1.投射式電容觸控

    投射電容(Projected Capacitive)觸控面板的基本結(jié)構(gòu)與動(dòng)作原理，如圖1 所示，其縱橫鋪設(shè)電極與四線阻抗膜方式相同，不過投射電容方式的阻抗膜卻不是通過觸控領(lǐng)域，而是捕捉電極之間的電容變化。整體而言，幾乎可說是觸控切換器在使用電容感測(cè)方式時(shí)的二次元擴(kuò)充版。關(guān)于觸控切換器，下文會(huì)有更多描述。

圖1 投射容量式觸控面板基本結(jié)構(gòu)

    由于人體會(huì)攜帶水分，也是優(yōu)秀導(dǎo)體，故人體若靠近電極，手指與電極之間的電容會(huì)增加，此時(shí)只要調(diào)查哪條線的靜電容量變大，就知道哪個(gè)點(diǎn)被觸控。投射電容方式不須類似阻抗膜方式的電極變形，距離觸控面板表面10 毫米也能夠感測(cè)。此外，面板表面覆蓋玻璃抗刮性、耐久性、耐環(huán)境性都很強(qiáng)，不過不會(huì)產(chǎn)生電容變化的絕緣物觸控面板無法運(yùn)作，因此手套觸控?zé)o法操作。

    2.表面電容觸控

 

    表面電容方式(Surface Capacitive)與投射電容方式相同，都是感測(cè)靜電容量的變化，若將投射電容方式視為四線阻抗膜方式，表面電容方式就等于五線阻抗膜方式，其中第五線就是人體。

    表面電容方式的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，是由透明導(dǎo)電膜與四角落的電極構(gòu)成，操作時(shí)對(duì)四角落的電極施加相同電壓，面板整體會(huì)形成均勻電界，全部都是同相位時(shí)，面板上的電容會(huì)放電，此時(shí)電流不會(huì)流動(dòng)。反之，當(dāng)手指觸控面板時(shí)，變成與利用電容器接地的狀態(tài)相同，電流從四角落通過手指流動(dòng)，越靠近觸控部位的電極電流值越大，此時(shí)只要量測(cè)來自四角落的電流量的比率，就可以判斷特定部位。

圖2 靜電容量方式的基本結(jié)構(gòu)

    或許有人會(huì)擔(dān)心，電流對(duì)人體造成的影響，但其實(shí)電流值非常低，不會(huì)影響人體。此外，表面電容方式毋須鋪設(shè)電極，因此結(jié)構(gòu)上相當(dāng)簡(jiǎn)潔。值得一提的是，表面若有水滴，容易影響電容觸控方式，因此某些設(shè)計(jì)利用演算處理排除水滴的影響。

    3.省去機(jī)械接點(diǎn)開關(guān)電容觸控感測(cè)應(yīng)用加溫

 

    以上介紹觸控面板常用的方式，不過由于近年數(shù)字消費(fèi)性電子(CE)產(chǎn)品的小型化，無機(jī)械接點(diǎn)的觸控切換器(Touch Switch)也開始受到矚目，其使用的靜電容量觸控感測(cè)方式也跟著受到重視。近期投入相關(guān)靜電容量觸控感測(cè)芯片供應(yīng)廠商包括亞德諾(ADI)、賽普拉斯、飛思卡爾(Freescale)、在2008 年2 月時(shí)被Atmel 收購的Quantum Research、奧姆龍(Omron)與羅姆(Rohm)等；表2 是觸控感測(cè)方式的比較。

最佳 ◎ 佳 ○ 普通 Δ

    由于電容觸控感測(cè)方式毋須仰賴機(jī)械接點(diǎn)開關(guān)即可感測(cè)觸控位置，因此近期頗受重視，主要優(yōu)點(diǎn)包括，成本不會(huì)隨感測(cè)點(diǎn)數(shù)的增加而上升；無機(jī)械結(jié)構(gòu)，耐久性佳；設(shè)計(jì)自由度高；接點(diǎn)部位維持絕緣狀態(tài)，毋須電鍍處理；防水、防塵容易；且復(fù)數(shù)接點(diǎn)并列形成滑塊(Slider)，可以感測(cè)手指的移動(dòng)位置。

    其具體結(jié)構(gòu)是在印刷基板上制作切換圖案，由于不需任何切換器組件，因此切換器的成本幾乎是零，不過，由于相對(duì)要求容量感測(cè)用電路，制作成本比較不利。

    前文曾提及，賽普拉斯的PSoC 技術(shù)，可制成內(nèi)嵌支持觸控傳感器模擬電路微處理器的電容式觸控傳感器組件，廣泛應(yīng)用在MP3 播放器等各種攜帶型CE 操作面板。

