从控制器角度谈感应电容触控系统的设计挑战

摘要：自2007年iPhone出现后，感应电容触摸屏的年销售额已增长了100倍，并且速度没有减慢的迹象。本文描述了把感应电容型触摸屏集成到一个设备中时须面对的很多设计和应用挑战，并重点强调了控制器信噪比的重要性。

简介 自2007年iPhone出现后，感应电容触摸屏的应用范围就在不断扩大。尽管如此，真正把感应电容触摸屏集成到设备中仍存在着很大的挑战，尤其在液晶显示器(LCD)、外围器件产生干扰及嘈杂的环境中。有效的解决方案之一是使用高信噪比(SNR)的触摸屏控制器来对抗噪声。一个高信噪比控制器还会有其它优势，下面将会详细描述。 SNR定义为信号(有用的信息)和噪声(无用信号)的功率比。如果信号和噪声在相同的负载下测量，SNR可以通过计算幅度均方根(RMS)的平方获得。功率比的值(PS/PN)通常很大，通常用对数(dB)来描述。SNR可以表示为：高SNR意味着测到的信号强度比背景噪声高。整体触控性能 主要由两个器件决定整体触控性能：触摸屏传感器和触摸屏控制器。触摸屏传感器种类繁多，它们的名称形象的说明了其形状和结构，例如三角形、菱形、雪花形、条形等等。例如，“菱形”是菱形的网格结构，而“条形”是行列交叉的网格，像一个城市的街道。一些传感器类型使用一层ITO，而其它的则需要两层或三层，这决定于所需的系统性能和触摸屏控制器芯片。 通常要根据触摸屏控制器结构来决定触摸屏传感器样式和层结构(“堆叠”)以最大化SNR。例如，在单层互容带有交叉(搭桥)的菱形样式中，触摸屏表面到ITO的X层和Y层的距离是一样的，这降低了增益误差并使行和列的SNR很接近。尽管如此，仍需要增加一层屏蔽层防止传感器受到LCD噪声干扰。使用高SNR的触摸屏控制器可以降低触摸屏传感器的成本，放宽设计限制，使用更多的样式和层结构。正如下面将要讨论的一样，高SNR触摸屏控制器还可提供额外的好处，例如较容易找到触摸中心，降低了触摸屏对环境噪声的灵敏度，并允许使用手套或尖导电笔。控制器架构 自容式和互容式[1]是两种主要的电容触摸屏感应检测技术，自容式和互容式的特性简单归纳如下：自容式●今天仍在使用的早期技术。●受限于“鬼点”(相对于真实触摸位置的错误触摸位置)，通常为一点触摸或两点触摸。●菱形样式最普遍。●对LCD噪声抑制较差。●简单，低成本控制器。互容式●正在攻占市场的新一代设计。●真正的两点或多点触摸。●较高的精度。●传感器样式设计更加灵活，这有助于最大化SNR。●较好的噪声抑制。●更复杂，高成本控制器。 很多应用仅需要一个或两个触点，因此自容方案更有吸引力，尤其当用户界面的触摸位置可控以消除“鬼点”的时候。自容方案的典型SNR超过30dB，通常需要在LCD和传感器的触摸层底部之间增加屏蔽层，这会增加成本，降低显示亮度。 其它技术可被用到自容方案以进一步提高SNR。这包括(a)增加每通道的采样数；(b)增加传感器驱动电压，这增加了固定噪声(如来自LCD的噪声)下的信号幅度；(c)在不同频率采样以避免固定频率干扰，如避开60Hz(这被称为“频率抖动”)。尽管如此，该技术通常会降低帧率，增加功耗，这两样都是不希望的。 从以上讨论中可以很清楚地看出，为了最大化SNR并支持两点或多点的触摸，互容式是最有希望的感应检测技术。图1的系统框图归纳了互容式的实现方法，即把一个激励信号加在触摸屏传感器电容的一极，把另一极连接到触摸屏控制器的模拟前端(AFE)，AFE的输出被转化成数字格式并在数字信号处理器(DSP)中进行进一步处理。图1. 互容式系统框图设计挑战 当把电容触摸屏传感器集成到触控设备中时会遇到很多技术挑战。下文所述情况均可受益于高SNR的触摸屏控制器。 传感器层设计：如今存在各种各样的触摸屏传感器层结构，分别对应材料、厚度、性能和成本的不同要求。