超先进触摸界面驱动器实现全新用户应用

图标化设计已经不仅仅是品牌识别的问题，它的作用也不只是新增或提升设备功能。一项设计如要实现图标化，必须能够通过用户与设备的互动或使用方式，在某个方面去来切实改变用户生活。

 在Apple® iPhone™及相关产品中，其概念是首先构建用户界面――电容式触摸屏――然后利用基本的硬件和出色的软件来实现连接性并提供应用支持。通过这种途径，用户能够以新颖直观的方式与产品进行互动。

 电阻式触摸屏在消费设备中的运用相当普遍，主要用于基本的触摸按键切换功能或其它简单的虚拟用户界面元素(如滚动条控制)。这种技术可实现一种情景式用户界面方案，有助于减小设备单元的尺寸和外部复杂性，并提供新的工业设计选择。不过，电阻式触摸屏的光学性能较差，又存在可靠性问题，支持手势输入的效用性相当有限，而且解释两个或更多个同时触摸点的能力也很低，这些不足之处都限制了电阻式触摸屏的使用，致使其迅速让位于电容式触摸屏。

 过去几年间，电容式触摸屏技术已迅速发展成熟，它结合了在低成本硬件上运行的先进算法和成熟完善的材料技术，创建出高度可靠且稳健的用户界面。但早期的电容式触摸屏技术，以至目前市面上较低端产品的分辨率都很低，又存在LCD或其它噪声源的系统级干扰问题，致使性能严重降低。

图1 典型的触摸屏系统

(说明)

前面板

传感器膜

显示层

控制器板

 投射电容式触摸屏可以在目标(如手指)接近或接触到屏幕表面时检测到电容的细小变化。当一根手指或多根手指接触屏幕时，有多种方法对触摸屏表面的电容变化进行测量和解释。电容-数字转换技术(capacitive to digital conversion, CDC)与用于电荷收集的电极结构的空间排列(通常是显示屏表面的一层透明的传感器膜)，二者都对所达到的总体性能和简易配置能力都有着重大的影响。

 对于投射电容式触摸屏的电容变化，有两种基本的排列和测量方法：自电容和互电容。互电容测量法具有按正交矩阵排列的发射和接收电极，这是电容式触摸屏可靠地报告和跟踪多个并发触摸点的唯一方式。为简单起见，可假设该技术由许多较小的触摸屏组成，这些小触摸屏又是通过电极结构的几何排列而形成，整个装置被视为一个完整的触摸屏表面。只要能够识别每个“小”触摸屏内的多个触摸点，便能够实现这功能。由于可分别测得矩阵中每个点的电容耦合，故完全能够确定多个触摸点的位置坐标。

 基于自电容的触摸屏却与之相反。自电容方案是对整行或整列的电容变化进行测量(与互电容方案中测量一行和一列的交叉点截然不同)。若用户压触两个地方，这种方法会导致位置不明确。虽然利用软件有可能对触摸位置进行某种程度的重建，但总是存在一定的模糊性，因而被解释的触摸点会产生“鬼点”位置，继而导致无意的行为被报告给系统主机。该方案还存在一种有害的副作用，即当两个触摸点共享同一行或同一列电极时，报告的坐标往往‘突跳’到有关电极，形成存在严重非线性现象。在实践中，自电容只用于单触摸点或极有限的双触摸点应用。

图2 用于多点触摸应用的自电容和互电容触摸屏测量之比较

 在基于互电容的系统中，每个触摸点都由一对(x,y)坐标来表示；而在自电容系统中，触摸点 x 和 y 坐标的检测是彼此独立的。在互电容系统中，如果出现两个触摸点，检测结果由(x1,y3) 和 (x2,y0),表示，但在自电容系统中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自电容系统是无法确定(x1,y0)、(x2,y0)、 (x1,y3) 和 (x2,y3)这些触摸点中哪一个是正确的。

 CDC测量的基础方法也对电容式触摸屏的工作方式有着重要的影响。有多种技术可用于信号捕获，例如弛张振荡器、CSA、Sigma Delta转换器等，并各有其优势和缺陷。所有这些技术在其它资料中均有详细描述。从互电容测量的角度来看，它们都有一个会严重限制效用性的主要缺点：在测量周期中，矩阵里芯片和互连之间的布线仍然对触摸(热点)很敏感。因为传感器的边缘布线会影响计算位置的信号，这种情况将导致测量中的位置错误，对测量极为不利。它还使得从传感器到驱动器芯片的布线连接几乎只限于几厘米之内。上述问题中有一些可以通过精心的设计折衷而得到部分解决，但总体性能却受到严重影响。