    由于電容式觸控傳感器操作時(shí)完全沒有觸壓感，因此某些設(shè)計(jì)刻意組合機(jī)械結(jié)構(gòu)，制成具備機(jī)械感測(cè)機(jī)構(gòu)的觸控傳感器，操作時(shí)可以獲得傳統(tǒng)機(jī)械接點(diǎn)式的操作感受。

    4.捕捉電容助感測(cè)操作

 

    電容式觸控傳感器的基本設(shè)計(jì)思維與投射容量方式完全相同，如圖3 所示，兩者都是捕捉電極之間的電容變化，制作上是在印刷基板上形成電極，電極表面再覆蓋焊阻抗劑(Solder Resistor)，其中一方當(dāng)作接地，另一個(gè)當(dāng)作感測(cè)電極。

圖3 手指接近時(shí)電容增加

    圖4 是實(shí)際按鍵部位的圖案與感測(cè)距離的范例，隨著按鍵形狀、尺寸不同，感測(cè)距離也會(huì)產(chǎn)生變化。距離太長(zhǎng)容易發(fā)生失誤，距離太短容易反應(yīng)遲鈍，因此實(shí)際應(yīng)用必須根據(jù)用途與機(jī)器的結(jié)構(gòu)，調(diào)整按鍵部位的圖案。

圖4 弛張震蕩電路PWM 切換電路的基本結(jié)構(gòu)

    圖4(d)呈現(xiàn)的鋸齒狀為滑塊用，它可以感測(cè)手指處于水平方向的方位，應(yīng)用在類似MP3等歌曲點(diǎn)播、音量調(diào)整，要求以手指橫向操作的產(chǎn)品上。而電容式觸控感測(cè)的運(yùn)作方式如下：

    4.1 弛張振蕩

 

    量測(cè)電容器的容量變化，是弛張振蕩方式(Relaxation Oscillator)典型方法，如圖5 所示，弛張振蕩方式利用電阻器與定電流電源使電容器充電，接著量測(cè)一定電壓的時(shí)間，當(dāng)手指觸壓面板時(shí)，電容器的容量越大，反應(yīng)時(shí)間則越來越遲緩。

圖5 手指接近時(shí)電容改變

    此處假設(shè)反應(yīng)時(shí)間為t，電源電壓為Vin，電容器的端子之間電壓為Vout，如此一來Vout 就變成下列指數(shù)關(guān)系： Vout = Vin(1-e-t/RC),t 與RC 的積成比例，因此RC 稱為「時(shí)定數(shù)」，假設(shè)：Vout=0.63×Vin，t≒RC，換句話說，若將Vout=0.63×Vin 當(dāng)作臨界(Threshold)時(shí)，到達(dá)該電壓的時(shí)間幾乎與RC 的積相同，因此計(jì)算上相當(dāng)容易。

    圖6 是利用上述特性構(gòu)成的RC 振蕩電路，包括滯后(Hysteresis)振蕩電路及弛張振蕩電路；不過這類設(shè)計(jì)方式RC 的積--亦實(shí)時(shí)定數(shù)，會(huì)變成一個(gè)問題。其主要理由是，與手

指之間的容量很小，時(shí)定數(shù)大到某種程度時(shí)必須增加R，其結(jié)果造成觸控部位的阻抗(Impedance)增加，容易受噪訊影響(圖7)。

圖6 RC 振蕩電路的基本結(jié)構(gòu)

圖7 利用RC 時(shí)定數(shù)檢測(cè)方式易受噪訊影響

    4.2 充電轉(zhuǎn)換

 

    這種方式兼具降低觸控部位的阻抗，以免受到噪訊影響，還可同時(shí)感測(cè)容量變化的方式。典型例子為Quantum 開發(fā)的充電轉(zhuǎn)換(Charge Transfer)方式。如圖8 所示，充電轉(zhuǎn)換方式是由設(shè)定切換器(Reset Switch)與電荷儲(chǔ)存用電容器構(gòu)成。

圖8 充電轉(zhuǎn)換方式的基本結(jié)構(gòu)

    圖9 則是充電轉(zhuǎn)換器方式的動(dòng)作特性，首先連接VDD 與端子，接著轉(zhuǎn)換切換器，儲(chǔ)存在CP 的電荷會(huì)移動(dòng)到Csum，轉(zhuǎn)換切換器時(shí)Csum 的電壓會(huì)上升，上升的幅度則由CP 與Csum的容量比決定，此時(shí)只要量測(cè)超過一定電壓(Vin)的時(shí)間，就知道CP 的變化。量測(cè)結(jié)束后利用再設(shè)定切換器使CP 放電回到初期狀態(tài)。

