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文/愛特梅爾公司

　　在蘋果(Apple)iPhone及相關(guān)產(chǎn)品中，其概念是首先建構(gòu)用戶接口——電容式觸控屏幕，然后利用基本的硬件和出色的軟件來實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)能力并提供應(yīng)用支持。通過這種途徑，用戶便能夠以新穎直觀的方式與產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)。

　　電阻式觸控屏幕在消費(fèi)者設(shè)備中廣被采用，主要是提供基本的觸控按鍵切換功能或其它簡(jiǎn)單的虛擬用戶接口元素(如滾動(dòng)條控制)。這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種情景式用戶接口方案，有助于縮小設(shè)備單元的尺寸和外部復(fù)雜性，并提供新的工業(yè)設(shè)計(jì)選擇。不過，電阻式觸控屏幕的光學(xué)性能較差，又存在可靠性問題，支持手勢(shì)輸入的能力相當(dāng)有限，而且解釋兩個(gè)或更多個(gè)同時(shí)觸控點(diǎn)的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸控屏幕的使用，致使其迅速讓位于電容式觸控屏幕。

　　過去幾年間，電容式觸控屏幕技術(shù)已迅速發(fā)展成熟，它結(jié)合了在低成本硬件上運(yùn)行的先進(jìn)算法和精細(xì)的材料技術(shù)，創(chuàng)建出高度可靠且穩(wěn)健的用戶接口。

　　但早期的電容式觸控屏幕技術(shù)，以至目前市面上較低檔產(chǎn)品的分辨率都很低，又存在液晶顯示器(LCD)或其它噪聲源的系統(tǒng)層面干擾問題，導(dǎo)致性能嚴(yán)重降低。

　　投射電容式觸控屏幕可以在目標(biāo)(如手指)接近或接觸到屏幕表面時(shí)檢測(cè)到電容的細(xì)小變化。當(dāng)一根手指或多根手指接觸屏幕時(shí)，有多種方法對(duì)觸控屏幕表面的電容變化進(jìn)行測(cè)量和解釋。電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)(Capacitive to Digital Conversion，CDC)與用于電荷收集的電極結(jié)構(gòu)的空間排列(通常是顯示屏幕表面的一層透明的感測(cè)薄膜)，兩者都對(duì)所達(dá)到的整體性能和簡(jiǎn)易設(shè)置能力有著重大的影響。

　　提升電容觸控可靠性 CDC/電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)缺一不可

　　對(duì)于投射電容式觸控屏幕的電容變化，有兩種基本的排列和測(cè)量方法：自電容和互電容?；ル娙轀y(cè)量法具有按正交矩陣排列的發(fā)射和接收電極，這是電容式觸控屏幕可靠地報(bào)告和跟蹤多個(gè)并發(fā)觸控點(diǎn)的唯一方式。為簡(jiǎn)單起見，可假設(shè)該技術(shù)由許多較小的觸控屏幕組成，這些小觸控屏幕又是通過電極結(jié)構(gòu)的幾何排列而形成，整個(gè)裝置被視為一個(gè)完整的觸控屏幕表面。只要能夠識(shí)別每個(gè)“小”觸控屏幕內(nèi)的多個(gè)觸控點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)此一功能。由于可獨(dú)立測(cè)得矩陣中每個(gè)點(diǎn)的電容耦合，故完全能夠確定多個(gè)觸控點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

　　以自電容為基礎(chǔ)的觸控屏幕卻與之相反。自電容式方案是對(duì)整行或整列的電容變化進(jìn)行測(cè)量(與互電容式方案中測(cè)量一行和一列的交叉點(diǎn)截然不同)。若用戶壓觸兩個(gè)地方，這種方法會(huì)導(dǎo)致位置不明確。雖然利用軟件有可能對(duì)觸碰位置進(jìn)行某種程度的重建，但總是存在一定的模糊性，因而被解釋的觸控點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生“鬼點(diǎn)”位置，繼而導(dǎo)致無意的行為被報(bào)告給系統(tǒng)主機(jī)。該方案還存在一種有害的副作用，即當(dāng)兩個(gè)觸控點(diǎn)共享同一行或同一列電極時(shí)，報(bào)告的坐標(biāo)往往“固定”到有關(guān)電極，形成嚴(yán)重的非線性現(xiàn)象。在實(shí)踐中，自電容式只用于單觸控點(diǎn)或極有限的雙觸控點(diǎn)應(yīng)用(圖1)。

　　在以互電容為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，每個(gè)觸控點(diǎn)都由一對(duì)(x,y)坐標(biāo)來表示；而在自電容式系統(tǒng)中，觸控點(diǎn)x和y坐標(biāo)的檢測(cè)是彼此獨(dú)立的。在互電容式系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)兩個(gè)觸控點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果由(x1,y3)和(x2,y0)表示，但在自電容式系統(tǒng)中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自電容式系統(tǒng)是無法確定(x1,y0)、(x2,y0)、(x1,y3)和(x2,y3)這些觸控點(diǎn)中哪一個(gè)是正確的。  

　　CDC測(cè)量的基礎(chǔ)方法也對(duì)電容式觸控屏幕的工作方式造成重要的影響。有多種技術(shù)可用于信號(hào)擷取，例如弛張式振蕩器(Relaxation Oscillator)、CSA、Sigma Delta轉(zhuǎn)換器等，并各有其優(yōu)勢(shì)和缺陷。從互電容式測(cè)量的角度來看，它們都有一個(gè)嚴(yán)重限制效用的主要缺點(diǎn)：在測(cè)量周期中，矩陣?yán)镄酒突ヂ?lián)之間的配線仍然對(duì)觸碰(熱點(diǎn))很敏感。因?yàn)閭鞲衅鞯倪吘壟渚€會(huì)影響計(jì)算位置的信號(hào)，這種情形將導(dǎo)致測(cè)量中的位置錯(cuò)誤，對(duì)測(cè)量極為不利。此外，它還會(huì)使從傳感器到驅(qū)動(dòng)器芯片的布線連接幾乎只限于幾厘米之內(nèi)。上述問題中有些可以通過小心設(shè)計(jì)得到部分解決，但這也同時(shí)會(huì)對(duì)整體性能構(gòu)成嚴(yán)重影響。

　　以愛特梅爾(Atmel)的maXTouch為例，即采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)來進(jìn)行CDC測(cè)量，能夠在電荷擷取過程中有效地保持接收線路零電勢(shì)，因此只須在主要傳感器區(qū)域中目標(biāo)點(diǎn)上7684發(fā)射電極X和接收電極Y之間轉(zhuǎn)移電荷。此外，還可把觸控屏幕附近乃至觸控屏幕表面上的局部濕氣或其它潛在導(dǎo)電材料的影響降至最低。  

　　總括來說，以電極數(shù)組中互電容式測(cè)量為基礎(chǔ)的觸控屏幕解決方案不足以實(shí)現(xiàn)可靠的解決方案，而必須結(jié)合采用了電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的穩(wěn)健CDC，才是迄今最好的選擇。

　　電極正交網(wǎng)絡(luò)為傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵

　　觸控屏幕中的傳感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一層或多層圖樣化透明導(dǎo)體構(gòu)成，傳感器位于顯示板之上。為了建構(gòu)能夠通過玻璃或塑料前面板識(shí)別一個(gè)或多個(gè)手指觸碰的傳感器，必須精心設(shè)計(jì)電極正交網(wǎng)絡(luò)(圖2)。

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