第3代电容式触摸屏技术特性解析

第3代电容式触摸屏可提供98％的高透光率，新型控制器SMT3V和根据我国电路情况设计的屏幕存储器以及出厂前进行25点校准，彻底解决第2代产品存在的漂移问题，触摸精确度大于99％，使屏幕一次校准，永不漂移。

由于第3代电容式触摸屏具有抵御各种环境影响和破坏的能力和免维护性能，是公众信息查询系统的最佳选择，用户不需要擦拭玻璃，不需要拆外壳清扫灰尘，是全球各大商家提供公众查询服务的必选产品。如IBM、COMPAQ、PHILIPS、NCR、西门子等设备全部选择第3代电容式触摸屏作为其OEM产品的触摸部分。在我国，第3代电容式触摸屏在众多的公众查询项目中，以优异的性能，卓越的免维护能力，成为首都机场、上海浦东机场、昆明世界园艺博览会、北京西客站、全国防伪工程等重大项目的最终选择。

1.抗干扰能力

一般情况下电容式触摸屏是与TFT-LCD一起配对工作，而且是放置在LCD的上面。由于TFT-LCD工作时，V_com电压一直处于翻转的状态，这个不停翻转的电压会对触摸屏的正常工作造成影响，使其不能正常完成工作。因此就需要对V_com电压进行相应的处理和屏蔽，有的方案是增加屏蔽层进行屏蔽，这也是使用比较多的方案。也有的方案是应用自身的算法和速度来处理和过滤V_com干扰信号。相比较来讲，前一种方案会相应增加成本，而后一种方案则在成本上具有更加明显的优势，图2-46所示为V_com干扰信号的示意图。

图2-46 V_com干扰信号的示意图

2.良好的扩展性能

在结构上，目前的方案一般有两种：一种是MCU和SensorIC集成在一起，另外一种是这两只IC相对独立。前一种只能适应一定尺寸范围的投射电容式触摸屏，而后一种方案则可以有更好的适应性，可以按照需求进行扩展，小尺寸就外挂一个SensorIC，中尺寸就挂2个、3个或者更多，以适应尺寸变化的需求。

接口协议通常有USB、I²C、UART等，如果一只MCU能够支持以上3种协议，那么无论是方案商还是代理商或是模组厂都会选择后一种模式。因为它只需要两种备件：SensorIC和MCU，这样就可以兼容各种尺寸、各种接口协议的触摸屏产品。这样可以很好地规避因为备品而带来的资金压力，减少风险。只需要更改不同的F/W，就可以涉及和生产品种繁多的触摸屏产品。

3.触摸屏加工的难易

不同的电容式触摸屏解决方案，有不同的产品结构需求。目前从Sensor玻璃ITO扫描电极的结构上分为两种：一种是两面结构，即在玻璃的正面和背面分别有感应电极，一种是单面桥接结构，即电极全部在Sensor玻璃的一侧。单从结构以及生产加工的难易程度上讲，单面结构具有更广泛的适应性，因为它完全可以使用目前已有的TFT-LCD的生产线去完成，并不需要任何的设备改造。而双面Sensor结构产品在加工时会存在一些缺陷，在加工A面时，B面ITO容易受到伤害，因为在加工A面时，B面的ITO玻璃在加工的过程中要经受滚轮、顶针、毛刷等接触和摩擦，势必会对扫描电极造成一定的伤害，从而影响良品率，导致成本的上升。

4.触摸屏材料的广泛性

目前电容式触摸屏的基材多数使用玻璃，因为玻璃的透过率比较高，加工工艺比较成熟，但是相对来讲，成本比较高，而且这种玻璃被少数生产商垄断。

除了玻璃之外，另外一种透明的导电基材就是ITO Film（基材为PET），此种材料一直是电阻式触摸屏的主要材料。使用PET材料来做电容式触摸屏的优势之一就是材料成本便宜，他的缺点就是透过率稍微差一些，ITO阻抗比较大，而且阻抗的一致性比较差，由于材料的软特性，给加工造成了一定的难度。从长远来看，PET结构的材料是一种很好的替代材料，但前提是要有很好的方案能够适应比较大的ITO阻抗和阻抗的不一致性。另外一个方面就是要尽快地提高PET材料的加工工艺，提高良品率。

5.综合性能

以上几点只是从具体的某个方面来谈，一个方案是否具有竞争力，则不能单从单个指标来衡量，而是需要综合的去衡量。图2-47所示为1颗Tango（SensorIC）综合性能图，图2-48所示为3颗Tango的综合性能示意图，图2-49所示为3颗Tango方案和目前市面上Full point方案的综合性能的对比示意图。

图2-47 1颗Tango（SensorIC）综合性能图

以上只是从方案的技术、材料以及工艺层面来讲述。除此之外还有一个更重要的因素，那就是专利。专利一向是保护自己和遏制竞争对手的有力武器。但也成了行业发展的双刃剑。要想在电容式触摸屏行业有发展和建树，必须拥有自己的核心专利。可以凭借自身的专利进行专利互换和谈判，或者专利共享。

