電容式觸控電荷轉(zhuǎn)移橫向模式技術(shù)

目前電阻式觸控面板由于其多層材料堆棧架構(gòu)的限制，使其在透光度與計(jì)算手指位置的精確度上不若電容式觸控面板來(lái)得好，電容式觸控面板若采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)中的橫向模式方案，則更可解決電容式觸控屏幕噪聲與噪訊比的問(wèn)題，從而開(kāi)發(fā)更具優(yōu)勢(shì)的電容式觸控屏幕。

　　由于觸控屏幕反應(yīng)迅速，而且是直觀式操作，因此正迅速被各類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品和交通售票系統(tǒng)等工業(yè)及商業(yè)設(shè)備選為使用者接口。

　　在技術(shù)層面上，觸控屏幕早在數(shù)10年前就已確實(shí)可行，但早期技術(shù)并不適用于低成本的大眾市場(chǎng)應(yīng)用，這些技術(shù)包括紅外線(xiàn)系統(tǒng)與表面聲波感測(cè)系統(tǒng)，由于紅外線(xiàn)系統(tǒng)采用由水平和垂直兩個(gè)方向構(gòu)成的傳感器數(shù)組，用以檢測(cè)使用者的手指是否靠近屏幕表面，而阻斷經(jīng)過(guò)調(diào)制的光束，而表面聲波傳感器，因手指接近屏幕表面時(shí)會(huì)吸收聲波，因此該技術(shù)可根據(jù)聲波的變化確定是否有手指觸及屏幕。

　　除上述提到的技術(shù)之外，還有幾種其它技術(shù)，不過(guò)目前的主流趨勢(shì)是電阻式和電容式感測(cè)，這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)，但最新的電容式控制IC不單能簡(jiǎn)化單觸控應(yīng)用，而且還可以實(shí)現(xiàn)電阻式感測(cè)系統(tǒng)無(wú)法提供的多指觸控功能。

　　電阻式觸控面板　囿于架構(gòu)而導(dǎo)致諸多缺點(diǎn)

　　電阻式觸控屏幕已擺脫從1970年代就存在的專(zhuān)利限制桎梏，這種技術(shù)的工作原理很簡(jiǎn)單，主要部分是由兩層微小空氣隙隔離的透明電阻材料組成，一般是淀積在塑料膜和玻璃基板上的氧化銦錫（ITO），其中，頂層是軟性的（Flexible），而低層是硬性的（Rigid），中間有許多細(xì)小的透明間隔點(diǎn)以隔離兩個(gè)導(dǎo)電層（圖1），當(dāng)用戶(hù)手指按壓頂層時(shí)，在接觸點(diǎn)形成電壓梯度時(shí)，電子控制組件會(huì)對(duì)之進(jìn)行感測(cè)，并計(jì)算出X、Y坐標(biāo)的位置。

圖1：電阻式觸控面板原理示意

圖2：電阻式觸控屏幕電極正交電位計(jì)

　　在最簡(jiǎn)單的四線(xiàn)（Four-wire）電阻式連接中，頂層兩端和低層兩端分別各連接兩個(gè)電極，兩層的電極互相呈九十度交叉，形成四線(xiàn)星狀連接結(jié)構(gòu)，這實(shí)際上就是一對(duì)彼此正交的電位計(jì)（圖2），相當(dāng)于機(jī)械操縱桿的平面屏幕模擬。 為了在X軸方向測(cè)量觸摸位置，觸控板的控制器將X-設(shè)為接地，而X+偏置為參考電壓，然后從Y層的兩端讀取電壓，以找出X軸上兩層的接觸點(diǎn)。同樣地，控制器透過(guò)在Y層的電極上加載驅(qū)動(dòng)電壓，并從X層讀取觸摸點(diǎn)電壓，可以確定Y軸上的觸摸位置。

　　這種技術(shù)的變化形包括五線(xiàn)系統(tǒng)，基板帶有ITO涂層，四邊都有電極。軟性隔膜為第五個(gè)電極，當(dāng)用戶(hù)手指壓按時(shí)，控制器可測(cè)量出X和Y軸的電壓，從而確定觸摸的位置。這種排列通?？商峁┍人木€(xiàn)結(jié)構(gòu)更佳的穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的壽命。其它變化還有適用于大型屏幕、分辨率更高的六線(xiàn)和八線(xiàn)系統(tǒng)。

　　電阻式技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于其接口電子結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，控制器只須在一對(duì)電極上加載參考電壓，同時(shí)測(cè)量另一對(duì)電極間的電勢(shì)即可，而這一點(diǎn)利用片上（On-chip）金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MOSFET）開(kāi)關(guān)、模擬多路器和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）就可輕松做到。若ADC進(jìn)行差分測(cè)量，測(cè)量結(jié)果實(shí)際上成為比率計(jì)（Radiometric），可使用Vcc和接地作激勵(lì)（Stimulus），透過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，就完全有可能獲得4，09*，096的分辨率。

