觸摸屏設(shè)計(jì)解析：日益簡(jiǎn)化

現(xiàn)今社會(huì)上很多人都頻繁地接觸到觸摸屏。這種裝置最常見于PDA和手機(jī)等手持設(shè)備和售票終端系統(tǒng)等應(yīng)用，其中大部分都基于電阻性技術(shù)。電阻性技術(shù)采用一個(gè)柔性外層，其壓觸固定內(nèi)層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為X-Y坐標(biāo)位置。此外，還有其它兩種常用技術(shù)：表面聲波(SAW)和電容感測(cè)技術(shù)，不過，一直以來(lái)，由于成本和構(gòu)建的限制，這兩種技術(shù)都僅用在公用信息服務(wù)應(yīng)用(Kioskapplications)中。

電阻性觸摸屏非常容易受到損傷，因?yàn)槠浔韺邮怯杀”〉娜嵝运芰蠘?gòu)成的，本身就很容易被利物刮損。至于SAW觸摸屏，由于它需要在邊角以特殊的機(jī)械安裝方法安裝聲換能器，因此不適合于移動(dòng)應(yīng)用。而且，SAW的成本也十分高，但因?yàn)闊o(wú)需透明的有源電極，所以可靠性相當(dāng)好。

電容性觸摸屏在顯示區(qū)域采用了一層周邊電氣連接的導(dǎo)電薄膜。Kiosk類的顯示屏是在玻璃表面涂上一層導(dǎo)電物質(zhì)，而較新的“投射式電容”觸摸屏則是在玻璃背面使用一組結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的涂層，大多數(shù)情況下會(huì)有三層，兩層分別用于沿X和Y軸的感測(cè)；另一層是用于屏蔽LCD模塊本身產(chǎn)生的噪聲。只有投射式電容感測(cè)和SAW能夠同時(shí)檢測(cè)出多個(gè)手指觸點(diǎn)。

從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)層面上來(lái)看，上述的方法各有優(yōu)劣，而應(yīng)該全面根據(jù)應(yīng)用的需求來(lái)正確選擇，其中主要的決定因素是預(yù)算、顯示屏尺寸、機(jī)械考慮事項(xiàng)、電氣噪聲問題，以及視覺清晰度和可靠性要求。近來(lái)，能否同時(shí)檢測(cè)多個(gè)觸點(diǎn)的能力越來(lái)越受到關(guān)注，現(xiàn)在已成為許多便攜式應(yīng)用發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。

當(dāng)前，增長(zhǎng)最快、最令人矚目的技術(shù)當(dāng)屬投射式電容觸摸屏。然而，這種技術(shù)的供貨商極少，相關(guān)專利卻又相當(dāng)多，包括多觸點(diǎn)算法、感測(cè)層圖案和手勢(shì)提取方法等方面的專利，為市場(chǎng)新進(jìn)者造成了巨大障礙。本文的主題正是要討論投射式電容感測(cè)的技術(shù)。

制備原理

圖1a所示為一個(gè)投射式電容觸摸屏元素的橫截面，可看出其感測(cè)層大幅擴(kuò)展到盡量清晰。這種感測(cè)層一般是由一種透明的導(dǎo)電材料制備的，比如真空淀積的銦錫氧化物(Indium-Tin-Oxide,ITO)，見黑色部分。在最終裝配之前，利用光刻或絲網(wǎng)印刷工藝(類似于PCB的蝕刻方法)，ITO層便會(huì)在塑料薄膜(通常是PET薄膜)襯底上蝕刻形成電極圖案。圖中沒有顯示出屏幕四邊連接ITO模塊，然后往下延伸到電氣連接器的銀墨連線。這些ITO層通過一種透明的粘膠彼此融合在一起，形成觸摸屏鏡片；粘膠一般為一層薄片，整個(gè)層式結(jié)構(gòu)利用層壓工藝融為一體。

要注意的是，這里有兩個(gè)感測(cè)層和一個(gè)屏蔽層，后者是最低層，正好在LCD模塊(圖中未顯示)之上。屏蔽層用來(lái)屏蔽LCD模塊產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲相當(dāng)大，會(huì)對(duì)與ITO電極有關(guān)的較弱電氣信號(hào)造成干擾。

圖1b所示為ITO電極設(shè)計(jì)的一種常見圖案，其最早見于上世紀(jì)80年代初。這種菱形圖案需要兩個(gè)感測(cè)層，分別針對(duì)X和Y軸向，以確定觸點(diǎn)位置。菱形圖案可對(duì)暴露在手指觸摸區(qū)域下的電極表面進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)把X和Y方向電極軌跡的交叉面積降至最小。這些電極的密度越高，觸摸的空間分辨率也越高。在多觸點(diǎn)技術(shù)中這可是一個(gè)關(guān)鍵因素，尤其是在需要兩根手指極為靠近地操作時(shí)。

三層ITO疊層結(jié)構(gòu)的壓層厚度一般為250mm左右。

雖然這種菱形圖案的效果不錯(cuò)，可以獲得很好的空間分辨率，但另一方面，信號(hào)處理和電極圖案領(lǐng)域取得的先進(jìn)成果，能夠讓設(shè)計(jì)在同一層上結(jié)合X和Y電極，而且大多數(shù)情況下無(wú)需屏蔽層。這種能力對(duì)光學(xué)特性(每一層都會(huì)吸收和散射部分光)和更重要的成本和生產(chǎn)良率都有著重大的影響。

