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透视手机触控萤幕感测器设计
 

【作者: Steve Kolokowsky, Trevor Davis】2011年01月28日 星期五

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偶尔有人把拆解东西当作乐趣!

有些人真的喜欢拆开电子装置,看看里面装了什么东西,如果不必担心如何装回去的话就更有趣了。就现今的消费性电子装置而言,产品一旦被拆解,几乎可以保证无法回复原状,很少人真正了解触控萤幕系统是如何组成的。为了解现今最热门的技术之一,我们得拆开触控萤幕手机的上层,看看里面有什么结构。一旦动手,我们将发掘现今触控萤幕背后的运作原理。


所有消费者都看得到现今最热门手机的外貌,其中有许多机型拥有塑胶或玻璃材质的萤幕,但大多数人并不了解里面的结构与其运作原理。接下来我们将探索这类产品感测器的设计与结构,以及从外观看不出的技术,用来感测在萤幕表面进行的触碰操作,还有行动产品制造商在设计搭载触控萤幕的产品时,必须做何技术面的取舍。


值得一提的,本文是三部曲专文的第一篇,旨在帮助读者了解触控产品的设计与结构(本文),产品如何判定解读在萤幕表面上的触碰动作与手势(专文二) ,以及消费性产品和触控笔的运用(专文三)。这些专文的目的都是让读者从技术层面详细了解触控萤幕的各个子系统。


触控技术最显著的特征:运用手指,不论触控萤幕采用何种技术,手指都作为系统提供阻隔效果的物件。有些触控萤幕是利用触碰动作的物理力量来输入触碰动作,其他技术则是利用手指来阻隔红外线或摄影机的视野,其他技术则是量测当手指接近时电流的变化,本文大部分探讨的是最后一种技术。量测触控萤幕面板的电气属性变化,这种技术称为「电容式触控」。在本文中,触控萤幕系统能量测触控萤幕上电容的微幅变化。


《图一 导电的手指会阻隔触控屏幕上的电场(互容式电容感测) 》
《图一 导电的手指会阻隔触控屏幕上的电场(互容式电容感测) 》

事实上,投射式电容感测硬体包含一片玻璃或塑胶材质的覆层,旁边则是整排的X与Y轴感测器所组成的氧化铟锡ITO元件层,ITO以沉积法置于一层绝缘层上。 ITO是一层透明的导电膜,它能传导电荷,让电荷进出触控萤幕的表面。由传送与接收电极负责触控萤幕上的电荷,这些电极通常排列成直行或横列图案,借以判定阻断电场的物体位置。


当手指或其他导电物体接近萤幕时,感测器与手指之间就会形成一个电容。这个电容值低于系统的其他电容,但可透过许多技巧量测到,通常涉及线路内电容的快速变化,以及透过电阻器(resistor)量测放电时间。常用的感测方法有两种,亦即「互容」与 「自容」感测法。自容法是侦测当手指触碰到萤幕时,感测器自容的增加。互容法则是量测传送感测器与接收感测器之间电容耦合的下降(如图一所示)。



《图二 在电容式触控系统中量测互容与自容》
《图二 在电容式触控系统中量测互容与自容》

投射式电容感测器阵列的设计方法,让手指在任一时刻都会和超过一个X轴感测器以及Y轴感测器进行互动。这让软体能利用内插法(interpolation),精准判定手指的位置,因为互容感测法会检查每个X/Y轴的交叉点,而不光只是检查每个X/Y轴感测器,因此互容感测法能同时侦测到多个触碰动作。


现在我们有基本的概念,了解何以手指能阻断触控萤幕上的电场,接下来我们进一步探讨触控萤幕系统的硬体,以及了解每个元件为整体系统的贡献。



《图三 触控屏幕系统的组件》
《图三 触控屏幕系统的组件》

图三显示多个重要元件,包括外层防护片与感测器、LCD以及印刷电路板。防护片是产品最外层的元件,消费者就是在这层元件上和产品进行互动。在某些产品中,防护片只是一层保护的元件,具有防刮与防损的功能,或者本身就是触控感测系统的一部分。对于大多数电容式触控系统而言,触控萤幕「感测器」就位在防护片的底下。感测器其实是透明的玻璃或压克力材质的面板,具有触控反应的表面元件,以印刷或沉积的方式制成,感测器通常直接附贴在保护片上。接着,触控感测器会覆上一个图形显示元件,让面板的触控区域覆盖萤幕的可视区域。最后一个关键元件就是触控控制器本身的硬体系统。


在现今的系统中,触控控制器是一颗微小的微控制器晶片,像是Cypress的TrueTouch,置于触控感测器与系统主控控制器之间。这颗晶片置于系统内的控制器电路板内,或是位于贴附在玻璃触控感测器之上的可挠式电路板(FPC)。这个触控控制器能接收触控感测器的资讯,并将资讯转译成系统主控控制器能判读的格式,然后再透过像是I2C或SPI等常用通讯汇流排,把资讯传送出去,这类汇流排仅需要5至8根针脚,就能连结至主印刷电路板的连接器(如图四所示)