 爱特梅尔的maXTouch™ 采用电荷转移技术来进行CDC测量，能够在电荷捕获过程中有效地保持接收线路零电势，因此只需在主要传感器区域中目标点上的发射电极X和接收电极Y之间转移电荷。该技术还有一个优点，即可把触摸屏附近乃至触摸屏表面上的局部湿气或其它潜在导电材料的影响降至较小。

 总括而言：基于电极阵列中互电容测量的触摸屏解决方案不足以实现可靠的解决方案。它必须结合采用了电荷转移技术的稳健的CDC，这是迄今较好的选择。

 传感器设计选择

触摸屏中的传感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一层或多层图样化透明导体构成。传感器位于显示屏之上。为了构建能够透过玻璃或塑料前面板识别一个或多个手指触摸的传感器，必需精心设计电极正交网络。

 图3 典型的传感器图样

 图样化导体(电极)一般是由被称为铟锡氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料经过图样蚀刻制成。这种材料具有良好的光学透明度，同时仍保持较低的欧姆电阻率。低电阻率十分重要，因为这样一来，就有可能对数以10个皮法级(picofarad, 10^-12 法拉)背景电容上出现的数以10个毫微微法拉级(femtofarad, 10^-15 法拉)的微小变化进行快速测量。爱特梅尔的QMatrix™ 采用电荷转移技术，它具有一项基本特性，即可以采用具有良好光学性质的常用 ITO 来制作真正的矩阵传感器，这里，对触摸敏感的唯一区域是行、列电极互相耦合的紧邻地带。

 这种局部耦合意味着行、列电极的所有其它区域大部分都是对触摸不灵敏的。没有这种特性，就不可能实现真正的多点触控触摸屏，而只可能通过重大的折衷妥协来满足部分要求。其它CDC技术都试图仿效真正的矩阵，不过为此需要限制性更强的ITO材料：必须有更低的其电阻率和更出色的光学特性。这种更低的电阻率可降低行、列交叉点上的电压降，减小其固有触摸灵敏度。不过，由于没有采用电荷转移技术，它们仍然对触摸具有一定的灵敏性，但这也是一种折衷妥协，就是会导致较差的多点触摸性能，并在传感器边缘附近产生严重的不良影响。

 PET是较常用的两种基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具优势，但一般需要两个分离层来实现正交网格。另一方面，玻璃虽然贵一点，却允许单层设计，可采用微型交叉结构来桥接共面两层结构中的图样交叉点。玻璃传感器的机械稳定性也比 PET 好得多，因此适合于淀积非常薄的金属化迹线，其宽度仅为数十微米。PET 技术虽然在这方面进步迅速，现在一般仍使用数百微米宽的丝网印刷迹线。而总体目标是是传感器边缘布线尺寸要尽可能地小，因为空间弥足珍贵，尤其是对小型便携式设备而言。

 分辨率

传感器设计的下一个考虑事项是终端应用所需的分辨率。利用插补法(interpolation)，可以相当准确地确定单触摸点的中心位置所在。不过，当需要分别识别几个邻近触摸点时，就有困难了。这需要很高的电极密度。

 这种情况下，高电极密度意味着行、列间距应该在 5mm 左右或更小――这个要求源于对大拇指和食指指尖之间的距离进行测量，然后除以2。广泛的用户界面试验显示，从10 mm 到 11mm的间距是空间分辨率和不断增加的传感器复杂性之间的较佳折衷。对于单触摸点应用，在某些情况下，把间距增加到5mm以上也是可以接受的，但有强大的论据显示，为了实现真正出色的单触摸点电容式触摸屏，在其核心需要完全的多点触摸功能，以跟踪和拒绝无意触摸点。

 还值得一提的是传感器的分辨率与每个轴向的电极数目直接相关，故只要增加更多的行或列，可把间距减小到5mm以下，这样一来，即使传感器的制作比较复杂，也是很有益的。更多的通道同时意味着更高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。

 高电极密度还能够实现另一项重要特性――无源传导性手写笔(stylus)的使用。通过正确的传感器设计，结合较佳CDC方法和超先进的触摸跟踪算法，有可能采用尖端尺寸只有3-5 mm的简单无源传导性手写笔。这种功能让用户使用短指甲也能够操作电容式触摸用户界面，并能提供比普通指尖按触更精确的定位设备。如此一来，扩大了使用电容式触摸屏作为主要输入源的设备的应用范围。

图4 手写笔输入

 触摸屏驱动器芯片

良好的ITO传感器的设计固然至关重要，而一个真正的矩阵 CDC也可为良好的多点触摸设备奠定基础。不过，实现这一切的基础芯片和软件

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