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互电容式触控技术浅析

互电容式触控技术浅析 2011年12月12日 来源： 自从计算机问世以来，人们就一直在思考如何以更有效的方式实现人与计算机的对话，也即所谓的人机交互技术。容式触摸技术，特别是互电容技术由于具有直接、高效、准确、流畅、时尚等特点，极大程度提高了人和计算机对话的效率和便利性，未来必将替代鼠标和键盘，成为未来消费的主流。投射电容屏触摸检测原理投射电容屏可分为自电容屏和互电容屏两种类型。在玻璃表面用ITO(一种透明的导电材料)制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是通常所说的自电容，也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加。在触摸检测时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式，相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向，然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标，最后组合成触摸点的坐标。如果是单点触摸，则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的；如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，则在X和Y方向分别有两个投影，则组合出4个坐标。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的”鬼点”。因此，自电容屏无法实现真正的多点触摸。互电容屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极，它与自电容屏的区别在于，两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。

图1、 自电容鬼影的产生机理

FocalTech互电容解决方案敦泰科技(FocalTech)是较早开始互电容式触摸屏技术研究和开发的公司之一，在互电容领域拥有数十项国内国际专利，包括互电容式触摸屏体的设计，互电容式触摸检测电路、触摸检测算法、环境自适应算法等技术。利用FocalTech自有专利技术，可以大幅提升互电容触摸屏的以下性能：1) 抗电磁干扰能力抗电磁干扰是容式触摸屏系统性能最关键的因素。从2007年起，即有公司开始提供自电容方案的电容式触摸屏技术，但由于抗电磁干扰设计较差，经常发生来电时无法接电话，或者通话结束时无法挂电话的情况。再加上环境变化时触摸屏失效频繁，造成了多个电容式触摸屏手机项目失败，甚至间接引起一些方案公司的倒闭。Focaltech借鉴了现代无线通信领域的跳频技术，同时提高了TX的发送功率，在提高系统信噪比的同时有效抑制了电磁干扰。2) 信噪比（SNR）SNR定义为指接收到的信号功率和噪声功率的比值。SNR是触摸屏系统性能另一个关键因素，其高低直接决定了触摸的精度、线性度和分辨率等性能好坏。FocalTech主要通过三个途径提高SNR。首先是提高信号发送功率。提高了信号发送信号功率，相应的就提高了接收到信号的功率，从而增加了SNR。其次，降低噪声也是一个有效的方法。FocalTech提供触摸屏设计方案，这些方案都做了非常好的屏蔽设计，例如在触摸屏底部靠LCD一侧增加地平面，在屏体四周增加地线隔离等。这些措施可有效降低噪声的功率。还有一个办法就是提高触摸引起的电容变化量。触摸电容变化量，正比于信号功率。即触摸变化量越大，则检测到的信号功率越大。FTS独有的触摸屏专利技术，能大大提高触摸引起的电容变化率，通常能达到30%以上，远远高于iPhone所采用的触摸屏仅为18%的变化量。3) 环境适应性自动适应环境变化，对触摸屏系统亦十分重要。触摸屏直接暴露在空气中，空气的温度、湿度都会影响触摸屏体的电容大小。而触摸屏表面的水滴，则有可能直接造成误触摸。一个良好的设计，必须能在非常大范围能适应环境温度湿度的变化，并且在有少量水的条件下，能正常进行触摸。FocalTech专门开发了环境自适应算法，并配合相应的触摸屏体设计，已经完全解决了环境变化对触摸屏影响问题。4) 功耗对于便携式设备而言，功耗也非常关键。而互电容技术采用了二维检测而不是自电容的一维检测，大大增加了检测电路的功耗和后期处理数据的功耗。通常而言，相同规格的触摸屏，互电容技术功耗为自电容技术的2~3倍。因此，降低功耗变得十分关键。FocalTech同时采用了多项技术来降低功耗。在IC设计时，把功耗列为约束第一位，如采用低功耗结构、低功耗工艺、增加硬件加速器等。在坐标计算中，FocalTech开发出了快速坐标计算方案，可简化计算量，大大降低了数据后期处理的时间和功耗。此外，还设计了多个功耗模式，系统可以灵活使用这些模式，降低整体使用功耗。根据实测，FocalTech的方案功耗仅为同类方案功耗的一半左右。

图2、 FocalTech触控芯片基本架构

技术和市场发展趋势随着研究的深入，互电容技术不断成熟，其基本功能、基本架构都已经确定，将来的发展主要集中在细部优化，比如进一步提高信噪比、改善触摸精度（特别是边沿的精度）、降低功耗、增加适应环境变化的能力、提高扫描速度、多点ID识别、多点应用开发，减少悬空触摸影响等。目前互电容式触摸屏在欧美市场已经成为主流，出货量不断攀升，这也极大促进电容式触摸屏产业链的完善。随着产业链的逐步完善，众多供应商的加入，新材料、新技术和新工艺的应用，也带来各项成本的下降，从而降低整体模组的价格。一些电容触摸屏模组大厂预测，在2011年，完成电极刻蚀的ITO玻璃的价格将降到0.3~0.5美元/英寸，不到现在价格的一半；目前，深圳一些小厂的出货价已经非常接近这个区间。我们预计，电容式触摸屏将来会有明显的降价，在2011年，3.5’’的模组的价格可降到5~6美元；而一些低端产品，更有可能达到4美元左右，甚至更低。届时，电容屏将大幅挤占目前电阻屏的市场，无论品牌机或是山寨机市场，电容屏都将成为主流。(end)

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