以爱特梅尔为例 电容式触摸实现新一代平板电脑运算

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当预计微软在2012年下半年推出Windows 8操作系统后,我们可以预期有更多的现有和未来产品如 Ultrabook、平板计算机、笔记本计算机和个人脑,将加入触摸技术,从而影响我们的生活方式,包括互动、工作、游戏及信息获取等等。这些发展的重点都在同一个组件:触摸屏。触摸屏的技术不断改进,比如ToL和on cell等技术,本文将着重讨论。

安卓和iOS系统的进一步增强,连同即将来临的Windows 8,都已做好准备来更进一步扩展多点触摸界面的能力。同时,设备制造商所面对的改进显示品质的压力 — 通过从顶部去除反光和吸收层,以及通过转变到有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)技术 — 对用于解析许多触摸活动的传感器产生了影响,而这些触摸活动需要触摸界面的支持。

采用电容式触摸屏解决方案实现多点触摸界面

所有这些趋势的结果是着重强调电容式触摸屏解决方案。在过去,人们喜爱电阻式触摸屏,因为它们制造相对便宜且支持基于手写笔的输入,而手写输入对基于亚洲文字的应用非常有用。然而,电阻式技术不易支持多点触摸界面。

电阻式触摸屏由弹性顶部触点矩阵图层组成,通过隔离片与相区配的下方导电层分开。当手指或手写笔把这两层压在一起时,便形成了接触并被电气传感器所记录。在多层间的内部反射导致了在阳光下所产生的显示能见度不良,以及较低的整体亮度和色彩饱和度。因为触摸屏依赖于由连接矩阵生成的电气接触,它们不能可靠地检测多于一个的单点触摸活动。

另一方面,投射式电容传感器技术已经实现了多点触摸界面。该技术现正朝着去除中间层而演变,因为中间层会降低亮度和色彩饱和度并增加物理厚度和重量。

投射式电容触摸屏面世之初便迅速赢得了用户的支持,因为它提供了坚实的“光滑”外表面,美观而又吸引人。当轻柔的导电物体如一根手指接近或触摸屏幕表面时,该技术通过测量电容中的微小变化来工作 (能够控制一个电荷)。然而,在实施中有很大的不同,会极大地影响性能。在电容对数字转换(capacitive-to-digital conversion,CDC)技术中进行选择,以及选择汇集电荷的电极的空间排列,可以确定设备可以达到的整体性能和功能。

设备制造商正面临在两个基本选项间选择用于测量触摸屏中电容变化的选项:自电容和互电容。大多数早期电容式触摸屏依赖于自电容,测量整行或整列电极的电容变化。此方法对单点触摸或简单的两点触摸互动来说是合适的。然而,如果用户在表面上了放置了两根手指,解码器就不能明白地确定哪个水平位置可以和哪个垂直读数相配。当编译触摸点时,会导致位置‘重影’,降低了准确度和性能。

互电容触摸屏使用按正交矩阵排列的发送和接收电极,允许它们测量行和列电极的相交点。采用此方法,它们把每次触摸作为一个特定的水平和垂直坐标对来进行检测。

该基本的CDC技术也会影响性能。在电荷捕获过程,接收行保持在零电位上,只有在特定的水平发射器和垂直接收器电极间被用户触摸的电荷被传输。此外,也可使用其它技术,但互电容技术的关键优势在于对噪声和寄生效应的抗扰度。此抗扰度允许额外的系统设计灵活性。例如,传感器IC可以在PCB上较随意地放置,并通过进一步增强,能够使用更薄的无屏蔽显示屏。

更小的触摸屏,更清晰的图像

今天,市场对于4英寸和5英寸范围内的高清触摸屏,以及视网膜显示屏(retina display)的需求继续增长。这一朝向更清晰、更精确的触摸屏的发展趋势除了使得对更小外形尺寸的需求增长外,另一较不明显的要求在于屏幕之下的复杂性,包括噪声等问题。例如,对于更薄的触摸屏的期望正在推动结构的改变,如覆盖层触摸(touch-on-lens)。覆盖层触摸技术是一种单层涂层,在集成于LCD中的一块玻璃上提供x和y矩阵,来代替安装在LCD模块顶层的玻璃面板。此结构的一个可替代选择就是on-cell技术,将触摸屏传感器集成在LCD内的彩色滤光片上。

由于这些设计把电容性传感器放置在LCD电子产品附近,因此噪声成为非常大的问题。基于AMOLED显示的新发展趋势也呈现出较高的噪声风险,因为触摸界面电子产品是如此靠近有源驱动显示电路,尤其是任何电气屏蔽都会增加内部反射并损失由AMOLED显示屏提供的高色彩饱和度。如果驱动器未针对减少噪声影响而进行设计,则噪声会破坏来自触摸屏驱动器的读取值。

