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电容式触控萤幕可携式设备手写输入技术
 

【作者: Hal Philipp】2006年01月25日 星期三

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Samuel C. Hurst博士在1971年提出了电子触控式介面的想法,至1974开始出现最早的触控面板。早期的相关专利几乎无一例外都着眼于检测压力的电阻式技术。渐渐地,诸如电容式、表面声波技术还有红外线遮断等其他技术都在各自适合的应用中找到了一席之地。


对于成本敏感的消费性应用,尤其是使用小型触控萤幕的可携式设备,电阻式触控萤幕仍占主流地位。表面声波以及红外线遮断触控萤幕用于这些应用明显太过昂贵,而传统的电容式技术又备受长期稳定性不佳、易受潮湿侵蚀、不耐磨损以及由于EMC或其他外界因素导致的误动作等一系列缺点的困扰。但电阻式触控萤幕也有其局限性,而且电容式技术也在不断进步,特别是那些以电荷转移感测方法为基础的技术,将会给电子及电气产品设计师实现触控萤幕的方式带来巨大的变化。


电阻式触控萤幕

如(图一)所示的阻性触控萤幕的典型结构中,就能看出其叠层结构很复杂。触控萤幕朝向用户一侧的表面,可以称之为外表面,必须覆盖上由抗刮擦层保护并由许多微小的点隔开的导电和电阻层──这就需要至少四层材料了。另外,有时还需要抗反光层以补偿光在导电和电阻层之间间隙中的折射带来的不期望反射。


《图一 阻性触控屏幕的典型结构》
《图一 阻性触控屏幕的典型结构》

触摸的压力使得由铟锡氧化物(ITO)构成的触控萤幕的导电和电阻层之间产生电气接触。这种技术已经相当成熟,以至于有的制造商宣称其产品上任意一点都可以承受3000万次以上的触压。


对于电阻式触控萤幕更为严格的审视揭露出其真正的局限性。构成萤幕的多层材料会严重阻碍光线的透射。实际上,最好的电阻式触控萤幕的透射率也只能达到75%的水准。如果将从萤幕后方投射过来的背光加大到一个相对较高的水准,透光率较低也就算不上什么大问题,但这样做会有额外的功耗,也就需要更大的电池或缩短可携式设备在两次充电之间的使用时间。更高功率的背光照明意味着要由更大功率的LED或EL照明灯来产生,也代表着更高的成本。因为电阻式触控萤幕覆盖在萤幕外表面,所以很容易遭到损坏。如果用合适的压力以适当的角度接触萤幕,其使用寿命的确会很长,但现实中却并非如此。实际上,电阻式触控萤幕(尤其是低成本类型)确实在大多数的家用以及工业环境中磨损的非常快,而在需要定期清洁的场合中(例如医疗设备或厨房家电之类的场合)磨损的就更快。整个模组必须有一个顶部压框来保护萤幕的边缘,而这又需要进行密封以防止玷污。这通常也就意味着需要在设备面板上打孔。听起来这没什么大不了的,但打孔以及黏着压框会使得整个组件的成本大为提升。由于电阻式触控萤幕必须依靠物理压力才能工作,也就是说磨损是不可避免的。


外表面电容式触控萤幕

最近几年,在显示器外表面采用ITO层的电容式触控萤幕已经出现,但由于受高居不下的结构和驱动成本的限制,仅限于在诸如资讯站或游戏机这样的大萤幕上采用。尽管任何电容式触控萤幕都消除了机械运动问题,许多早期的实现方案仍需要两层ITO,因而光的吸收问题依然存在。如果这些薄膜黏着到萤幕的内表面却又容易受到人手阴影效应的影响,因为用户意图触及的区域之外,如人手下方及其周围的区域会产生足够大的电容,从而引发严重的定位报告错误。均匀沉积的ITO还会导致(图二)所示的枕形失真,这通常要由低阻抗的边缘图案来校正。如果不采用这种边缘图案,就需要采用复杂的六阶补偿演算法并耗费相应的运算能力。由于ITO不耐刮擦,外表面的覆盖层还是很容易被损坏。这些类型的触控萤幕还需要在其面板上开窗,以​​便于接触到其表面,而这又使得必须采用压框以及密封措施,同时也带来了相关的成本。


