电容式感测技术在手机触摸屏中的应用

('电容式感测技术在手机触摸屏中的应用2010-7-1121:09:00来源：作者：互电容技术由于具有直接、高效、准确、流畅、时尚等特点，极大程度提高了人和计算机对话的效率和便利性，未来必将成为未来消费的主流。投射电容屏触摸检测原理投射电容屏可分为自电容屏和互电容屏两种类型。在玻璃表面用ITO(一种透明的导电材料)制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是通常所说的自电容，也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加。在触摸检测时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式，相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向，然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标，最后组合成触摸点的坐标。如果是单点触摸，则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的;如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，则在X和Y方向分别有两个投影，则组合出4个坐标。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的”鬼点”。因此，自电容屏无法实现真正的多点触摸。互电容屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极，它与自电容屏的区别在于，两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。图1自电容鬼影的产生机理较早开始互电容式触摸屏技术研究和开发的公司之一，在互电容领域拥有数十项国内国际专利，包括互电容式触摸屏体的设计，互电容式触摸检测电路、触摸检测算法、环境自适应算法等技术。利用FocalTech自有专利技术，可以大幅提升互电容触摸屏的以下性能：1)抗电磁干扰能力抗电磁干扰是容式触摸屏系统性能最关键的因素。从2007年起，即有公司开始提供自电容方案的电容式触摸屏技术，但由于抗电磁干扰设计较差，经常发生来电时无法接电话，或者通话结束时无法挂电话的情况。再加上环境变化时触摸屏失效频繁，造成了多个电容式触摸屏手机项目失败，甚至间接引起一些方案公司的倒闭。Focaltech借鉴了现代无线通信领域的跳频技术，同时提高了TX的发送功率，在提高系统信噪比的同时有效抑制了电磁干扰。2)信噪比(SNR)SNR定义为指接收到的信号功率和噪声功率的比值。SNR是触摸屏系统性能另一个关键因素，其高低直接决定了触摸的精度、线性度和分辨率等性能好坏。FocalTech主要通过三个途径提高SNR。首先是提高信号发送功率。提高了信号发送信号功率，相应的就提高了接收到信号的功率，从而增加了SNR。其次，降低噪声也是一个有效的方法。FocalTech提供触摸屏设计方案，这些方案都做了非常好的屏蔽设计，例如在触摸屏底部靠LCD一侧增加地平面，在屏体四周增加地线隔离等。这些措施可有效降低噪声的功率。还有一个办法就是提高触摸引起的电容变化量。触摸电容变化量，正比于信号功率。即触摸变化量越大，则检测到的信号功率越大。FTS独有的触摸屏专利技术，能大大提高触摸引起的电容变化率，通常能达到30%以上，远远高于iPhone所采用的触摸屏仅为18%的变化量。3)环境适应性自动适应环境变化，对触摸屏系统亦十分重要。触摸屏直接暴露在空气中，空气的温度、湿度都会影响触摸屏体的电容大小。而触摸屏表面的水滴，则有可能直接造成误触摸。一个良好的设计，必须能在非常大范围能适应环境温度湿度的变化，并且在有少量水的条件下，能正常进行触摸。FocalTech专门开发了环境自适应算法，并配合相应的触摸屏体设计，已经完全解决了环境变化对触摸屏影响问题。4)功耗对于便携式设备而言，功耗也非常关键。而互电容技术采用了二维检测而不是自电容的一维检测，大大增加了检测电路的功耗和后期处理数据的功耗。通常而言，相同规格的触摸屏，互电容技术功耗为自电容技术的2~3倍。因此，降低功耗变得十分关键。FocalTech同时采用了多项技术来降低功耗。在IC设计时，把功耗列为约束第一位，如采用低功耗结构、低功耗工艺、增加硬件加速器等。