圖1c所示為單層結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。這種結(jié)構(gòu)較薄，在對(duì)疊層結(jié)構(gòu)以微米計(jì)的移動(dòng)設(shè)備廠商中大獲好評(píng)。

圖1d所示是一個(gè)采用1層設(shè)計(jì)中的典型圖案。這種設(shè)計(jì)沒有在透明顯示區(qū)域使用交叉結(jié)構(gòu)，而是在四周使用。令人難以想象的是，這種特殊設(shè)計(jì)有4個(gè)列線(column)，而且行線(row)數(shù)可以不受限制。這些列線是通過把相似位置的三角形連接在一根軸上，并把它們連接為一個(gè)感測(cè)通道而形成。三角形圖案的采用，可以通過由一種特殊數(shù)學(xué)算法決定的內(nèi)插過程(interpolativeprocess)，使垂直于列線的感測(cè)轉(zhuǎn)換順利進(jìn)行。這種方法中運(yùn)用的內(nèi)插法降低了對(duì)列數(shù)的需求。同時(shí)，采用了非常先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，大大減小了LCD產(chǎn)生的噪聲，從而無(wú)需屏蔽層。

采用不同的布線方法，設(shè)計(jì)中可以包含多達(dá)7個(gè)列線，足以應(yīng)對(duì)幾乎所有可預(yù)見應(yīng)用的要求，包括那些帶基本多觸點(diǎn)能力的應(yīng)用。而這些圖案是由愛特梅爾開發(fā)并申請(qǐng)專利。

類似的結(jié)構(gòu)也可以淀積在玻璃和塑料薄膜上(圖2)。從技術(shù)上來(lái)說，玻璃是一種比塑料更好的襯底材料，因?yàn)樗墓鈱W(xué)特性比塑料好，透明度更高，光散射更小。不過，如何把玻璃層粘接在剛性面板上是一大挑戰(zhàn)，因?yàn)楹茈y消除層壓工藝中的空氣。

現(xiàn)在有一些更先進(jìn)的設(shè)計(jì)是直接在純平觸摸屏上涂敷感測(cè)層，完全無(wú)需載體層(圖3)。利用這種方法可以把整個(gè)面板做得更薄，當(dāng)然也進(jìn)一步改進(jìn)了光學(xué)特性。每減少一層，就降低了一部分成本和測(cè)試時(shí)間，從而提高解決方案的經(jīng)濟(jì)效益，更有利于大批量生產(chǎn)。所以單層電極結(jié)構(gòu)非常適合于這類構(gòu)建。

材料疊層的厚度當(dāng)然取決于層數(shù)。一個(gè)典型的三層結(jié)構(gòu)(X、Y、屏蔽層)可能厚達(dá)450mm，而在玻璃上的單層結(jié)構(gòu)(圖3)厚度可能僅25mm。當(dāng)然，疊層厚度對(duì)小型便攜式設(shè)備而言至關(guān)重要，每加一層便會(huì)增大模糊度，降低透光度。此外，高層數(shù)解決方案還有一個(gè)缺點(diǎn)，即是功耗增加，因?yàn)長(zhǎng)CD背光不得提高亮度以補(bǔ)償光吸收的增加。

在所有情況下，ITO電極都需要經(jīng)由出線端(tail)連接，插入到包含感測(cè)芯片的PCB中。但有些情況下，芯片可以直接安裝在出線端上。連接線跡通常由絲網(wǎng)印刷銀墨形成，而有些情況則是由濺射和蝕刻金屬構(gòu)成，以減小厚度。由于觸摸屏周邊的空間限制，故這些線跡可能非常難于設(shè)計(jì)。

觸摸屏使用的感測(cè)電路和方法完全取決于技術(shù)供應(yīng)商，英國(guó)量研科技公司在1990年末開發(fā)的專利技術(shù)“電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)”就是可靠技術(shù)的一個(gè)典型實(shí)例。電荷轉(zhuǎn)移感測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超低阻抗的感測(cè)，有助于減小外部噪聲的影響，它有兩種類型：1)單端模式；2)橫穿模式。其中橫穿模式的性能最高，因?yàn)樗軌蜉p易識(shí)別同一個(gè)觸摸屏元素上多個(gè)觸點(diǎn)的絕對(duì)位置，而單端模式卻具有難以避免的含糊性。

這種感測(cè)電路還整合了一個(gè)微控制器，其接收原始信號(hào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，輸出一個(gè)X-Y位置信號(hào)(在多觸點(diǎn)觸摸屏的情況下，可為多個(gè)輸出)。這種用來(lái)減少數(shù)據(jù)的算法是基于數(shù)學(xué)內(nèi)插方法的。一般而言，一個(gè)投射式電容解決方案能夠達(dá)到10位×10位(1024×1024)的分辨率，足以滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

如果需要手勢(shì)和筆跡識(shí)別，還可包含其它的一些算法。

結(jié)論

觸摸屏已成為電子控制表面的一種主流設(shè)計(jì)趨勢(shì)。在全球觸摸屏市場(chǎng)，雖然投射式電容感測(cè)技術(shù)仍只占極小部分，但它正以加速方式逐漸獲得采納。這種最為人所期待的技術(shù)將只包含一個(gè)透明感測(cè)層，并采用非常可靠的感測(cè)電路和算法來(lái)提高可靠性并降低成本。投射式電容感測(cè)技術(shù)很可能取代電阻性技術(shù)成為下一代主流技術(shù)。