本文介紹了將投射電容式觸摸集成到設(shè)備中時(shí)必須面對(duì)的許多設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)，尤其著重于控制器信噪比的重要性。
我們現(xiàn)在生活在一代智能手機(jī)中，其中一部手機(jī)包含許多功能，有些甚至接近筆記本電腦的功能。眾所周知，使用和制造的大多數(shù)智能手機(jī)都是觸摸屏，其中用戶(hù)通過(guò)輕擊和輕掃來(lái)通過(guò)設(shè)備進(jìn)行交互。實(shí)際上，甚至筆記本電腦和便攜式筆記本電腦都已經(jīng)具有此功能。
自2007年推出iPhone®以來(lái)，投射電容式觸摸的收入增長(zhǎng)了100倍以上，并且沒(méi)有絲毫放緩的跡象。本文介紹了將投射電容式觸摸集成到設(shè)備中時(shí)必須面對(duì)的許多設(shè)計(jì)和應(yīng)用挑戰(zhàn)，尤其著重于控制器信噪比的重要性。
自2007年推出iPhone®以來(lái)，投射電容式觸摸屏技術(shù)已在越來(lái)越多的應(yīng)用中得到采用。然而，將投射電容式觸摸傳感器集成到觸摸屏設(shè)備中仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，尤其是在LCD顯示器，外圍設(shè)備和環(huán)境產(chǎn)生的噪聲方面。最有前途的解決方案之一是利用高信噪比（SNR）觸摸屏控制器來(lái)解決噪聲問(wèn)題。高SNR控制器還具有許多其他優(yōu)點(diǎn)，本文將對(duì)此進(jìn)行探討。
SNR定義為信號(hào)（有意義的信息）與背景噪聲（不需要的信號(hào)）之間的功率比。如果在相同的阻抗上測(cè)量信號(hào)和噪聲，則可以通過(guò)計(jì)算均方根（RMS）幅度值的平方來(lái)獲得SNR。功率值的數(shù)字比率（PS / PN）通常太大，以至于最好使用對(duì)數(shù)分貝（dB）標(biāo)度來(lái)描述。因此，SNR可以表示為：
較高的SNR值表示相對(duì)于背景噪聲測(cè)得的較高的信號(hào)強(qiáng)度。
總體觸摸性能
從較高的角度來(lái)看，有兩個(gè)主要因素決定總體觸摸性能：觸摸傳感器設(shè)計(jì)和觸摸控制器集成電路。存在各種觸摸傳感器圖案設(shè)計(jì)，通常用表示圖案的形狀或構(gòu)造的名稱(chēng)來(lái)指代，例如三角形，菱形，雪花，街道和小巷以及電話(huà)桿。例如，“菱形”是菱形（菱形）結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，而“街道和小巷”是相交的行和列的網(wǎng)格，類(lèi)似于城市布局。根據(jù)所需的系統(tǒng)性能和觸摸控制器集成電路的體系結(jié)構(gòu)，某些圖案使用單層ITO，而其他圖案則需要兩層或三層。
通常，觸摸傳感器的圖案和層結(jié)構(gòu)（“堆疊”）適合于觸摸控制器架構(gòu)，以最大程度地提高SNR。例如，在具有跨接（短路橋）的單層互電容金剛石圖案中，從觸摸表面到ITO的X層和Y層的距離都相同。這減少了增益誤差，并使行和列的SNR級(jí)別相似。但是，此設(shè)計(jì)可能需要屏蔽層，以防止接收傳感器拾取來(lái)自下方LCD的噪聲。使用具有高SNR的觸摸控制器，可以通過(guò)放寬對(duì)設(shè)計(jì)的限制來(lái)降低觸摸傳感器的成本，從而可以使用更廣泛的圖案和層結(jié)構(gòu)。如本應(yīng)用筆記后面將要討論的那樣，像MAX11871這樣的高SNR觸摸控制器可以提供額外的優(yōu)勢(shì)，
控制器架構(gòu)