在坐标计算中，FocalTech开发出了快速坐标计算方案，可简化计算量，大大降低了数据后期处理的时间和功耗。此外，还设计了多个功耗模式，系统可以灵活使用这些模式，降低整体使用功耗。根据实测，FocalTech的方案功耗仅为同类方案功耗的一半左右。图2FocalTech触控芯片基本架构名词解释：电容式触控屏利用人体的电流感应进行工作。电容式触控屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO(镀膜导电玻璃)，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。当手指触摸在金属层上时，人体电场、用户和触控屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分别从触控屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。电容式触控屏优点：与电阻式触控屏和电磁式感应板相比，电容式触控屏表现出了更加良好的性能。由于轻触就能感应，使用方便。而且手指与触控屏的接触几乎没有磨损，性能稳定，经机械测试使用寿命长达30年。另外，电容式触控屏原理整个产品主要由一块只有一个高集成度芯片的PCB组成，元件少，产品一致性好、成品率高。电容式触控屏缺点：代表流行风向标的iPhone上使用电容式触控屏无疑进一步印证了其拥有的各项优势。然而，瑕不掩瑜，电容电容式触控屏原理式触控屏也面临着以下一些挑战：由于人体成为线路的一部分，因而漂移现象比较严重；电容式感应输入技术在中小尺寸平板显示器上输入或控制点状目标(如点击软键盘上的电话号码或输入中英文字)时的性能有待改进；温度和湿度剧烈变化时性能不够稳定，需经常校准；不适用于金属机柜；当外界有电感和磁感的时候，可能会使触控屏失灵。电容式感测用户界面正作为手机中机械按键的一种实用的创新替代方案脱颖而出。虽然电容式传感器可被视作传统按键的简易替代方案，但该技术不仅仅是半球型开关的一种升级当手机采用触摸式传感器来实现时，手机制造商在设计中可获得一种令人激动的崭新的外观感觉选择。利用电容式传感器，手机按键，即键垫（keymat），无需移动式元件就可以实现，这样会形成平顺光滑的接触表面。此外，设计人员还可在机械按键顶端选用电容式感测，轻按会触发电容式传感器，重按则激活机械开关。整合了这种技术的手机不仅能感测手指的位置，还能感测到手指对按键施加压力的轻重。轻按可能与电话号码簿翻页有关，重按则可能是往选定号码拨打电话。近年来手机设计中出现的最引人注目的趋势之一是电容式传感器和透明导体的结合。这种透明键垫为设计人员提供了许多具创造性的选择。电容式感测的SNR基准推荐在手机设计中实现一个稳健的电容式感测设计的关键在于获得大的信噪比（SNR）。在电子通信和其它工程领域，SNR一般以分贝表示。但在手指感测应用中，不建议采用dB作为SNR的测量单位，因为对它的计算方法还不确定。基于功率的dB公式是10?log（P2/P1），基于电压幅度的公式是20?log（V2/V1），但究竟哪一个公式更适合于触摸应用尚不清楚。此外，在“触摸的分贝数”的解释方面也存在着混淆。为了避免这些问题，Cypress半导体公司采用一种简单的比率作为电容式感测SNR的首选基准。Cypress给出的最佳实践指南是信号比噪声至少大5倍。按照工程术语，就是最小SNR为5:1。如何测量SNR触摸传感器应用中的SNR根据传感器输出端的计数值来测定。比如，传感器上没有手指时峰峰噪声为8。当手指放在传感器上时，获得的信号是118，则SNR为118:8，约为15:1。SNR的测量应该考虑到最好情况和最坏情况。最好情况是指较大的手指放在传感器垫片中心。最坏情况是较小的手指偏离中心放置。在手机系统的早期开发中，利用真实的手指来测试是一种可接受的方法。若开发人员希望测试更加与操作者无关，并且可重复，可以用金属盘或棒来代替真实手指。由于覆盖膜（overlay）厚度会削弱信号强度，因此，较稳妥的办法是系统开发时采用比预计稍厚的覆盖膜。为避免较高级固件的屏蔽效应，利用原始的未压缩的传感器计数值来测量SNR。当没有手指触摸时，关断任何让传感器输出归零的自补偿或自动校准功能。图1:手指压力决定信号和噪音的构成建立噪声预算管理电容式传感器性能的方法之一是建立噪声预算，这包括列出可能降低系统SNR的噪声源。对于手机，这些噪声源有内部IC噪声、RF噪声和交流线路噪声。估算每一个噪声源对传感器计数值的影响。把这些计算值加上额外施加的计数值的总和作为设计余量，将会使SNR大于5:1。