從控制器角度看投射電容式觸摸系統(tǒng)

自 2007 年推出 iPhone? 以來，投射電容式觸摸屏技術(shù)已被越來越多的應(yīng)用所采用。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)性的問題，特別是在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）觸摸屏控制器來解決噪聲問題。高SNR控制器還具有本文探討的許多其他優(yōu)點(diǎn)。

SNR定義為信號(hào)（有意義的信息）和背景噪聲（不需要的信號(hào)）之間的功率比。如果在同一阻抗上測量信號(hào)和噪聲，則可以通過計(jì)算均方根（RMS）幅度值的平方來獲得SNR。功率值的數(shù)值比值（PS/PN） 通常非常大，最好使用對(duì)數(shù)分貝 （dB） 刻度來描述。因此，信噪比可以表示為：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)2 = 20log10(RMSS/RMSN)

較高的SNR值表示相對(duì)于背景噪聲測量的信號(hào)強(qiáng)度較高。

整體觸控性能

從高層次來看，有兩個(gè)主要組件決定了整體觸摸性能：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)，通常以指示圖案形狀或構(gòu)造的名稱來指代，例如三角形、菱形、雪花、街道和小巷以及電線桿。例如，“菱形”是菱形（菱形）結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，而“街道和小巷”是類似于城市布局的相交行和列的網(wǎng)格。一些模式使用單層ITO，而其他模式則需要兩層或三層，具體取決于所需的系統(tǒng)性能和觸摸控制器集成電路的架構(gòu)。

通常，觸摸傳感器模式和層結(jié)構(gòu)（“堆疊”）是根據(jù)觸摸控制器架構(gòu)量身定制的，以最大限度地提高SNR。例如，在具有交叉（短路橋）的單層互電容菱形圖案中，從觸摸表面到ITO的X層和Y層的距離是相同的。這減少了增益誤差，并使行和列的SNR水平相似。但是，這種設(shè)計(jì)可能需要屏蔽層，以防止接收傳感器從LCD下方拾取噪聲。使用具有高SNR的觸摸控制器可以通過放寬對(duì)設(shè)計(jì)的限制來降低觸摸傳感器成本，從而可以使用更廣泛的圖案和層結(jié)構(gòu)。本應(yīng)用筆記稍后將討論，像MAX11871這樣的高SNR觸摸控制器可以提供額外的優(yōu)勢，例如更容易找到觸摸的質(zhì)心，降低觸摸屏對(duì)環(huán)境噪聲的敏感性，以及允許使用手套和小尖端導(dǎo)電手寫筆。

控制器架構(gòu)

兩種主要的競爭投射電容觸摸技術(shù)是自電容和互電容[1]。以下是每個(gè)方法的簡要摘要。

自電容

早期的procap方法至今仍在使用

通常僅限于一次觸摸，或兩次重影觸摸（與預(yù)期觸摸位置相關(guān)的錯(cuò)誤觸摸）

鉆石圖案最常見

更低的液晶抗噪能力

更簡單、成本更低的控制器

互電容

新一代設(shè)計(jì)獲得市場份額

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

在傳感器模式設(shè)計(jì)中具有更大的靈活性，有助于最大限度地提高 SNR

更好的抗噪能力

更復(fù)雜、成本更高的控制器

許多應(yīng)用只需要一兩次觸摸，因此自電容解決方案可能很有吸引力，特別是如果可以控制用戶界面中的觸摸位置以消除重影。雖然使用自電容系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)超過30dB的典型SNR，但這通常需要在LCD和傳感器底部觸摸層之間有一個(gè)屏蔽層，這會(huì)增加成本并降低顯示器亮度。

其他技術(shù)可以應(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)通道的采樣數(shù)量，（b）增加傳感器驅(qū)動(dòng)電壓，這在存在固定背景噪聲（例如來自LCD的噪聲）的情況下增加信號(hào)幅度，以及（c）在不同頻率下采樣以避免固定頻率干擾，例如60Hz（這稱為“頻率抖動(dòng)”）。然而，這些技術(shù)通常也會(huì)降低幀速率并增加功耗，這兩者都通常是不可取的。

