觸摸未來(lái)：投射電容式觸摸屏引領(lǐng)新市場(chǎng)
John Feland
(新思國(guó)際，美國(guó)加利福尼亞圣克拉拉市)

摘要：在蘋(píng)果iPhone和LG普拉達(dá)手機(jī)觸摸屏成功運(yùn)用的激勵(lì)下，投射電容式觸摸屏可以很好地被各種應(yīng)用所采用。下文是這項(xiàng)技術(shù)的概述以及在您的產(chǎn)品中如何決定用哪種類型的投射電容式觸摸屏。

關(guān)鍵詞：投射電容式觸摸屏；電容式觸摸屏；觸摸屏

中圖分類號(hào)：TNl41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

    2007年3月LG普拉達(dá)手機(jī)(見(jiàn)圖1)以及隨后2007年6月的蘋(píng)果iPhone、2007年9月的iPOD觸摸屏、2007年10月的三星Yepp YP—P2等產(chǎn)品(見(jiàn)圖1))的發(fā)行向世界傳遞了一個(gè)信號(hào)，即透明投射電容式觸摸屏已經(jīng)做好被大量應(yīng)用的準(zhǔn)備。在2007年之前，透明投射電容式技術(shù)只是一項(xiàng)具有很小影響力的小生境技術(shù)。

圖1 LG普拉達(dá)手機(jī)(a)和三星Yepp YP—P2媒體播放機(jī)(b)是采用投射電容式觸摸屏的首批消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的兩個(gè)
 

    據(jù)估計(jì)2006年投射電容式觸摸屏在全世界的總銷售額低于2，000萬(wàn)美元；但是隨著此類觸摸屏技術(shù)的發(fā)展，逐漸開(kāi)辟出了通向各種平臺(tái)的道路，消費(fèi)類電子廠商通過(guò)多媒體市場(chǎng)采用這項(xiàng)技術(shù)，來(lái)改變終端用戶的體驗(yàn)，使得2008年銷售額增為原來(lái)的5倍。

    在各公司探索這項(xiàng)日漸成熟的技術(shù)，并應(yīng)用于他們產(chǎn)品的時(shí)候，一些問(wèn)題也產(chǎn)生了，例如：哪種投射電容式傳感器適合我的應(yīng)用，什么是玻璃和塑料襯底之間的交替使用。以上這些問(wèn)題，還有一些其它問(wèn)題將在下文進(jìn)行介紹。

1 電容觸摸屏

    主要有兩種類型的觸摸屏采用電容傳感作為主要輸入方法：表面式電容和投射式電容。表面電容觸摸屏采用一層銦錫氧化物(ITO)，外圍至少有四個(gè)電極。當(dāng)一個(gè)接地的物體靠近時(shí)，例如手指，這些電極能夠感應(yīng)表面電容的變化。3M微觸公司(3MMicro—Touch)作為該技術(shù)的最主要供應(yīng)商之一，這種方法很長(zhǎng)一段時(shí)間被用在信息亭觸摸屏上。

    但是表面電容式觸摸屏有一些局限性，它只能識(shí)別一個(gè)手指或者一次觸摸。另外，考慮到電極的尺寸，對(duì)于小尺寸屏幕(如那些用在手持式平臺(tái)上的屏幕)是不切實(shí)際的。

    傳感器利用觸摸屏電極發(fā)射出的靜電場(chǎng)線稱為投射電容式觸摸屏。一般用于投射電容傳感技術(shù)的電容類型有兩種：自我電容和交互電容。

    自我電容又稱絕對(duì)電容，是最廣為采用的一種方法。它把被感覺(jué)的物體作為電容的另一個(gè)極板。該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應(yīng)出電荷，從而被感覺(jué)到。所測(cè)量的電荷存儲(chǔ)在結(jié)果電容耦合中。圖2表示了上述原則是如何工作的。