《图二 均匀沈积的ITO出现枕形失真》
《图二 均匀沈积的ITO出现枕形失真》

内表面电容式触控萤幕

仅需要单个ITO层、成本与电阻式触控萤幕相当的内表面电容式触控萤幕的开发是一大进展,其也许能使小型电阻式触控萤幕成为历史。它具有更高的透光率、组装更简单和便宜,即使在最恶劣的环境中也具有稳定的性能,而且理论上其使用寿命是无限的,还能透过软体针对不同的应用程式和语言对显示器进行客制化。 (图三)所示是内表面电容式触控萤幕显示器的典型结构,在显示面板的背面,也就是内表面,覆以单个ITO层。


《图三 内表面电容式触控屏幕显示器典型结构》
《图三 内表面电容式触控屏幕显示器典型结构》

机械结构更简单,透光率更高

如图三所示,内表面电容式触控萤幕的机械结构大幅简化。单层ITO被印制到透明塑胶(PET)膜上,再用透明黏着剂将印好的塑胶膜黏到显示器的玻璃或塑胶前面板的内表面上。 ITO膜是以一种能以高精度定位前面板上的触碰且没有人手阴影效应的特殊图案印制的。一种可行的选择是各向异性图案,实际上就是一组由间隙分隔的水准导体条。这种图案能消除一个轴上的枕形失真,使得用固化在控制晶片中的二阶演算法消除剩余其他轴上的枕形失真变得相对简单。 LCD显示器或其他图形设备黏着在ITO层之后。由于前面板上没有开孔,也不需要压框和密封措施,同时减少了一个ITO层,也就节省了成本。


内表面触控萤幕由前面板提供全面的防护,使得其不会被破坏,而且因为没有机械运动,也没有磨损的机理。


因为只需要单个ITO层,并且没有两层薄膜之间的气隙,这种触控萤幕的透光率一般都接近90%。透光率的实质改善,加上对比度的增加意味着可以采纳低功耗、廉价的背光系统。更长的电池寿命或使用更小、更便宜的电池。


触控萤幕在其边缘周围与载有感测晶片和少量被动元件的印刷电路板进行连接。可以根据需要对多种连接方法进行灵活选择。


这种技术有利于创造令人赏心悦目的用户介面──与外表面触控萤幕相比,技术对物理设计的限制比先前大幅减少。前面板最大厚度可以达到5mm,并且甚至无需是平坦的。这种技术在弯曲的表面上同样能正常工作。


工作原理

感测器晶片驱动电荷脉冲通过ITO图案。 ITO层通过显示器的前面板向外送出电场,而当手指接近时电荷图案会受到扰动。透过测量从ITO膜的四角收集到或送出的电荷改变就能检测到手指的位置,然后再使用演算法来将信号处理成XY坐标。这种技术亦称电荷转移感测技术。这种技术消除了电阻式和早期电容式触控萤幕中所有明显的限制。


由于控制晶片能补偿漂移因而克服了老化和环境变化带来的校准偏离。困扰着早期电容式触控萤幕显示器表面的玷污积存也不再是问题。使用突发间隔很长的随机脉冲进行扩频充电的方法大幅降低了功耗、射频辐射以及电磁干扰。另外,由于在薄膜层Y轴上采用多点连接,在空间上隔离了由触点处人手阴影形成的电容元件,人手阴影效应也被消除了。


这类触控萤幕方案更进一步的优点就是低功耗。这种技术采用的ITO阻抗为数百千欧姆而不是阻抗为数十欧姆的ITO边缘图案。造成的结果就是电流水平以及功耗非常低。行动电话中的显示器的功耗小于100 uW ,并且即便不扣除开孔和压框的成本,整个触控萤幕解决方案的成本在量产时都可以降低到3美元左右。