競(jìng)爭(zhēng)的兩種主要的投射電容式觸摸技術(shù)是自電容和互電容。以下是每個(gè)內(nèi)容的簡(jiǎn)短摘要。
自電容
• 如今仍在使用早期的procap方法
• 通常僅限于一次觸摸或兩次帶有重影的觸摸（與目標(biāo)觸摸位置相關(guān)的錯(cuò)誤觸摸）
• 菱形圖案最常見(jiàn)
• 降低LCD噪聲
• 更簡(jiǎn)單，成本更低的控制器
互電容
• 新一代設(shè)計(jì)獲得市場(chǎng)份額
• 真正的多點(diǎn)觸控，具有兩個(gè)或多個(gè)明確的觸摸
• 更好的觸摸精度
• 在傳感器圖案設(shè)計(jì)中提供更大的靈活性，可以幫助最大程度地提高SNR
• 更好的抗噪能力
• 更復(fù)雜，成本更高的控制器
許多應(yīng)用程序僅需要一次或兩次觸摸，因此自電容解決方案可能會(huì)很有吸引力，尤其是在可以控制用戶(hù)界面中的觸摸位置以消除重影的情況下。自電容系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)30dB的典型SNR，但通常需要在LCD和傳感器的底部觸摸層之間設(shè)置一個(gè)屏蔽層，這會(huì)增加成本并降低顯示亮度。
可以將其他技術(shù)應(yīng)用于自電容解決方案以進(jìn)一步提高SNR。這些措施包括（a）增加每個(gè)通道的樣本數(shù)量，（b）增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這在存在固定背景噪聲（例如來(lái)自L(fǎng)CD的背景噪聲）的情況下增加信號(hào)幅度，以及©以各種頻率采樣以避免固定頻率干擾，例如60Hz（稱(chēng)為“頻率抖動(dòng)”）。但是，這些技術(shù)通常還會(huì)降低幀速率并增加功耗，而這通常都是不希望的。
通用互電容系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。
為了最大化SNR并支持兩個(gè)或多個(gè)明確的觸摸，很明顯，最理想的觸摸系統(tǒng)架構(gòu)依賴(lài)于互電容。圖1中的系統(tǒng)框圖說(shuō)明了通用互電容實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)將激勵(lì)信號(hào)施加到觸摸傳感器電容器板之一。另一個(gè)觸摸傳感器電容器極板連接到觸摸控制器的模擬前端（AFE）。AFE輸出將轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）中進(jìn)行進(jìn)一步處理。
設(shè)計(jì)
挑戰(zhàn)在將投射電容式觸摸傳感器集成到配備觸摸屏的設(shè)備中時(shí)，存在許多技術(shù)挑戰(zhàn)。以下各段描述了可從高SNR觸摸控制器中受益的一些最常見(jiàn)情況。
互電容式觸摸傳感器的許多不同堆疊之一（未按比例）。
傳感器堆疊：在材料考慮，設(shè)備厚度目標(biāo)，性能要求和成本目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)今的觸摸行業(yè)存在著各種各樣的觸摸傳感器層結(jié)構(gòu)。圖2中顯示了一個(gè)示例。單個(gè)和多個(gè)基板，“面朝上”和“面朝下”的結(jié)構(gòu)，X和Y傳感器層的厚度變化，光學(xué)透明粘合劑（OCA）的厚度變化以及其他因素都會(huì)影響傳感器產(chǎn)生的信號(hào)電平。高SNR觸摸控制器可以減少這些結(jié)構(gòu)差異的重要性，因?yàn)樗軌蛱幚砀鼘挼膭?dòng)態(tài)范圍的觸摸傳感器信號(hào)。這為設(shè)計(jì)人員提供了更多的層疊設(shè)計(jì)自由度。