手机本身就产生了一个RF能量很高的环境，这对系统的影响可能大于往系统里增加少量噪声计数。电容式传感器靠近RF发射器工作带来的问题是，传感器的线迹相当于有效天线。大量RF能量与控制器IC的耦合可能在传感器系统中导致不良后果，造成触摸感测的失败。这种潜在问题的一个简单解决方案是利用串联电阻来抑制谐振。数百欧姆的电阻和传感器的输入串联，并尽可能靠近控制IC的引脚放置，足以防止这类问题的发生。移动意味着低功率对手机而言，电容式感测解决方案的功耗必需很低。对于电池供电的移动设备而言，低功率的目标要求控制器向主控器件报告的速度不应该过快，对传感器的扫描时间也不应该过长，若无其它事件待处理时应该进入睡眠状态。延长电池寿命的关键是把传感器有效扫描和处理数据时流经的平均电流降至最低。平均电流可以通过简单的有功电流和睡眠电流的时间加权平均计算来求得，故扫描之间控制器的睡眠时间越长，电池寿命越长。长睡眠时间间隔的一个实际限制是系统的延迟，亦即触摸事件和系统对触摸的响应之间的迟滞。在非技术性用户看来，大的延迟表现为按键的反应迟缓。极端而言，极长的睡眠时间间隔会导致按键一段时间失效。在手机设计中，解决上述问题在于在传感器快速响应和低功耗之间找到一个良好的平衡点。对于手机设计，30-50ms的延迟是个不错的目标。要把功耗降到更低，如果很长时间都没有用户输入，开发人员常常让传感器进入更长延迟模式。这种较慢的扫描模式，被称为待机模式，有100ms或更长的延迟。一旦出现用户输入，系统立即进入有效扫描模式，按键响应速度更快。下面的实例计算显示了在一个带有12个传感器的手机设计中，如何在待机模式下实现低至33mA的平均电流。扫描时间设为每传感器0.5ms（t1=0.5×12=6ms）。待机模式下的报告速率为100ms，故睡眠时间间隔设置为94ms（t2=100–6ms）。睡眠电流和有功电流可在控制器IC数据手册中查到（ISleep=3?A，IActive=1,500?A）。把这些参数代入平均电流IAVE计算公式，可求得平均电流为93?A。如果待机模式下只有一部分传感器被扫描，那么平均电流可能更低。把12个传感器分为3个一组，可减少扫描时间（t1=0.5×12/3=2ms）。这种情况下，平均电流降至33?A。机械方面的考虑事项系统设计中，机械层叠是一个重要的考虑因素，因为手机的外壳日趋纤薄。事实上，传感器线迹布局不佳和覆盖膜材料厚度过大是手机中SNR偏低的主要原因。电路板一般是柔性电路，在某些情况下，也有可能是一种很薄的刚性板。电路板通过绝缘粘合膜的薄层被安装在覆盖膜上，从而提高了从传感器到覆盖膜的电场耦合。该粘合层还形成了一个能够对手指轻压和重压都稳定响应的机械系统。1-3mm的覆盖膜厚度是比较理想的，这样可在不过度削弱电容式感测信号的情况下为手机提供所需的封装机械强度图2:手机电容传感器的机械层叠截面图可编程解决方案进入编程阶段时，系统控制器有多种选择。在专用器件方面是只负责扫描传感器和输出数据的固定功能器件。在高度集成及灵活的器件方面，是可以执行大范围电容感测功能的可编程感测器件，包括按键、滑标、触摸板和接近度传感器。此外，这种灵活性还可以简化最后一分钟的设计变化，并支持一般由一个或多个器件完成的非电容式感测功能。例如，手机可能需要多项功能，包括利用键垫完成的电容式感测、通过光电二极管进行的环境光感测、经由加速计实现的倾斜感测，以及当手机设置为振动模式时小型电机运行所需的电机驱动。所有这些功能都能够通过用C语言开发的灵活软件集成到单芯片中。让我们以下列情景为例，来看看一个可编程方案所带来的价值。由于所有感测和控制功能都由软件控制，故有可能把电容式传感器配置为在低功率待机模式下的接近度检测，也可能把同一个传感器配置为正常工作模式下的触摸传感器。在待机模式下，接近度传感器扫描手指是否出现在上述任何电容式传感器上方1或2cm的区域。当感测到有手指接近时，传感器可由软件重配置，让触摸感测功能取代接近度感测功能。手机将继续工作在这种模式下，直到用户停止和电容式传感器的交互。这时，接近度传感器把手机设置回待机模式。透明电容手机中触摸感测的最新趋势是在玻璃或塑料膜上使用氧化铟锡（ITO）。ITO是一种导电材料，作为薄膜运用时是透明的。这种材料已在电阻式触摸屏中使用多年。现在，微控制器的最新发展成果又使电容式触摸屏成为可能。电阻式触摸屏由于依赖触摸表面的机械变形，故很容易损坏，需要更换。而电容式ITO触摸屏不需要机械变形来实现。电容式ITO触摸屏超越标准电阻式触摸屏的优点之一就是摒弃了这种易发生故障的机械模式。',)