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)依賴于互電容。圖1中的系統(tǒng)框圖示出了將激勵(lì)信號(hào)施加到其中一個(gè)觸摸傳感器電容板的廣義互電容實(shí)現(xiàn)方案。另一個(gè)觸摸傳感器電容板連接到觸摸控制器的模擬前端（AFE）。AFE輸出被轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并在數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）中進(jìn)一步處理。

圖1.廣義互電容系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

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)。以下段落描述了可以從高 SNR 觸摸控制器中受益的一些最常見情況。

傳感器堆疊：當(dāng)今觸摸行業(yè)中存在各種各樣的觸摸傳感器層結(jié)構(gòu)，由材料考慮、設(shè)備厚度目標(biāo)、性能要求和成本目標(biāo)驅(qū)動(dòng)。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”結(jié)構(gòu)、X 和 Y 傳感器層厚度的變化、光學(xué)透明粘合劑 （OCA） 厚度的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觸摸控制器可以降低這些結(jié)構(gòu)差異的重要性，因?yàn)樗軌蛱幚砀鼘挼挠|摸傳感器信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。這為設(shè)計(jì)師在堆疊設(shè)計(jì)方面提供了更大的自由度。

圖2.許多不同的互電容觸摸傳感器堆疊之一（不按比例縮放）。

厚蓋鏡頭：某些應(yīng)用（如銀行 ATM）可能需要厚蓋鏡頭來保護(hù)顯示器免受破壞。但是，較厚的蓋板會(huì)降低手指觸摸檢測的信號(hào)強(qiáng)度并降低觸摸位置的準(zhǔn)確性，因?yàn)槭种鸽x觸摸傳感器更遠(yuǎn)。這“分散”了電容曲線并降低了峰值，這使得確定預(yù)期觸摸的精確位置變得更加困難。戴手套的手也有類似的效果。

LCDVCOM類型：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。

觸摸傳感器和蓋板之間的氣隙：觸摸屏設(shè)備最終用戶報(bào)告的最常見問題之一是蓋板損壞。為了使產(chǎn)品更薄，可以將投射電容式觸摸傳感器層壓到蓋板的背面。但是，在更換損壞的蓋板時(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層壓的成本和較低的良率，設(shè)備制造商通常用薄墊圈將觸摸傳感器和蓋板分開。

但是，當(dāng)觸摸傳感器和蓋板之間引入氣隙時(shí)，觸摸傳感器檢測手指觸摸變得更加困難，因?yàn)榭諝獾牡徒殡姵?shù)會(huì)降低手指觸摸的信號(hào)強(qiáng)度。解決這個(gè)問題的一種方法是提高觸摸系統(tǒng)的靈敏度閾值。然而，這是一個(gè)危險(xiǎn)的游戲，因?yàn)閭鞲衅骺梢越邮盏綗o意的信號(hào)，例如LCD噪聲或來自環(huán)境的其他環(huán)境噪聲，這使得觸摸傳感器更難區(qū)分觸摸和噪聲。

工業(yè)設(shè)計(jì)要求：一些設(shè)備制造商將觸摸傳感器直接層壓到顯示器上，以實(shí)現(xiàn)更薄的整體設(shè)計(jì)。但這也帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橛|摸傳感器位于一個(gè)重要的噪聲源的頂部。一種解決方案是在觸摸傳感器和顯示器之間添加屏蔽層。然而，添加額外的ITO層會(huì)增加整體材料成本，并對(duì)光學(xué)清晰度產(chǎn)生負(fù)面影響。