应用

电容式触控萤幕目前正被世界上最大的行动电话制造商进行评估,但其潜在应用要广泛得多。它同样适用于家用电器、自动控制设备面板以及像医疗设备这样需要擦拭清洁的应用场合。当需要在LCD显示器上实现可重配置按键,或在感测器容易受到破坏的环境中它就是理想的解决方案。例如,它可用来制造防弹传感面板,像提款机或其他安全应用。


一家名为Colorado vNet的美国公司使用电容式触控萤幕技术设计最新的灯光控制器,来为其产品实现易于客制化的面板。此灯光控制器,如(图四)所示,实现了可重配置的基于多种图案的电容式触摸按钮,提供了最大的灵活性与用户客制化能力。每一个按钮可以控制任意数量的动作,并且甚至能重新编程来以不同方式响应短暂的轻拍与长时间的按压。这就是说,例如,灯光开关按钮可以用来调节灯光的明暗,从而不再需要额外的按钮。这种面板非常具有吸引力、耐用、而且对于儿童是安全的。



《图四 Colorado vNet使用电容式触控屏幕技术设计的灯光控制器》
《图四 Colorado vNet使用电容式触控屏幕技术设计的灯光控制器》

也许电容式触控萤幕技术真正的局限在于无法对尖锐物体的接触做出反应,这是由于这样的接触不能产生可测量到的电荷水准的改变。然而,笔式输入也有其固有的缺点,这不仅仅限于遗失笔的问题,还有就是到目前为止,对于基于选单的应用和手写识别而言,手指输入设备的市场都要大一些。


目前触控萤幕的市场出现剧烈变化。在今后的两年中,内表面电容式感测技术可能侵蚀电阻式触控萤幕的市场,并且在今后5~10年中成为市场主流。 (作者为Quantum Research量研集团CEO)


延 伸 阅 读
未来智慧手机的电源管理技术

触控萤幕的应用非常广泛,例如游客导览系统、自动柜员机、销售点终端机、工业控制系统等。在2000年,六家专门厂商加上几家大公司的触控产品部门,总产值高达8亿美元。相关介绍请见「 弹指之间」一文。

现今绝大多数的显示科技都被用来创造更大、更明亮与更便宜​​的萤幕;然而却也有一支奇兵,并不以追求「大」而见长,相对地它们提供了前所未有的便利性与直觉性,这就是「触控萤幕」!你可在「 触控式萤幕的运作原理 」一文中得到进一步的介绍。

触控面板为一贴附在映像管或液晶显示器上的装置,其功能在于使一般民众藉由手指或触控笔轻压显示器面板上的选项,即可完成资料传输或阅读萤幕上的讯息。触控面板的应用范围相当广泛。在「 数位时代的「新一点灵」—触控面板」一文为你做了相关的评析。

市场动态

Cypress Semiconductor宣布,LG行动电话公司(LG Electronics Mobile Communications Company)采用Cypress CapSense电容触控式感应器介面于其全新LG-KV5900 Cyon滑盖式手机系列。相关介绍请见「 LG手机采用Cypress CapSense电容触控式介面」一文。

Zytronic推出一款耐用且无偏移的ZYTOUCH投影电容式触控(projected capacitive sensing technology)感应器──ZYPOS。由于投影电容式感应技术的应用让ZYTOUCH可应用在高量产、注重成本的触控式萤幕领域,包括零售和游戏业,但其价格比原来的产品更低。你可在「 Zytronic发布高性能投影电容式触控感应器」一文中得到进一步的介绍。

美商亚德诺(Analog Devices;ADI)推出一款适合手持消费性电子产品使用的可程式化14通道电容数位转换器(capacitance-to-digital converter;CDC),让触控设计如纸片般薄而又非常可靠,因而改善消费者的使用体验。在「 ADI推出采用新型电容式数位转换器」一文为你做了相关的评析。

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