幸好,技术创新可以支持具有更高分辨率的较小触摸屏。例如,爱特梅尔推出了新的maXTouch S系列触摸屏控制器,适用于最大17“对角线的创新型直观触摸屏界面设计,可用于智能电话、平板电脑、数码相机、电子阅读器和其它应用产品。使用新一代噪声消除技术,maXTouch S器件支持采用无屏蔽、覆盖层触摸(touch-on-lens)和外挂式(on-cell)传感器设计的更小外形尺寸显示屏。而且,噪声消除技术甚至能够控制来自低成本充电器的噪声,使用任何充电器都可以实现完美的触摸性能。有了这些新的电容式触摸技术,具有触摸功能的移动设备制造商能够轻易满足市场需求和消费者期望。

更高的电极密度、更高的分辨率

在电容式传感器设计中,电极间距是另一个因素。触摸屏上的电极密度越高,触摸屏的分辨率也越高,使之更易于检测来自不同手指的触摸。不同的应用具有不同的分辨率要求。但现今的多点触摸应用,需要编译小尺度的触摸动作,例如缩放指尖,因而要求高分辨率来独特地识别几个相邻的触摸。

一般来说,触摸屏要求行和列电极间距在5mm左右或以下。此大小源自于典型的拇指和食指聚拢时指尖对指尖的距离。这使得设备能够正确地追踪指尖动作,支持手写笔输入,以及采用适当的固件算法,抑制无意识的触摸。当电极间距处于3mm到5mm之间,触摸屏能够支持来自细小笔尖的手写笔输入,增加电容式触摸屏的准确度来扩展它们的应用范围。

要充分利用电容式触摸屏的传感器技术,设备制造商需要使用基本芯片和软件技术来提供高准确度和灵活性。正如任何其它的芯片设计,触摸屏驱动芯片应该具有高集成度、最小占位面积,以及接近于零的功耗,连同灵活性来支持广泛的传感器设计和实施方案。任何驱动芯片将由其所达到的速度、功率和灵活性平衡来衡量。

对于用户来说,响应时间(即设备要花费多长时间来记录触摸和响应)是以触摸屏为基础的设备的最重要标准之一。对于基本的触摸手势如轻敲,设备应该在不到100ms的时间内记录输入并给用户提供反馈。加入各种系统迟滞时间的考虑后,意味着触摸屏需要在15ms之内报告第一个合格触摸位置。确保驱动器可以支持如此短的迟滞时间是重要的,并且使用专用触摸屏驱动解决方案,例如AtmelmaXTouch控制器,可以实现最佳支持。

另一个影响用户体验的因素(虽然对于用户来说可能并非如此明显)就是信噪比(signal-to-noise, SNR)。这指的是触摸屏区别电容信号由真实触摸引起,而且还是由偶然噪声引起的能力。在行对列耦合电容方面,触摸活动会引起很小的变化,因而很难从系统噪声中进行区分。大屏幕触摸屏在此方面尤其具有挑战性,因为最显著的噪声发生器之一就是LCD本身,而这正是互电容触摸屏传感器证明其价值的其中一环。

本文结论

随着市场向更小的尺寸提供更高的显示分辨率演进,这些改变带来了新的技术挑战,包括噪声更高的薄型显示屏增加了系统复杂性。爱特梅尔等公司的电容式触摸技术针对这些系统复杂性问题,帮助设计工程师创造新产品,满足新的市场需求。举例来说,爱特梅尔最新发布的maXTouch S系列触摸屏控制器使用新一代噪声消除技术,提供对无屏蔽、覆盖层触摸touch on lens和‘on-cell传感器’设计的支持。多点触摸接口将越来越成熟和获得广泛使用,事实上,今天市场上的电容性触摸屏解决方案及未来将面世的技术,将使得用户体验变得越来越好。

图1: 当前触摸屏和新一代触摸屏的层数对比。右侧堆栈的touch-on-lens的层数更少,降低了厚度并提高了显示亮度,但是,由于缺少了ITO屏蔽层,如果触摸屏控制器设计未解决这一问题的话,便会加重显示器噪声问题。

图2: 来自层迭在输出大约3V峰峰噪声的ACVCOM显示屏上的覆盖层触摸传感器的原始资料的两个图,单一手指触摸传感器。左图中,软件滤波被禁用,导致讯号噪声比低。右图中,软件滤波启用,导致讯号噪声比(SNR)增加30倍。 

关于爱特梅尔公司

爱特梅尔公司是全球领先的微控制器、电容式触摸解决方案、先进逻辑、混合信号、非易失性存储和无线射频 (RF) 部件的设计和制造商。作为业界拥有最多知识产权的公司之一,能为电子工业提供专注于消费电子、工业、安全、通信、计算和汽车电子市场的全面的解决方案。

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