厚保護(hù)膜：某些應(yīng)用（例如銀行自動(dòng)柜員機(jī)）可能需要厚保護(hù)膜以保護(hù)顯示屏免受惡意破壞。但是，厚的覆蓋透鏡會(huì)降低手指觸摸檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度并降低觸摸位置的準(zhǔn)確性，因?yàn)槭种妇嚯x觸摸傳感器較遠(yuǎn)。這“散布”了電容分布并減小了峰值，這使得確定目標(biāo)觸摸的精確位置更加困難。戴手套的手也有類(lèi)似的效果。
LCD VCOM類(lèi)型：LCD VCOM是指“公共電壓”，即典型LCD的參考背板電壓。驅(qū)動(dòng)背板的技術(shù)因系統(tǒng)要求而異。兩種常見(jiàn)的方法是AC VCOM和DC VCOM。AC VCOM在多個(gè)電壓電平之間調(diào)制背板，而DC VCOM在背板上保持恒定電壓。前一種方法會(huì)產(chǎn)生更多的噪音。
觸摸傳感器和保護(hù)蓋之間的氣隙：觸摸屏設(shè)備最終用戶(hù)報(bào)告的最常見(jiàn)問(wèn)題之一是保護(hù)蓋損壞。為了使產(chǎn)品更薄，可以將投射電容式觸摸傳感器層壓到防護(hù)鏡的背面。然而，當(dāng)更換破裂的保護(hù)蓋透鏡時(shí)，還必須更換觸摸傳感器，這增加了維修成本。為了避免這種成本以及成本和較低的覆膜良率，設(shè)備制造商通常使用薄墊片將觸摸傳感器和保護(hù)蓋分開(kāi)。
應(yīng)用挑戰(zhàn)
觸摸精度：觸摸精度是觸摸傳感器設(shè)計(jì)中的重要規(guī)范。例如，在虛擬觸摸屏鍵盤(pán)應(yīng)用程序中，字符被緊密包裝在相對(duì)較小的區(qū)域中。對(duì)觸摸的精確響應(yīng)對(duì)于避免鍵入錯(cuò)誤的字符至關(guān)重要。實(shí)現(xiàn)高精度的一種方法是在控制器中添加更多傳感器通道，以支持更高的觸摸傳感器網(wǎng)格密度。但這也會(huì)帶來(lái)成本損失，因?yàn)橛|摸傳感器和觸摸控制器上都需要更多的引腳。此外，更多的傳感器通道需要更多沿著觸摸屏邊框的走線(xiàn)，這可能會(huì)增加邊框?qū)挾取?br>
高信噪比的觸摸控制器可提高觸摸精度，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)更強(qiáng)的觸摸信號(hào)讀取并從更大的周?chē)鷧^(qū)域收集樣本數(shù)據(jù)。較大的區(qū)域提供了更多參考點(diǎn)，可以從這些參考點(diǎn)計(jì)算出精確的觸摸位置。圖3說(shuō)明了由機(jī)械手握住4mm金屬塊制成的觸摸控制器SNRon線(xiàn)圖的效果。使用高SNR控制器繪制的線(xiàn)明顯比使用低SNR控制器繪制的線(xiàn)更平滑。請(qǐng)注意，這些測(cè)量是使用相同的觸摸傳感器和相同的后處理軟件記錄的，以確保比較的公平性。
由機(jī)器人手臂握住4mm金屬?gòu)楊^繪制的線(xiàn)圖。左側(cè)的圖反映了高SNR觸摸控制器的使用；右邊是一個(gè)低信噪比的觸摸控制器。
觸控筆：電阻式觸摸屏用戶(hù)長(zhǎng)期以來(lái)習(xí)慣使用細(xì)尖的觸控筆。典型的電阻式觸摸屏觸控筆的筆尖直徑小于1mm，通常由非導(dǎo)電塑料制成。對(duì)于投射電容式觸摸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)這種小型，不導(dǎo)電的設(shè)備一直是一個(gè)極其困難的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘?duì)觸摸控制器生成的信號(hào)的影響是如此微弱。市場(chǎng)上許多現(xiàn)有的觸摸系統(tǒng)都需要大直徑的手寫(xiě)筆（3毫米至9毫米），由于大筆尖會(huì)遮擋所創(chuàng)建的數(shù)字墨水，因此很難用于繪圖和書(shū)寫(xiě)。