圖9 充電轉(zhuǎn)換器方式的動(dòng)作特性

    CP 充電階段端子與電源連接，因此阻抗維持低強(qiáng)度狀態(tài)，此時(shí)CP 端子部位的阻抗可能變高，不過CP 的容量比Csum 大，而且電荷的轉(zhuǎn)送瞬間就結(jié)束，容易受噪訊影響的端子部位，呈電氣性連接的時(shí)間非常短就結(jié)束，因此可以使影響抑制在最小范圍。充電轉(zhuǎn)換器方式的外置組件非常少，一般認(rèn)為充電轉(zhuǎn)換方式可算是優(yōu)秀的觸控組件。盡管技術(shù)突出，但因上述充電轉(zhuǎn)換器方式擁有專利，因此不愿付費(fèi)的廠商，在研發(fā)具備觸控感測(cè)功能的IC 商品時(shí)，勢(shì)必回避專利。

    4.3 CSA

 

    CapSense Successive Approximation(CSA)是賽普拉斯半導(dǎo)體開發(fā)的觸控技術(shù)，適用于模擬/數(shù)字混合訊號(hào)處理器的PSoC。

    圖10 是CSA 方式的基本結(jié)構(gòu)，外觀非常類似充電轉(zhuǎn)換方式，CSA 與充電轉(zhuǎn)換間最大差異是切換器的連接，尤其是CSA 的電容器高速開關(guān)時(shí)，可以獲得類似電阻器的切換容器動(dòng)作特性。

圖10 CSA 方式的基本結(jié)構(gòu)

    CSA 與電阻器電路的動(dòng)作波形比較如圖11，右側(cè)反復(fù)切換部分相當(dāng)于左側(cè)電阻器，觸控時(shí)的容量變化相當(dāng)于阻抗值變化，切換時(shí)的輸出電壓利用下式表示：VOUT=I/NC

圖11 CSA 方式的動(dòng)作特性

    隨著手指的靠近增C 大，VOUT 則變低。一旦停止切換動(dòng)作，透過定電流源的供應(yīng)電壓上升，到達(dá)默認(rèn)臨界電壓的時(shí)間，隨著切換時(shí)的電壓，亦即感測(cè)部位的容量改變。

 

    4.4 串聯(lián)容量分壓比較

    串聯(lián)容量分壓比較方式與充電轉(zhuǎn)換方式相同，都是利用電荷的移動(dòng)特性，它是奧姆龍專利的感測(cè)方式。

    如圖12 所示，串聯(lián)容量分壓比較方式是由電阻器與基準(zhǔn)用電容器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)上的特征是基準(zhǔn)用電容器與傳感器部位的容量CP 呈串聯(lián)狀態(tài)，利用該串聯(lián)容量的切換使充電用電容器放電，接著量測(cè)電壓降至一定位置的時(shí)間，是串聯(lián)容量分壓比較方式的基本動(dòng)作原理。

圖12 串聯(lián)容量分壓比較方式的基本結(jié)構(gòu)

    圖13 是串聯(lián)容量分壓比較方式的動(dòng)作特性，如圖所示，步驟1 對(duì)充電用電容器進(jìn)行充電，步驟2 使基準(zhǔn)用電容器與傳感器部位的電容器放電，此時(shí)通過電阻器充電用電容器會(huì)被放電，因此切換器SW2 與SW3 的ON 時(shí)間非常短。

圖13 串聯(lián)容量分壓比較方式的動(dòng)作特性

    4.5 分流

 

    分流(Shunt)方式主要使用模擬組件電容式觸控感測(cè)IC，分流方式的動(dòng)作原理如圖14，它與無線通信的動(dòng)作原理非常類似，兩個(gè)圖案其中一個(gè)當(dāng)作送訊天線以高頻驅(qū)動(dòng)，另外一個(gè)當(dāng)作收訊天線接收訊號(hào)進(jìn)行。

圖14 分流方式的動(dòng)作原理

    如圖14，上方天線彼此呈電界結(jié)合狀，一旦手指靠近就變成圖14(b)，由于人體本身就是接地物體，相當(dāng)于一塊矗立的遮蔽板，因此收訊強(qiáng)度會(huì)降低。 值得一提的是，觸控感測(cè)晶片會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境變化進(jìn)行補(bǔ)償，它會(huì)依照觸控手指大小造成變化量的增減，自動(dòng)調(diào)整開關(guān)臨界強(qiáng)度與感度。