　　相反地，這種技術(shù)的主要缺點(diǎn)源于觸控屏幕的多層結(jié)構(gòu)。其基層一般是玻璃，表面涂有一層均勻的ITO，頂層通常由聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯（PET）制造，內(nèi)表面（Inner Surface）也涂有一層均勻的ITO，而外表面（Outer Surface）則有硬涂層，以為保護(hù)作用，而形成空氣隙以把這些導(dǎo)電層隔離開(kāi)的細(xì)小透明間隔點(diǎn)常在打印制程中產(chǎn)生。這種多層材料堆棧的多層結(jié)構(gòu)對(duì)透光性有所影響，一般將降至約透明玻璃透光率的75%，同時(shí)，空氣間隙可能產(chǎn)生薄霧效應(yīng)，進(jìn)一步降低清晰度。此外，這種結(jié)構(gòu)很容易刮傷損壞，而且因?yàn)闄C(jī)械軸性不重合，還須仔細(xì)校準(zhǔn)以確定X、Y坐標(biāo)范圍，其它弱點(diǎn)還包括可能吸收電氣噪聲，尤其是來(lái)自液晶顯示器（LCD），這時(shí)一般須進(jìn)行濾波，將導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)然，控制器一次只能處理一個(gè)觸摸位置，也是一大局限。

　　利用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)解決應(yīng)用挑戰(zhàn)

　　由于電阻式觸控屏幕存在缺陷和局限性，許多設(shè)計(jì)人員已轉(zhuǎn)向投射式電容感測(cè)技術(shù)。這種技術(shù)在IC形式上分為好幾種電路，主要包括容抗（RC）時(shí)間常數(shù)測(cè)量電路，如弛張振蕩器、直流（AC）電流測(cè)量組件，以及電荷轉(zhuǎn)移（Charge-transfer）組件。電荷轉(zhuǎn)移組件又分為單端模式（Single-ended）和橫向模式（Transverse-mode），選擇上述任何一種方法，利用在兩層或更多迭層上的電極行列數(shù)組，都可以實(shí)現(xiàn)觸控屏幕。

　　RC時(shí)間常數(shù)技術(shù)的基本原理是，當(dāng)電容組件C隨手指觸摸改變時(shí)，電極區(qū)域充電或放電所需的時(shí)間也隨之改變。測(cè)量充/放電期間的變化可得到C的變化，因?yàn)镃是未知，所以假設(shè)為Cx，這種方法有許多變化形式，可測(cè)量頻率或時(shí)間、可自由運(yùn)行或以單周期為基礎(chǔ)。RC時(shí)間常數(shù)測(cè)量的缺點(diǎn)是速度較慢，并易受泄漏電流干擾，其動(dòng)態(tài)范圍也非常有限，很難校準(zhǔn)，而且容易受到恒定漂移問(wèn)題的影響。此外，由于其電路的高阻抗特性，所以也極易受外界噪聲干擾，盡管如此，仍有部分觸控屏幕采用這種方案。

　　至于AC電流測(cè)量方法，由一個(gè)AC電壓源驅(qū)動(dòng)阻抗，繼而驅(qū)動(dòng)Cx，故測(cè)量阻抗產(chǎn)生的電壓就可確定Cx的值。這些電路也有很多和RC電路相同的局限性，不過(guò)前者的驅(qū)動(dòng)阻抗一般較低，然而其須利用放大器恢復(fù)串聯(lián)阻抗產(chǎn)生的小電壓，但訊噪比等方面的問(wèn)題又隨之而來(lái)，這種方法在觸控屏幕中已有一定運(yùn)用，尤其是在帶低阻抗邊沿的前表面板中。

　　和RC及AC技術(shù)相同，單端電荷轉(zhuǎn)移電容傳感器也是在每個(gè)感測(cè)通道采用一個(gè)電極板，但不依賴(lài)于時(shí)序測(cè)量或放大器，而是采用互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）開(kāi)關(guān)把電荷泵入Cx，并把電荷轉(zhuǎn)移到一個(gè)參考采樣電容（Cs）中。透過(guò)計(jì)算Cs達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電壓值所需的周期數(shù)，就可很容易求得電荷電平，且這個(gè)周期數(shù)與Cx成反比。眾所周知，電荷轉(zhuǎn)移方法有助于抑制泄漏電流的影響，而且由于其采用一個(gè)很大的Cs作為檢測(cè)器，這個(gè)檢測(cè)器相當(dāng)于對(duì)外界的一個(gè)低阻抗，故其抗外部電氣噪聲的能力非常強(qiáng)。