如图2所示。而单层还是多层衬底，“向上”还是“向下”架构，X和Y层厚度的变化，透光胶(OCA)厚度的变化以及其它因素都会影响传感器产生的信号幅度。由于高SNR触摸屏控制器可以处理较宽动态范围的触摸屏传感器信号，结构差异引起的影响会被削弱。这就给了设计者更多的自由去选择传感器层结构。图2. 一种互容式触摸屏传感器的层结构(与实物不成比例)。 厚防护罩：一些应用，例如银行ATM机，可能需要一个厚玻璃罩来防止显示器被破坏。但厚玻璃罩会降低触摸信号强度，并降低触摸位置检测精度，这是因为手指离触摸屏传感器距离变大，导致电容范围变大，信号幅值变低，很难确定精确触摸位置，戴手套也会产生相同的效果。 LCD VCOM类型： LCD VCOM是“共模电压”，是LCD屏的参考电压。根据系统要求，可能采用AC VCOM或DC VCOM。AC VCOM是交变的，而DC VCOM是恒压。前一种方式会产生更多的噪声。 触摸屏传感器和保护透镜间的气隙：触控设备用户报告的最常见问题之一是保护透镜破损。为把产品做得更薄，电容型触摸屏传感器可以被压到保护透镜背面，但当替换一个破损的保护透镜时，触摸屏传感器也必须被替换，这会增加维修成本。为了避免这个成本，以及压合工艺低良率带来的成本，通常会用一个衬垫将触摸屏传感器和保护透镜隔开。 尽管如此，当触摸屏传感器和保护透镜间出现气隙时，触摸屏传感器会很难探测到手指触摸行为，因为空气介电常数低，手指触摸产生的信号的强度也低。解决这种问题的一个方法是提高触控系统灵敏度阈值，但这会很危险，因为传感器会接收到一些杂散信号，例如LCD或其它环境噪声，使得触摸屏传感器很难从噪声中区分出触摸动作。 工业设计要求：一些器件生产商把触摸屏传感器直接做在显示器上以使得整体设计更薄。但这也是有风险的，因为触摸屏传感器被直接放在噪声源上。一个解决方案是在触摸屏传感器和显示器之间增加一个屏蔽层。但多增加一层ITO会增加整体材料成本，而且对透光性有影响。 集成触摸屏传感器：为了降低生产成本，LCD生产商开始把触摸屏传感器直接做在偏光镜下面的彩色滤光片上。这种方法不需要外部传感器和压合，但触摸屏传感器更靠近显示器，进一步增加了传感器接收到的噪声。 触摸屏控制器位置：电容型触摸屏控制器通常位于触摸屏电缆上(芯片在导线或PCB上)，有时也会直接放在触摸屏传感器上(芯片在玻璃上)。但是为了测试方便，有些设计需要把触摸屏控制器放在系统板上。这可能需要很长的柔性电路板(FPC)来连接触摸屏传感器和控制器。长FPC会起到天线的作用，很容易吸收噪声，使得触摸屏控制器很难处理触摸屏传感器发出的弱信号。 其它噪声源：移动设备的主要噪声源是LCD屏、LCD逆变器、WiFi天线、GSM天线和设备中的各种高速电路。环境噪声也对触控系统有很大影响，如一些交流电源会产生很强的噪声，这些噪声会经由AC适配器传播。同样，当把设备放在台式荧光灯等强噪声源附近时，触控系统会把噪声误认为有效的触摸行为。 通常条件下，对正常大小的手指(>7mm)而言，高SNR的控制器不比低SNR的控制器有很大的优势，只有在在强噪声环境中，如使用书写笔或使用戴手套的手指输入，信号很弱的时候优势才会体现出来。低SNR控制器不能把信号从噪声中区分出来。如果降低传感器阈值以增加探测灵敏度，触控系统则会很容易被误触发，引起误操作，这在实际应用中是绝对不被允许的。应用挑战 触摸精度：触摸精度是触摸屏传感器设计的一个重要指标。例如，在虚拟键盘应用中，字符被紧凑的排在一个很小的区域内，精确响应触摸动作，避免误输入字符很关键。提高精度的方法之一是在控制器中增加更多的传感器通道，支持更高的触摸屏传感器网格密度。但这将付出成本的代价，因为触摸屏传感器和触摸屏控制器都需要更多的引脚。