    4.6 切換容量

 

    圖 15 是切換容量方式的動(dòng)作原理，首先將電容器與切換器連接，利用頻率交互進(jìn)行開關(guān)。電壓V 的電源一旦被接通，會(huì)將Q=CV 的電荷Q(C)儲(chǔ)存在容量C 的電容器。反復(fù)使電容器充電、放電時(shí)，CV 的電荷會(huì)移動(dòng)，1 秒鐘反復(fù)N 次，呈現(xiàn)Q=NCV 的電荷移動(dòng)狀態(tài)。圖15 利用電容器制作阻抗接著將電阻器與電源連接進(jìn)行比較，R(Ω)電阻器的兩端如果施加V(V)，流動(dòng)電流I(A)變成：I=V/RI(A)是指1 秒鐘I(C)的電荷移動(dòng)，1 秒鐘的Q(C)的電荷移動(dòng)變成：Q=V/R兩式比較可以發(fā)現(xiàn)從CV=V/R變成NC=1/R，換句話說以N(Hz)切換，相當(dāng)于連接1/NC(Ω)電阻器進(jìn)行電荷移動(dòng)。

    輸出電壓利用切換動(dòng)作反復(fù)上下移動(dòng)，此時(shí)若以低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF)平滑化，就可以獲得使用電阻器相同效果。

    5 感應(yīng)電容觸摸屏

 

    內(nèi)部電容(Inner Capacitive)方式是電容式感測(cè)的改良版，主要特征包括，保持電容式的優(yōu)點(diǎn)，低價(jià)、輕巧，戴手套可以觸壓控制，應(yīng)用電容式觸控面板的感測(cè)技術(shù)與利用阻抗膜式觸控面板的制造技術(shù)與制造設(shè)備等。

    感應(yīng)電容觸摸屏與表面電容觸摸屏相比，可以穿透較厚的覆蓋層，而且不需要校正。媲美電容式的耐久性，大于5,000 萬次；耐擦傷性大于3Ｈ、可負(fù)載250 公克的鐵絲球，反復(fù)10 次，并進(jìn)而提高AR 膜片的實(shí)力。此外，操作溫度范圍介于-30～+85℃之間，保存溫度范圍則為-40～+95℃。圖16 是表面與內(nèi)部電容方式的比較；圖17 是內(nèi)部電容觸控面板的驅(qū)動(dòng)電路方塊圖。

圖16 表面電容感測(cè)與內(nèi)部電容感測(cè)的比較

圖17 內(nèi)部電容觸控面板的驅(qū)動(dòng)電路方塊圖

    5.1 電極設(shè)計(jì)

 

    感應(yīng)電容式在兩層ITO 涂層上蝕刻出不同的ITO 模塊，需要考慮模塊的總阻抗，模塊之間的連接線的阻抗，兩層ITO 模塊交叉處產(chǎn)生的寄生電容等因素。而且為了檢測(cè)到手指觸摸，ITO 模塊的面積應(yīng)該比手指面積小，當(dāng)采用菱形圖案 時(shí)，對(duì)角線長(zhǎng)通常控制在4 到6 毫米（見圖18）。

圖18 感應(yīng)電容觸摸屏結(jié)構(gòu)

    5.2 電容式觸摸屏解決方案

    目前的電容式觸摸屏解決方案中，Cypress PSoC 產(chǎn)品以可編程，設(shè)計(jì)靈活，一致性好， 再加上高效的PSoC Express / PSoC designer 開發(fā)環(huán)境而處于領(lǐng)先地位。PSoCCapSense 技術(shù)是根據(jù)電容感應(yīng)的原理使用CSA 或CSD 模塊來實(shí)現(xiàn)的。PCB 板或觸摸屏上相鄰的感應(yīng)模塊或?qū)Ь€之間會(huì)存在寄生電容（見圖19 中的Cp），當(dāng)有手指接近或觸摸兩個(gè)相鄰感應(yīng)模塊時(shí)，相當(dāng)于附加了兩個(gè)電容，它們相當(dāng)于并聯(lián)在Cp 上的電容Cf。利用PSoC 的CSA 和CSD 技術(shù)可以檢測(cè)到 這個(gè)電容上的變化，從而確定有沒有手指觸摸。