圖2 自我電容觸摸屏工作過(guò)程示意圖
 

    交互電容又叫做跨越電容，它是通過(guò)相鄰電極的耦合產(chǎn)生的電容。當(dāng)被感覺(jué)物體靠近從一個(gè)電極到另一個(gè)電極的電場(chǎng)線時(shí)，交互電容的改變被感覺(jué)到，從而報(bào)告出位置。在汽車應(yīng)用中交互電容傳感器作為傳導(dǎo)性傳感器被廣泛用作汽油調(diào)節(jié)。

    數(shù)百萬(wàn)種自我電容方法在人們?nèi)粘Ｉ�活的位置傳感中被采用。例如�?dāng)今的筆記本電腦上觸摸輸入板到處存在。最典型的筆記本電腦觸摸輸入板采用X×Y的傳感電極陣列形成一個(gè)傳感格子。當(dāng)手指靠近觸摸輸入板時(shí)，在手指和傳感電極之間產(chǎn)生～個(gè)小量電荷。采用特定的運(yùn)算法則處理來(lái)自行、列傳感器的信號(hào)來(lái)確定被傳感物體(此處指的就是手指)的位置。

    在上述兩種類型的投射電容式傳感器中，傳感電容可以按照一定方法設(shè)計(jì)，以便在任何給定時(shí)間內(nèi)都可以探測(cè)到觸摸，該觸摸不僅局限于一根手指，也可以是多根手指。

    不透明投射電容式傳感器可以用在很多設(shè)備上，如觸摸輸入板和投射電容式觸摸屏，其操作的基本原理是一樣的。其不同之處在于傳感器電極的材料、傳感器襯底、制造方法，以及方法堆棧中的很多問(wèn)題。觸摸輸入板可以用不透明材料制造，如采用金屬或者傳領(lǐng)域的碳基電極。投射電容式觸摸屏，必須是透明的，因此，經(jīng)常用與基于電阻式觸摸屏的透明導(dǎo)體相同的材料來(lái)制造，例如ITO。

    但是，與電阻式觸摸屏不同，投射電容式觸摸屏不需要層與層之間的空氣間隔，或者不需要令任何層變形，因此，傳感器可以采用堅(jiān)硬的玻璃或者塑料襯底。投射電容式和電阻式觸摸屏構(gòu)造的關(guān)鍵不同之處是有關(guān)ITO的要求，投射電容式觸摸屏的ITO是作為后一層定型在前一層上，而不是像電阻式觸摸屏一樣采用連續(xù)的膜淀積。雖然增加了工藝復(fù)雜程度，但是考慮到采用投射電容式觸摸屏的好處，還是非常值得的。

    例如，Synaptics在媒體播放器的清除鍵傳感器上采用新奇的金剛石模式。X軸方向的傳感器形成一層，Y軸方向的傳感器形成另外一層，然后加上接2 控制器是關(guān)鍵地層或者保護(hù)層來(lái)完成，如圖3所示。

圖3 Synaptics用于清除鍵傳感器上的金剛石模式
 

    在玻璃和塑料襯底的選擇上并沒(méi)有明顯區(qū)別。都可以層積在塑料或者玻璃鏡頭(屏幕保護(hù))上，這些取決于原始設(shè)備制造商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。玻璃相對(duì)厚點(diǎn)、重點(diǎn)、貴點(diǎn)，但是整體堅(jiān)硬些，可以潛在地降低設(shè)備其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系數(shù)高，盡管兩種材料都比同尺寸的電阻式觸摸屏高。塑料傳感器相對(duì)薄些，并且比較容易層壓在產(chǎn)品鏡頭上(因?yàn)榘讶嵝圆牧蠈訅涸谟残圆牧蠈由媳葘訅簝蓪佑残圆牧先菀仔?。既然制造方法類似，玻璃和塑料襯底都可以用來(lái)制造自我電容觸摸屏和交互電容觸摸屏。