《图四 各种不同制造组态的触控面板》
《图四 各种不同制造组态的触控面板》

以上的描述提供系统的基本构造,接下来我们要探讨触控感测器本身的技术细节。图3显示感测器的横截面,显示多重不同导电材料的分层。根据感测器选用的电路图案与材料,ITO分层、薄膜、或玻璃基板,还有中间黏接的材料(OCA,光学透明胶),这些元件会构成各种不同的组合。制造商会依据厚度、成本、透明度、坚固性、边框宽度、前方视窗材质、重量以及效能等因素,选择适合的组合。


在电容式触控萤幕中,触控反应表面的材质几乎都是氧化铟锡(ITO)。氧化铟锡通常用来制造透明的导电覆层,能透过电子束蒸镀(electron-beam evaporation)、或溅镀(sputtering)等方法沉淀制成。 ITO薄膜的光学与电气属性和沉积法、采用材料的品质以及执行的制程之间有密切的关连(就像汽车的涂漆,若是在低于标准的制程下,即使使用相同的漆料也会涂出差异极大的成品)。对于ITO而言,沉积层应含有高密度的电荷载子才能有高导电性。高导电性(或低薄层电阻,单位为欧姆/单位面积),与高透明率之间得取一个理想的平衡点。


薄层电阻可取极低值(20-50 Ohms/sq),搭配超过80%的可视透明率,但若要让透明率接近90%,薄层电阻必须超过100 Ohms/sq。透射率(穿透感测器至LCD的可视透明度)与电阻(电流轻易轻过触控面板)之间的微妙平衡,使得感测器的设计成为各家厂商极力保护的商业机密。事实上,市场上有许多不同的设计,让业者根据效能的先后来做不同取舍。



《图五 针对讯号侦测设计不同交错模式的X/Y轴感测范例》
《图五 针对讯号侦测设计不同交错模式的X/Y轴感测范例》

大多数触控萤幕感测器直接接附在LCD(液晶显示器),较新的AMOLED技术(主动有机发光二极体)则采用各向异性导电薄膜(Anistropic conductive film),运用微小的导电金属球置于黏胶带上,用来接合触控萤幕面板与LCD模组。搭载触控功能的产品,挑选萤幕所考量的因素和传统系统一样: 包括解析度、透明度、更新速度以及成本。触控萤幕其中一项主要考量因素,则是它们产生的电子辐射,或是杂讯。由于触控感测器的技术,是根据面板被触碰时产生微幅的电荷变化,因此会发出大量电子杂讯的LCD就很难补救,所以不宜采用。


消费性产品经常采用数种LCD,在设计时必须审慎考量:


点倒转(Dot Inversion)

对于触控萤幕而言,这是较受欢迎的TFT LCD显示技术,点倒转型LCD在LCD表面上覆盖直流共用电压(DC Vcom)。直流Vcom会形成一个遮蔽层,可挡掉LCD的切换杂讯。


线倒转(Line Inversion)与框倒转(Frame Inversion)

线倒转型的LCD,会运用覆盖LCD表面的交流共用电压(AC Vcom)。这个交流电压所产生的杂讯,会被感测器接收。这种LCD需要第三层ITO,利用遮蔽层来保护接收电极,避免收到LCD切换时所产生的杂讯。若选用这种LCD,业者务必选择最慢的讯号上升时间,因为切换频率和LCD产生的杂讯量有直接关连。


AMOLED

AMOLD 含有一个方阵排列的OLED像素,透过持续的电流来产生光线,就每个像素而言,这些电流是由至少两个薄膜电晶体(TFT)来控制。其中一个TFT用来启动与停止储存电容的充电,第二个TFT则用来提供必要的电压来源以维持稳定的电流。这种结构能减少杂讯,适合用在电容式感测系统。


最后,当手指触碰到触控感测器时,电荷就会离开面板并传到接收电极,触控萤幕控制器会量测到电容的变化。根据LCD发射的杂讯,触控控制器在辨识真正触碰动作与干扰讯号时,会面临难易不同的情况。系统中其他硬体的实际性能,取决于触控萤幕的控制晶片。若面板的电阻过高,加上LCD发出过多杂讯,或者电路图案的设计不精准,抑或未针对效能进行优化,那么从触控面板传回到触控控制晶片的讯号就会很微弱或不精准。


结语

了解硬体与感测器结构的细节,读者可更深入掌握工程知识,开发出性能完善的触控萤幕产品。许多使用者要求的只是其手机介面能正确解读自己手指要输入的内容,光是这样产品幕后的触控系统就需要极精密复杂的设计;关键在于设计的成品必须让使用者无缝且轻易地操作。包括电路图案的设计、ITO沉积、材质、LCD以及触控控制器的类比与滤波效能,这些重要因素都决定产品是否能提供世界级的触控与完美的使用者体验。


我们将在下一篇专文中阐述,当硬体感测到触控讯号时,使用者的输入讯息经过解读,以及到萤幕上图标的移动这整个过程。触控萤幕的软体部分和硬体一样引人入胜。在此之前,祝福您有愉快的触控萤幕体验。


---本文作者任职于Cypress赛普拉斯半导体---


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