圖19 PSoC CapSense 檢測(cè)電容原理

    PSoC 觸摸屏解決方案的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在：

    a. 是一種單芯片方案，和傳統(tǒng)方案相比減少了外部器件，降低了系統(tǒng)總體BOM 成本。

    b. 通過使用I2C-USB Bridge 和其他相關(guān)工具，結(jié)合PSoC Express / PSoC designer 開發(fā)環(huán)境，可以極大地節(jié)省開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。

    c. PSoC 內(nèi)部的IO 和各種類比/數(shù)位模塊可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重配置，不需要修改原理圖和PCB 就可以更新設(shè)計(jì)以適應(yīng)新的需求。它還支持多種通訊接口I2C / UART / SPI / USB 等，可以和各種接口的主機(jī)方便連接，這些都會(huì)降低系統(tǒng)更新的成本。

    d. PSoC 可以針對(duì)外界環(huán)境變化 /RF 干擾 / 溫度變化 / 電源波動(dòng)等靈活設(shè)置參數(shù)，在LCD顯示器、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和白色家電的觸摸控制中得到了廣泛的應(yīng)用。

    e. 除了控制觸摸以外，PSoC 還可實(shí)現(xiàn)LED 背光控制，馬達(dá)控制，電源管理，I/O 擴(kuò)展等增值功能。

    PSoC 已經(jīng)應(yīng)用在在多種尺寸的觸摸屏中，如果要實(shí)現(xiàn)表面電容觸摸屏的控制，可以由CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通過CSD 模塊來實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電容觸摸屏的控制，可以由CY8C20x34 系列通過CSA 模塊，也可由 CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通過CSD 模組來實(shí)現(xiàn)。

    6．電容觸摸屏與電阻觸摸屏比較

    在觸摸屏產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)性能和成本進(jìn)行權(quán)衡。電阻觸摸屏的成本較低，競(jìng)爭(zhēng)就很激烈，而且在性能和應(yīng)用場(chǎng)合上有一定局限。

    a.電容觸摸屏只需要觸摸，而不需要壓力來產(chǎn)生信號(hào)。

    b. 電容觸摸屏在生產(chǎn)后只需要一次或者完全不需要校正，而電阻技術(shù)需要常規(guī)的校正。

    c. 電容方案的壽命會(huì)長(zhǎng)些，因?yàn)殡娙萦|摸屏中的部件不需任何移動(dòng)。電阻觸摸屏中，上層的ITO 薄膜需要足夠薄才能有彈性，以便向下彎曲接觸到下面的ITO 薄膜。

    d. 電容技術(shù)在光損失和系統(tǒng)功耗上優(yōu)于電阻技術(shù)。

    e. 選擇電容技術(shù)還是電阻技術(shù)主要取決于觸碰屏幕的物體。如果是手指觸碰，電容觸摸屏是比較好的選擇。如果需要觸筆，不管是塑料還是金屬的，電阻觸摸屏可以勝任。電容觸摸屏也可以使用觸筆，但是需要特制的觸筆來配合。

    f. 表面電容式可以用于大尺寸觸摸屏，并且相成本也較低，但目前無法支持手勢(shì)識(shí)別；感應(yīng)電容式主要用于中小尺寸觸摸屏，并且可以支持手勢(shì)識(shí)別。

    g. 電容式技術(shù)耐磨損、壽命長(zhǎng)、用戶使用時(shí)維護(hù)成本低，因此生產(chǎn)廠家的整體運(yùn)營(yíng)費(fèi)用可被進(jìn)一步降低。

    7. 電容式觸摸屏的發(fā)展趨勢(shì)

    目前電容觸摸屏已經(jīng)應(yīng)用在了iPhone 及其它手持設(shè)備上，定位單點(diǎn)軌跡 / 模擬鼠標(biāo)雙擊是它的基本功能，電容觸控比電阻式觸控有更高透光度、分辨率，使用壽命亦比電阻式觸控長(zhǎng)，在便攜式應(yīng)用中，用戶一手拿著設(shè)備，只能用另一只手操作，因此識(shí)別多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 壓縮、旋轉(zhuǎn)、翻頁等手勢(shì)操作就顯得尤為重要。PSoC 感應(yīng)電容觸摸屏已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)，從而支持兩手指的手勢(shì)識(shí)別。多手指手勢(shì)操作的識(shí)別和應(yīng)用成為當(dāng)前市場(chǎng)的熱點(diǎn)，預(yù)計(jì)未來電容式觸控，將逐漸取代電阻式觸控技術(shù)，來電容式觸控不只手機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，未來觸控技術(shù)商機(jī)，也有機(jī)會(huì)拓及各類可攜式產(chǎn)品、家電應(yīng)用。

    可以預(yù)見支持手勢(shì)識(shí)別的電容式觸摸屏將在市場(chǎng)上大放光彩。