工作。值得注意的是，QuantumResearchGroup現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了一種不需要屏蔽層的獨(dú)特單層投射式XY矩陣設(shè)計(jì)，并將于2008下半年公開上市。目前一家主要手機(jī)制造商已經(jīng)在其進(jìn)入生產(chǎn)階段的三款手機(jī)產(chǎn)品中采用了這一設(shè)計(jì)。

當(dāng)只使用一層ITO時(shí)，成本可以大幅下降，層堆疊厚度可以變薄，透明度會(huì)得到改善，背光功率要求也會(huì)降低。更重要的是，單層ITO技術(shù)也使得可制造性得到大幅改善。

觸摸屏應(yīng)用領(lǐng)域的另一熱點(diǎn)話題是‘多指觸摸’，即觸摸屏能夠同時(shí)感應(yīng)到多個(gè)點(diǎn)的觸摸，這一性能由于在蘋果的iPhone上得到了實(shí)現(xiàn)而變得很流行。表面電容式觸摸屏在同一時(shí)間無法感應(yīng)到多指觸摸，因?yàn)樗捎昧艘粋€(gè)同質(zhì)的感應(yīng)層，而這種感應(yīng)層只會(huì)將觸摸屏上任何位置感應(yīng)到的所有信號(hào)匯聚成一個(gè)更大的信號(hào)。同質(zhì)層破壞了太多的信息，以致于無法感應(yīng)到多指觸摸。

不過，雙層投射電容式觸摸屏可以識(shí)別兩指觸摸，盡管單端變量無法充分地區(qū)分開兩指觸摸，并在整個(gè)屏上單獨(dú)跟蹤它們。再增加一個(gè)感應(yīng)層可以解決剩下的模糊性問題，但這樣會(huì)極大地提高成本。而使用橫穿感應(yīng)方法的雙層投射電容式觸摸屏則在理論上能非常清晰地識(shí)別兩指或多指觸摸，并獨(dú)立在整個(gè)屏幕上跟蹤每個(gè)觸摸點(diǎn)。

與電阻式和表面電容式觸摸屏不一樣，投射電容式觸摸屏不需要經(jīng)?；蛴捎脩暨M(jìn)行校準(zhǔn)，甚至在工廠中也不需要，因?yàn)槠潆姌O結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了屏幕的響應(yīng)，而這些都是固定的。同質(zhì)觸摸屏技術(shù)經(jīng)常需要反復(fù)進(jìn)行實(shí)質(zhì)補(bǔ)償，因?yàn)槠浔砻骐娮钑?huì)隨著時(shí)間的推移而變得品質(zhì)下降和不均勻。

基于投射式電容技術(shù)創(chuàng)建一款有吸引力的、功能可靠的和穩(wěn)定的觸摸屏，包括選擇正確的基本技術(shù)，以及選擇由哪一家供應(yīng)商來提供這一技術(shù)。有些供應(yīng)商提供交鑰匙解決方案，該方案由一個(gè)控制器和一個(gè)觸摸屏感應(yīng)單元組成，且它們常常被集成在一起。有些供應(yīng)商提供芯片方案，并在ITO薄膜的設(shè)計(jì)和選擇過程中提供技術(shù)支持。

在這一發(fā)展中市場(chǎng)上，供應(yīng)鏈的選擇包含許多超越上述技術(shù)的權(quán)衡，關(guān)鍵的權(quán)衡因素包括：薄膜供應(yīng)的多源化能力、可制造性、質(zhì)量控制和測(cè)試。即便到了最后的工序，即將薄膜層壓到最終產(chǎn)品上，也需要非常小心，因?yàn)檫@是一個(gè)由于壓力不當(dāng)和層壓工藝不夠精確而容易引入許多錯(cuò)誤的關(guān)鍵步驟。

投射電容式觸摸屏正是我們需要的方案。這種觸摸屏解決了之前各種觸摸屏的許多問題，目前至少兩家芯片供應(yīng)商已經(jīng)可以提供這一技術(shù)。正確供應(yīng)商的選擇將取決于設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，以及成本和供應(yīng)鏈管理要求，而后兩者剛剛現(xiàn)在才開始成為重要的選擇因素。