此外，更多的传感器通道需要在触摸屏边界增加更多的走线，会增加边界宽度。 高SNR触摸屏控制器能够增强检测精度，因为它对弱信号的检测能力更强，并从较大的周边范围内收集采样数据，而较大的检测范围提供了更多的参考点，从而触摸位置可以被精确算出。图3揭示了触摸屏控制器SNR对划线精度的影响，这是一个机械臂握着一个4mm金属片所画的直线。高SNR控制器画出的直线显然比低SNR控制器画出的直线更平滑。注意这些测量结果都是由相同的触摸屏传感器和相同的后处理软件记录的，以保证公正的比较。图3. 一个机器臂握着4mm金属片画的直线。左侧使用的是高SNR的触摸屏控制器；右侧使用的是低SNR触摸屏控制器。 书写笔：电阻触摸屏用户长期以来已经习惯了使用带有尖的书写笔。典型电阻触摸屏书写笔笔尖直径小于1mm，通常用不导电的塑料制作。对于电容触控系统来说，检测这样一个细小、不导电的器件很困难，因为它能够给触摸屏控制器提供的信号非常微弱。市场上很多触控系统使用的书写笔笔尖直径很大(3－9mm)，使得书写和绘画都变的很困难，因为笔尖粗会使得书写的痕迹很模糊。 只要书写笔用导电材料包裹(一个相对较小的牺牲)，高SNR的触摸屏控制器可以检测到1mm直径笔尖的书写笔。图4说明了触摸屏控制器SNR对2mm导电笔尖的书写笔检测结果的影响。低SNR的控制器很难从背景噪声中识别出小笔尖的书写笔，尤其在屏幕噪声最大的部分。在低SNR情况下使用1mm笔尖的书写笔将导致有用信号淹没在背景噪声中，导致书写笔无法使用。图4. 4英寸屏上使用2mm导电书写笔的电容值剖面图，左侧剖面使用高SNR触摸屏控制器；右侧使用低SNR触摸屏控制器。书写笔位于绿色锥体顶部；白色平面的高度代表了背景噪声。信噪比的增加有效降低了背景噪声幅度，如左图所示。如果右图中的书写笔移到屏幕的左边，信号将被噪声淹没，书写笔将无法工作。 非接触检测：接近检测逐渐在触摸屏应用中被采用。例如，通过增加触控系统的灵敏度，当使用电子书时，用户可以手势翻页，而不需要实际触碰屏幕。但触控系统增加灵敏度也很容易被环境噪声触发，设计者一直在努力寻找最佳平衡，既要最大化接近距离，又不至于引起误触发。三菱在这个领域做了一些有趣的研究，他们建了一个触控系统，基于触摸手指是悬空还是真实触摸来自动调节灵敏度。 戴手套操作：在医学应用中，触摸屏需要能在带着外科手套的情况下工作。与之类似，车载触摸屏GPS需要能在冬天戴手套时使用，大多数手套是由介电材料做成的，这使得触摸屏传感器很难检测到触摸动作。增加触摸屏控制器的灵敏度可能在用户不带手套时引起误触发。唯一解决方法是需要应用(或用户)根据情况选择不同灵敏度。结论 高SNR电容型触摸屏控制器带有很多优势，它可以满足如书写笔，小手指和手套等广泛的设计和应用要求。它可以帮助改善触摸精度而不需要专门的ITO传感器样式或增加传感器通道。它可以满足各种显示器及不同背光灯的要求，同时保持很好的触摸性能，它为传感器设计和生产提供了更灵活的选择。使触控系统可以工作在强噪声环境中，并可减小设备本身来自LCD，WiFi天线，GPS天线和AC适配器的噪声。它给予设备OEM商更多的自由来选择元器件。最后，从性能的观点来看，它提供了精确的触摸精度。总之，高SNR触摸屏控制器能帮助终端用户实现更可靠的应用。参考文献G. Barrett and R. Omote, "Projected-Capacitive Touch Technology," Information Display, Vol. 26, No. 3, March 2010, pp 16-21.T. Nezu, "Mitsubishi Demos '3D Touch Panel,'" Tech-On!, March 11, 2009.