    大部分傳感器供應(yīng)商采用連續(xù)同一批濺射工藝在襯底上刻蝕lT0圖形。

    3M微觸摸公司于2007年宣布了卷對(duì)卷制造投射電容傳感器的可能性。過(guò)去，雖然刻蝕這種圖形的技術(shù)已非常成熟，但是會(huì)引起觸摸屏表面的反射系數(shù)有所不同，當(dāng)光線劃過(guò)表面時(shí)會(huì)造成圖形可見(jiàn)。最近獲得的反射系數(shù)更加匹配，而且傳感器圖形幾乎不可見(jiàn)。

    表面電容式觸摸屏在小尺寸生產(chǎn)時(shí)具有實(shí)際的局限性，而投射電容式觸摸屏在大尺寸時(shí)具有局限性。

    傳感器電極必須離得足夠近，這樣手指可以影響至少兩個(gè)電極的電場(chǎng)線從而確定手指的位置。同樣地，伴隨著屏幕尺寸的增大傳感器電極的數(shù)目也需要按照相應(yīng)的幾何比增大。隨著投射電容式觸摸屏尺寸的增大，需要發(fā)送回控制器的傳感器電極的數(shù)目會(huì)迅速增加，同樣迫使傳感器的非活動(dòng)邊框擴(kuò)大。有一些竅門(mén)可以制造大尺寸投射電容式觸摸屏，但是這些設(shè)計(jì)到目前為止并沒(méi)有在真實(shí)產(chǎn)品中得到驗(yàn)證。

2 控制器是關(guān)鍵

    如果沒(méi)有控制器，傳感器只是一片沒(méi)有作用的塑料或者玻璃。與每一個(gè)物品上的(從應(yīng)用處理機(jī)到MP3解碼芯片)的電阻式觸摸屏控制器的增殖性和綜合性相比，投射電容式觸摸屏仍然需要專門(mén)的芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器，以及解碼一根手指或多根手指在觸摸屏上的位置。

    Synaptics在市場(chǎng)上接受清理鍵模塊的途徑是采用自我電容技術(shù)，該技術(shù)是從已經(jīng)使用的數(shù)百萬(wàn)筆記本觸摸輸入板借鑒來(lái)的。Synaptics控制器使用的傳感設(shè)計(jì)是這樣的，先測(cè)驗(yàn)X軸上的每一個(gè)傳感器軌跡，隨后測(cè)驗(yàn)Y軸上的每一個(gè)感器軌跡，找出每一個(gè)軸上的最大電容點(diǎn)。這種技術(shù)可以屏蔽同度噪音，如濕度、溫度的變化或者外界噪聲源(比如60Hz的線性噪聲)。

    蘋(píng)果公司在iPhone和iPod觸摸屏中采用的是交互電容技術(shù)。Apple／Broadcom控制器使用的傳感設(shè)計(jì)是刺激Y軸上的每一條線，一次刺激一條。對(duì)于每一條Y軸線，控制器測(cè)量該條線和每一條X軸線處的交點(diǎn)電容。結(jié)果就是無(wú)論什么映像都是正在觸摸700X—Y交點(diǎn)處的表面。但是，這種技術(shù)相對(duì)于自我電容技術(shù)對(duì)環(huán)境噪聲非常敏感。到目前為止，以上的控制器供應(yīng)商名單中并沒(méi)有用于已發(fā)布的產(chǎn)品，所以并不知道他們采用什么技術(shù)。

3 豐富的手勢(shì)調(diào)色板

    一般來(lái)說(shuō)，要是想推動(dòng)投射電容式觸摸屏被廣泛采用，首先要使豐富的手勢(shì)調(diào)色板成為可能。原始設(shè)備制造商產(chǎn)品發(fā)展組的用戶體驗(yàn)和用戶界面設(shè)計(jì)者們非常渴望這種新能力。直覺(jué)手勢(shì)的運(yùn)用為減少當(dāng)今用戶設(shè)備的復(fù)雜度提供了巨大希望。