On-Cell觸摸傳感器：為了降低整體制造成本，LCD制造商越來越多地采用的一種方法是將觸摸傳感器直接放置在濾色玻璃的頂部，偏光片下方。雖然這消除了對(duì)外部傳感器和層壓的需求，但觸摸傳感器的位置更靠近顯示器的中心，這進(jìn)一步增加了傳感器看到的噪音水平。

觸摸控制器位置：投射電容式觸摸控制器最常位于觸摸傳感器電纜（柔性芯片或PCB芯片）上，有時(shí)直接位于觸摸傳感器上（玻璃芯片）。但是，為了更容易地測試觸摸傳感器，某些設(shè)計(jì)要求將觸摸控制器安裝在系統(tǒng)主板上。這種方法可能需要將觸摸傳感器連接到觸摸控制器的長柔性印刷電路（FPC）。長FPC可以充當(dāng)天線，很容易拾取額外的噪聲，使觸摸控制器更難處理來自觸摸傳感器的模擬信息。

其他噪聲源：移動(dòng)設(shè)備上的主要噪聲源來自LCD顯示屏，LCD逆變器，Wi-Fi?天線，GSM天線以及設(shè)備內(nèi)的各種高速電路。環(huán)境噪聲也會(huì)對(duì)觸摸系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。某些交流電源會(huì)產(chǎn)生高水平的噪聲，這些噪聲很容易通過設(shè)備的交流適配器傳導(dǎo)。此外，當(dāng)設(shè)備靠近強(qiáng)噪聲源（如桌面熒光燈）放置時(shí)，觸摸系統(tǒng)可能會(huì)將噪聲誤解為故意觸摸。

對(duì)于正常情況下正常大小的手指（> 7mm），高SNR控制器可能比低SNR控制器沒有顯著優(yōu)勢。當(dāng)微弱的輸入信號(hào)（例如由手寫筆或戴手套的小手指或戴手套的手指產(chǎn)生的信號(hào)）與嘈雜的環(huán)境相結(jié)合時(shí)，優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了。在這種情況下，低SNR控制器無法將信號(hào)與基線噪聲區(qū)分開來。如果降低檢測閾值以提高觸摸檢測靈敏度，則觸摸系統(tǒng)很容易被噪聲觸發(fā)，從而導(dǎo)致意外激活。在實(shí)際應(yīng)用中，絕對(duì)不允許意外激活。

應(yīng)用挑戰(zhàn)

觸摸精度：觸摸精度是觸摸傳感器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要指標(biāo)。例如，在虛擬觸摸屏鍵盤應(yīng)用程序中，字符被緊密地包裝在一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域中。對(duì)觸摸的精確響應(yīng)對(duì)于避免錯(cuò)誤鍵入的字符至關(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。但這也帶來了成本損失，因?yàn)橛|摸傳感器和觸摸控制器上都需要更多引腳。此外，更多的傳感器通道需要更多的走線沿著觸摸屏的邊框運(yùn)行，這可能會(huì)增加邊框?qū)挾取?/p>

高SNR觸摸控制器提高了觸摸精度，因?yàn)樗梢詮挠|摸中讀取更強(qiáng)的信號(hào)，并從更大的周圍區(qū)域收集樣本數(shù)據(jù)。較大的區(qū)域提供了更多的參考點(diǎn)，從中可以計(jì)算出觸摸的精確位置。圖3顯示了觸摸控制器SNR對(duì)手持4mm金屬塊的機(jī)械臂繪制的線條圖的影響。使用高SNR控制器繪制的線明顯比使用低SNR控制器繪制的線更平滑。請(qǐng)注意，這些測量值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。

圖3.由手持 4 毫米金屬塊的機(jī)器人手臂制作的線條圖。左圖反映了高信噪比觸摸控制器的使用;右邊的那個(gè)，一個(gè)低信噪比觸摸控制器。

手寫筆：電阻式觸摸屏用戶早已習(xí)慣于使用細(xì)尖手寫筆。典型的電阻式觸摸屏手寫筆的尖端直徑小于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)來說，檢測如此小的非導(dǎo)電設(shè)備一直是一個(gè)極其困難的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼘?duì)觸摸控制器產(chǎn)生的信號(hào)的影響非常微弱。市場上許多現(xiàn)有的觸摸系統(tǒng)都需要大直徑的手寫筆（3mm到9mm），這很難用于繪圖和書寫，因?yàn)榇蠊P尖遮擋了正在創(chuàng)建的數(shù)字墨水。