在4英寸顯示屏上的2mm導(dǎo)電筆的這些電容曲線(xiàn)中，左側(cè)的曲線(xiàn)反映了高SNR觸摸控制器的使用。右邊是一個(gè)低信噪比的觸摸控制器。測(cè)針位于綠色圓錐體的頂點(diǎn)；白色表面的高度代表整個(gè)顯示器的背景噪音水平。SNR的大幅提高有效地降低了
只要手寫(xiě)筆涂有導(dǎo)電材料（相對(duì)較小的犧牲），高SNR觸摸控制器就可以檢測(cè)出筆尖直徑為1mm的手寫(xiě)筆。圖4說(shuō)明了觸摸控制器SNR對(duì)帶有2 mm尖端的導(dǎo)電筆的檢測(cè)的影響。低SNR控制器很難識(shí)別帶有噪點(diǎn)背景的小手寫(xiě)筆，尤其是在屏幕的最噪點(diǎn)部分。在低SNR情況下，將觸控筆減小至1mm會(huì)導(dǎo)致所需信號(hào)被掩蓋在背景噪聲中，從而使觸控筆無(wú)用。
懸停檢測(cè)：接近檢測(cè)在觸摸屏應(yīng)用中逐漸被采用。例如，通過(guò)在使用電子閱讀器應(yīng)用程序時(shí)提高觸摸系統(tǒng)的靈敏度，用戶(hù)可以在不物理觸摸屏幕的情況下用手勢(shì)翻轉(zhuǎn)頁(yè)面。但是，周?chē)h(huán)境也會(huì)觸發(fā)靈敏度提高的觸摸系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員一直在努力尋找能夠最大化接近距離而又不會(huì)引起意外激活的最佳平衡。三菱電機(jī)公司在這一領(lǐng)域進(jìn)行了一些有趣的研究，因?yàn)樵摴緞?chuàng)建了一種觸摸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)觸摸的手指懸停還是實(shí)際觸摸來(lái)自動(dòng)調(diào)整其靈敏度。
手套操作：在醫(yī)療應(yīng)用中，觸摸屏應(yīng)適合與外科手術(shù)手套一起使用。同樣，汽車(chē)中的觸摸屏GPS設(shè)備應(yīng)適合戴手套的手使用。大多數(shù)冬季手套由絕緣材料制成，這會(huì)使觸摸傳感器難以檢測(cè)到觸摸。當(dāng)用戶(hù)不戴手套時(shí)，增加觸摸控制器的靈敏度可能會(huì)導(dǎo)致意外觸發(fā)。當(dāng)前，市場(chǎng)上唯一的解決方案要求應(yīng)用程序（或用戶(hù)）根據(jù)用途選擇不同的靈敏度級(jí)別。
結(jié)論
高SNR投射電容式觸摸控制器帶來(lái)許多好處。它可以適應(yīng)多種設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求，例如手寫(xiě)筆，小手指和手套。它可以提高報(bào)告的觸摸位置的準(zhǔn)確性，而無(wú)需特殊的ITO傳感器圖案或添加更多傳感器通道。它可以容納各種顯示類(lèi)型以及各種背光，同時(shí)保持良好的觸摸性能。它在傳感器設(shè)計(jì)和制造要求方面提供了更大的靈活性。它可以在嘈雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)觸摸系統(tǒng)操作，還具有減輕設(shè)備本身發(fā)出的噪聲的能力，例如LCD顯示器，WiFi天線(xiàn)，GPS天線(xiàn)和AC適配器發(fā)出的噪聲。它使設(shè)備OEM可以自由選擇更大范圍的組件。最后，從性能的角度來(lái)看，它提供了精確的觸摸精度�？傊�，高SNR觸摸控制器可為最終用戶(hù)帶來(lái)強(qiáng)大的體驗(yàn)。 |