    人們常常會(huì)問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題，手勢(shì)處理會(huì)在那里發(fā)生呢?手勢(shì)可以在四個(gè)地方進(jìn)行處理和解碼：在觸摸屏控制器中，在獨(dú)立CPU或DPS中，在主機(jī)CPU觸摸屏驅(qū)動(dòng)器中或者在主機(jī)CPU正在運(yùn)行的應(yīng)用設(shè)備中。在玻璃襯底和塑料襯底的對(duì)比問(wèn)題中，并沒(méi)有絕對(duì)的答案，每一種結(jié)構(gòu)都各有優(yōu)劣。在蘋(píng)果iPhone中，觸摸屏芯片是由兩塊獨(dú)立的芯片組成：一個(gè)Broadcom模擬處理器，用來(lái)處理從傳感器傳過(guò)來(lái)的原始模擬信號(hào)，將他們轉(zhuǎn)變成由多個(gè)X、Y點(diǎn)坐標(biāo)值組成的數(shù)據(jù)流；另一芯片是NXP(飛利浦)ARM一7 CPU用來(lái)將數(shù)據(jù)流解碼為相應(yīng)的手勢(shì)指示。在蘋(píng)果iPod觸摸屏中，上述兩塊芯片聯(lián)合成一片芯片，又叫做改進(jìn)型Broadcom芯片，包括了模擬和數(shù)字內(nèi)核。蘋(píng)果公司選擇獨(dú)立CPU處理手勢(shì)而非主機(jī)CPU的一個(gè)原因是這樣可以確保快速的對(duì)手勢(shì)作出反應(yīng)。iPhone一共包括五、六個(gè)獨(dú)立的ARM內(nèi)核。所以很顯然整個(gè)產(chǎn)品架構(gòu)是分布式計(jì)算。

    在三星Yepp YP—P2媒體播放機(jī)中Synaptics采用了一種不同的方法。媒體播放機(jī)的功能比智能電話簡(jiǎn)單很多，因此媒體播放機(jī)一般只有一個(gè)CPU，這樣限制了可能的手勢(shì)處理選擇的范圍。三星Yepp YP—P2媒體播放機(jī)采用SynapticsChiralMotion手勢(shì)作為仔細(xì)尋找各種應(yīng)用的主要方法。(ChiralMotion是一種智能化虛擬滾動(dòng)手勢(shì)，允許用戶通過(guò)改變手指運(yùn)動(dòng)弧線的速度和半徑來(lái)控制ChiralGesture識(shí)別發(fā)生在主機(jī)CPU正在運(yùn)行的觸摸屏驅(qū)動(dòng)器上。驅(qū)動(dòng)器向用戶界面通報(bào)用戶意圖，這樣用戶界面應(yīng)用可以滿足用戶在播放機(jī)的其余應(yīng)用上穿梭觸摸，這樣不僅美觀而且使用簡(jiǎn)單。

4 結(jié)論

    對(duì)于未來(lái)的掌上設(shè)備而言，投射電容式觸摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更穩(wěn)健，比電阻式更清晰，支持多手指手勢(shì)應(yīng)用，推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)一體化，這樣看來(lái)下一代觸摸屏很可能會(huì)廣泛應(yīng)用。可利用選擇自我電容、交互電容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多種組合為原始設(shè)備制造商在如何結(jié)合這項(xiàng)日漸成熟的技術(shù)方面提供了巨大的彈性。

    我們已經(jīng)看到很多掌上設(shè)備制造商關(guān)于投射電容式觸摸屏的實(shí)驗(yàn)，不僅可以通過(guò)他的設(shè)計(jì)來(lái)識(shí)別，還可以通過(guò)用戶的體驗(yàn)來(lái)識(shí)別。我們期待市場(chǎng)上這類成功產(chǎn)品盡快上市。