高SNR觸摸控制器可以檢測到尖端為1mm的手寫筆，只要手寫筆涂有導(dǎo)電材料（相對(duì)較小的犧牲）。圖4顯示了觸摸控制器SNR對(duì)檢測尖端為2mm的導(dǎo)電手寫筆的影響。低SNR控制器很難識(shí)別背景嘈雜的小手寫筆，尤其是在屏幕最嘈雜的部分。在低SNR情況下，將手寫筆減少到尖端1mm將導(dǎo)致所需信號(hào)被隱藏在背景噪聲中，從而使手寫筆無用。

圖4.在 4 英寸顯示屏上 2mm 導(dǎo)電手寫筆的這些電容曲線中，左側(cè)的配置文件反映了高 SNR 觸摸控制器的使用;右邊的那個(gè)，一個(gè)低信噪比觸摸控制器。手寫筆位于綠色圓錐體的頂點(diǎn);白色表面的高度表示整個(gè)顯示器的背景噪聲級(jí)別。SNR的大幅增加可有效降低背景噪聲的峰峰值幅度，如左圖所示。如果將右側(cè)配置文件中的手寫筆移動(dòng)到屏幕的左邊緣，則信號(hào)將在噪音中消失，手寫筆將停止工作。

懸停檢測：接近檢測正逐漸被觸摸屏應(yīng)用采用。例如，通過使用電子閱讀器應(yīng)用程序時(shí)提高觸摸系統(tǒng)的靈敏度，用戶可以通過手勢翻頁，而無需物理觸摸屏幕。但是，靈敏度更高的觸摸系統(tǒng)也可能由周圍噪聲觸發(fā)。對(duì)于設(shè)計(jì)師來說，尋找最佳平衡，在不引起意外激活的情況下最大化接近距離是一場持續(xù)的斗爭。三菱電機(jī)公司在這一領(lǐng)域做了一些有趣的研究，因?yàn)樵摴緞?chuàng)建了一個(gè)觸摸系統(tǒng)，可以根據(jù)觸摸手指是懸停還是實(shí)際觸摸來自動(dòng)調(diào)整其靈敏度[2]。

手套操作：在醫(yī)療應(yīng)用中，觸摸屏應(yīng)適合戴手術(shù)手套使用。同樣，汽車中的觸摸屏GPS設(shè)備應(yīng)適合戴手套使用。大多數(shù)冬季手套由介電材料制成，這使得觸摸傳感器難以檢測到觸摸。當(dāng)用戶未戴手套時(shí)，增加觸摸控制器的靈敏度可能會(huì)導(dǎo)致意外觸發(fā)。目前市場上唯一的解決方案要求應(yīng)用程序（或用戶）根據(jù)使用情況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具有許多優(yōu)勢。它可以適應(yīng)廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求，例如手寫筆、小手指和手套。它可以提高報(bào)告的觸摸位置的準(zhǔn)確性，而無需特殊的ITO傳感器圖案或添加更多傳感器通道。它可以適應(yīng)各種具有各種背光的顯示類型，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，并且還能夠減輕設(shè)備本身發(fā)出的噪聲，例如LCD顯示屏，WiFi天線，GPS天線和AC適配器發(fā)出的噪聲。它使設(shè)備 OEM 能夠自由地從更廣泛的組件中進(jìn)行選擇。最后，從性能的角度來看，它提供了精確的觸摸精度?？傊逽NR觸摸控制器可為最終用戶提供強(qiáng)大的體驗(yàn)。

審核編輯：郭婷