图2-48 3颗Tango的综合性能示意图

图2-49 3颗Tango方案和Full point方案综合性能对比示意图

传统的电阻式触摸屏在检测到手指或触摸笔时，顶层柔性透明材料被下压，接触到下方的导电材料层；而投射电容式触摸屏没有可移动部件。事实上，投射电容式触摸屏检测硬件包含玻璃材质的顶层，之后是X与Y轴的组件，以及覆盖在玻璃基板上的铟锡氧化物（ITO）绝缘层。部分传感器制造商会做一单层传感器，内嵌X与Y轴传感器和小型桥接组件于一单层ITO中，当手指或其他导电物体靠近屏幕时，就会在传感器与手指之间产生一个电容。相对于系统而言，此电容相当小，但可利用多种技术测出此电容。

其中一种技术是采用True Touch组件，包括快速改变电容，并利用一个泄放电阻来测量放电时间。这种全玻璃的触摸屏表面带给使用者光滑流畅的触感。终端产品制造商也偏爱玻璃屏，因为玻璃材质会让终端产品拥有线条美观的工业设计感，并能为测量触摸提供优质的电容信号。不仅要考虑触摸屏的外观，了解其工作模式也相当重要。为设计出性能优良的触摸屏产品，必须注意以下参数。

（1）精确度

精确度可定义为在一个预先定义的触摸屏区域中最大的定位误差，以手指的实际位置与测量位置之间的直线距离为单位。在测量精确度时，使用的是一只模拟或机械手指。手指置于面板上的一个准确位置，再把手指实际位置与测量位置进行比较。精确度非常重要，使用者希望系统能准确地找到手指位置。电阻式触摸屏的一项缺点就是低准确度，而且准确度会随时间逐渐减低。电容式触摸屏的精确度创造出许多新应用，例如虚拟键盘，以及不用触摸笔的手写辨识。图2-50所示为一个结构不完整的触摸屏数据，显示手指位置有游移现象，而实际上模拟手指是进行直线移动。

（2）手指间距

手指间距定义为当触摸屏控制器测量两只手指的位置时，两只手指中心点之间在屏幕上的最短距离。手指间距测量方法如图2-51所示，是将两个模拟或机械手指置于面板上，然后逐渐拉近两只手指的距离，直到系统测到两只手指为一只手指为止。有些触摸屏制造商的手指间距是指边缘至边缘的距离，有些则是中心点之间的距离。10mm机械手指的10mm为手指间距，表明有多只手指触摸到屏幕，或是手指之间的距离为10mm，实际状况取决于触摸屏控制器的规格定义。如果没有良好的手指间距，就无法设计出多点触摸屏解决方案。对于仿真键盘而言，手指间距尤其重要，因为一般在使用仿真键盘时，手指在屏幕上的间距通常很近。

图2-50 触摸屏面板追踪中不准确度或误差(www.xing528.com)

图2-51 测量手指间距

（3）响应时间

响应时间定义为触摸屏上手指触摸事件与触摸屏控制器产生中断信号之间的时间。测量方法是以电子触动仿真手指触摸屏的环境，或在面板上移动一只模拟手指。响应时间尤其重要，因为它直接影响用户在屏幕上移动手指的速度、进行平移或轻弹的操作、用手指或笔在屏幕上书写。响应时间缓慢的触摸屏，会有短暂停顿和检测不到移动动作的情况。触摸屏的响应时间是系统响应时间的一部分，其中包括：

1）X、Y轴向扫描。触摸屏控制器扫描与测量传感器上电容变化所耗费的时间。

2）手指检测。比较面板电容变化与预先定义的手指默认值，若变化幅度超越手指默认值，就会检测到手指的触摸。

3）手指位置。根据多个传感器得到的结果数据进行推算，判断手指的实际位置。

4）手指追踪。当传感器上置有多只手指，每只手指必须正确辨识，并指派一个独特的辨识符号。

5）中断延迟。指主控端上指示和服务之间的延迟，在大多数的系统中，这种延迟不会超过100μs。

6）通信。一般系统在400kHz时使用I²C，或在1MHz时使用SPI来与主控端进行通信。

市场上有许多技术能用来缩短响应时间，关键在于触摸屏芯片的智能，比较有创意的方法仅需扫描部分屏幕，即可检测到手指位置，当检测到手指后，就能快速扫描，计算出手指实际的定位，借此节省电耗和时间。另一个技术是并行处理，使用不同的硬件组件进行扫描、手指处理及通信，使这些工作同步进行。采用高度优化的算法进行手指检测、手指定位及手指识别码（ID），能够缩短处理与响应时间。

（4）画面更新率

画面更新率定义为当手指出现在触摸屏上时，一个数据缓冲器内触摸屏数据的两个相邻帧之间的时间。低画面更新率会导致系统检测动作有停顿现象，检测到的移动路线也会变成不连续的线段，而不是流畅的曲线。换言之，若触摸屏拥有高画面更新率，就能提供更多的数据点，可转译成流畅或完整的形状或动作轨迹，此外，高画面更新率还能改进手势的解译功能。诸如True Touch这类智能触摸屏控制器能够调整其画面更新率来配合系统需求，手绘或手写应用需要相当高的画面更新率。

（5）平均功耗

平均功耗是指触摸屏系统的平均功耗，包括控制器工作时间（扫描、处理、通信、休眠等）及主处理器接收与解译触摸数据的时间。功耗是很常见的性能参数。在触摸屏的功耗方面，需要更精密的计算公式，因为不同使用模式会产生不同功耗。手机的待机时间取决于触摸屏的待机或休眠模式下消耗的电流。

触摸屏在工作时，可分成许多种模式，例如，触摸唤醒（WOT）、面颊检测（Cheek Detect），比如接听5min来电，正在检视或输入电话号码时，手机可能切换至触摸模式达10s，之后再切换至提醒通话时的WOT或面颊检测模式。即使在传送文字信息（SMS）时，仍是混合WOT模式与实际手指接触，在按键输入或思考时，控制器会在各种睡眠模式之间进行切换。

若不考虑这些功耗模式，就会很容易被系统耗电量所误导，在大多数的情况中，触摸屏90％～99％的时间都是切换至面颊检测模式及触摸唤醒模式。有些系统允许使用者自行设定处理时间与休眠模式的比例，甚至手指仍置于面板时。若系统仅检测到手指置于相同位置，就不需要200MHz的画面更新率。想要开发一个高性能触摸屏，必须运用休眠模式的低功耗系统，并搭配创新的休眠与唤醒模式来工作。

系统研发人员在设计一个电容式触摸屏系统时，还要考虑许多其他重要因素：

1）手指电容。手指电容是指手指与单一传感器组件之间测量到的电容，测量手指电容时，是使用一只真实手指，而不是金属的机械手指，以确保测得符合实际状况的数据。影响反馈电容（C_F）的因素包括覆盖上层的镜片厚度及覆盖外层材料的介电常数。

2）系统本底噪声。系统本底噪声是指电容至数字转换器输出端所测量到的噪声，是数据转换器的输入（电容）值。

3）信噪比。信噪比（SNR）是传感器测得的手指信号与测量噪声之比。这是一个重要参数，设计人员必须深入了解它，才能开发出高效率的触摸屏。系统必须能调节、适应并滤除移动系统中的寄生噪声。为获得高信号以及极少的噪声，可考虑针对触摸屏功能采用精确的模拟前端组件。

诸如True Touch系列可编程解决方案这类产品，可在滤除噪声方面提供许多绝佳的机制。PSoC可编程模拟组件能重新组态，以整合持续一段时间的信号，借此滤除噪声。

4）不同的信号频率。不同的信号频率包括扩频与虚拟随机频率，亦可用来避免电磁干扰。标准的数字滤波器能移除1～2位的信号抖动或提供类似IIR的低通滤波器。智能数字滤波器能比对附近区域检测到的样本，滤除不正常的样本，智能滤波器仅受限于系统设计人员的创意。图2-52所示为一个组件的噪声水平范例，及检测到的触摸行为。在这个例子中SNR为5。

图2-52 信噪比（SNR）范例

电容式触摸屏技术的3大挑战是：信号检测、寄生电容变化，以及功耗和尺寸。

1）信号检测。现有算法很难区分噪声与信号，从信号源分离有用信号也是算法开发中的一大难点。

2）寄生电容的变化。电容式触摸屏的工作原理是通过手指与触摸屏接触产生电容，通过计算这个电容值得出位置信息。但是现在市场上各类触摸屏产品的设计有很大差异，不同厂商使用的面板材质、外壳，以及PCB大小也不尽相同。所以触摸屏方案提供商需要针对不同的设计，对其电容值进行相应地调校以与之匹配。但是，目前由于产品工艺问题，就算是同一厂商的同一系列产品，也可能需要对其寄生电容值进行仔细核对、校准。所以在产品的整个设计过程中，IC设计公司、面板厂商以及终端设计厂商需要紧密合作，及时跟进，对设计问题做出快速反应，只有这样，才能将产品快速推向市场。

3）功耗以及PCB的尺寸。低功耗和小型化是IC设计的必然趋势，怎样在保证性能的情况下降低功耗，减小尺寸，这也是产品设计不断追求的目标。

为应对以上几点挑战，Cypress公司开发出了Smart Sense可编程Cap Sense触摸屏解决方案。它使用Cypress公司自主研发的算法，解决了以上难题。该方案具备以下几个优点：无需人工调校，可自调节阈值，降低了技术难度，省去了设计人员的后期测试步骤，可减少BOM成本，缩短上市时间。