如何以电容式技术实现多点触控功能

作者: Multitouch     时间:2013-09-06     源于:百度文库    总点击:
【导读】:电子设备发展史,键盘、鼠标与触摸板出现,解决输入控制问题。不过,对初学者而言,学会使用这些输入接口门坎相当高,而且所占空间不小,例如,笔记本电脑或手机一半体积都被键盘占据。若能省下键盘空间,自然能提升产品可移植性,最可行的方式,就是直接于面板以触控方

    一前言:电子设备发展史,键盘、鼠标与触摸板出现,解决输入控制问题。不过,对初学者而言,学会使用这些输入接口门坎相当高,而且所占空间不小,例如,笔记本电脑或手机一半体积都被键盘占据。若能省下键盘空间,自然能提升产品可移植性,最可行的方式,就是直接于面板以触控方式进行操作。

    触控技术发展,其实已行之有年,然而,自去年iPhone推出,为触控市场投下了1枚震撼弹,电子产业了解到,触控屏幕并非只是小众市场,其实足以成为主流输入接口。iPhone证明好的触控接口,确实能取代大多数键盘功能,并赋与用户更直觉、便利的操作体验;以更大的面板替代键盘,还能设计出更轻薄、时尚造型;加上完全采用固态面板技术,不需担心键盘、滑轮…等机械零件故障问题。

    上述这些优点,其实早就存在,为何到现在才看到iPhone在市场脱颖而出?这是供需上的时势所趋。今日手机内建功能愈来愈复杂,尤其是智能型手机,iPhone贴心的触控接口,让智能型手机有机会赢得更多人的青睐。多点触控功能出现,造成使用接口的新革命,用户能以更直观的方式使用产品。

     然而,有需求而没技术,仍只是空谈。在中小尺寸面板的手持式市场上,一向是电阻式触控屏幕的天下,但iPhone改采投射电容式技术实现多点触控功能,让大家将注意力转移到新的触控技术。除iPhone,还有LG Prada手机、iPod Touch、Samsung Yepp YP-P2媒体播放器…等,都采用投射电容式触控技术,可见此技术已从小众走向大众市场。

     表面电容式技术&电容式触控技术,是透过手指接触触控屏幕造成静电场改变进行侦测,其中单点触控电容式技术,其实已相当成熟,也就是表面电容式(Surface Capacitive)。此技术架构较单纯,只需1面ITO层即可实现,而且此ITO层不需特殊感测信道设计,外围只需接4条讯号线和接地线即可,生产难度及成本都可降低。运作架构上,系统会在ITO层产生1个均匀电场,当手指接触面板会出现电容充电效应,面板上的透明电极与手指间形成电容耦合,进而产生电容变化,控制器只要量测4个角落电流强度,就可依电流大小计算接触位置。表面电容式技术虽然生产容易,但需进行校准工作,也得克服难解的EMI及噪讯问题。最大的限制则是,它无法实现多点触控功能,因电极尺寸过大,并不适合小尺寸手持设备设计。

    图说:表面电容式触控工作示意图。(Synaptics)" 投射电容式技术; 投射电容式(Projected Capacitive)技术是实现多点触控的希望所在。相较于表面电容式,投射电容式采单层或多层样式化(patterned)ITO层形成行/列交错感测单元(sensing element)矩阵。如此一来,整个使用生命周期中,不需透过校准就能得到精确触控位置,而且可以使用较厚的覆盖层,也能做到多点触控操作不过,在设计上的难度也提升许多,以布线来说,采投射电容式的手机面板,至少需要接15条线。

    就技术原理,有2种方式可实现投射电容式触控感测,一种是自电容型(self capacitance,也称absolute capacitance),另一种为互电容型(mutual capacitance,也称transcapacitance)。自电容型是指触控物与电极间产生电容耦合,并量测电极的电容变化确定触碰发生;互电容型则是当触碰发生,会在邻近2层电极间产生电容耦合现象。

    根据这2种原理,可以设计不同的投射电容式架构,不同架构能做到的多点触控功能也就不同。多点触控其实可细分为2种:一种是手势辨识追踪与互动(Gesture interaction),也就是仅侦测、分辨多点触控行为,如缩放、拖拉、旋转…等,实现方式为轴交错式(Axis intersect)技术;另一种则是找出多点触控个别位置,此功能需采复杂触点可定位式(All point addressable;APA)技术才能达成。以下将介绍这2类技术作法:

    轴交错式'轴交错式(又称Profile-based)技术,是在导电层上进行菱形状感测单元规划,每个轴向需要1层导电层。以2轴型式为例,触控侦测时,感测控制器会分别扫描水平/垂直轴,产生电容耦合的水平/垂直感测点会出现上升波峰(peak),而这2轴交会处即正确触控点。由于每次量测为利用单导电层与触碰物电容耦合现象,因此属自电容型技术。

     @轴交错式电容式触控技术,其实正是笔记本电脑触摸板(touch pad)的实现技术,技术相当成熟,但触摸板与触控屏幕最大差异在于,前者是不透明、后者是透明的。因为不透明,所以触摸板可在感测区使用金属或碳原子式电极。投射电容式触控屏幕则是透明的,因此需采透明ITO做为导电电极,而且此层ITO不像电阻式或表面电容式是均匀导电层,而需要做样式化设计。  单点触控应用上,轴交错式能得到确切触控位置,因此不像表面电容式需经校准修正。透过一些算法,轴交错式也能做到多点触控手势辨识功能,但若要定位多点触控正确位置会有困难。以2轴的扫描来说,2个触控点分别会在X轴与Y轴各产生2个波峰,交会起来就产生4个触点,其中2个点是假性触控点(Ghost point),这将造成系统无法进行正确判读。

    不过,仍有方法能解决多点定位问题。在2轴式触控屏幕中,可以利用2根手指触控时间差分辨前/后触点,或以触点的不同移动方向辨别。此外,也可增加轴向提高可辨识触点位置、数目,每增加1轴向可多辨识1点(如3轴可辨识2点、4轴为3点);不过,每增加1个轴向,就要多1层导电层,这会增加设计的触控面板厚度、重量与成本,这都不是可携式产品乐见的结果图说:多点触控时,轴交错式会产生假性触控点 所有触点可定位式的作法能辨别触控点确切位置,可以说是理想多点触控解决方案,但其技术实现上,不论是导电层规划、布线或CPU运算,难度都提高许多。这类解决方案目前有2种作法,一种是独立矩阵感测单元(Independent-matrix sense elements),它只有1层透明的电极矩阵;另一种是交错矩阵感测单元(Intersection-matrix of row and column sense elements),它由2层相互隔离水平(列)及垂直(栏)导电层组成交错矩阵。. 独立矩阵感测单元'应用上,2种作法都能得到确切的多触控点,因此感觉上并无太大差异,但实际建置技术上,独立矩阵感测单元复杂度相当高,仍不是理想作法。独立矩阵式每个感测单元都需与控制器相连,因此分辨率要求愈高,布线就愈复杂。以1个10x10矩阵,就需要有100条连接控制器的感测线。显然地,独立矩阵式需采多脚位、高运算能力控制器/处理器处理复杂矩阵感测数据,也需更大容量的RAM内存做为暂存区,此外,扫描时间也会拉长。然而,即使解决这些问题,面板制程仍有难解议题:由于ITO导电层并不能穿孔,再将线路从外部连结到控制器,因此讯号线必然得与感测单位布置在同1层空间,这就会挤压到感测单元的可感触面积,而缩小面积意味灵敏度会下降;此外,邻近走线也容易造成电容泄露问题。

   7图说:独立矩阵感测单元架构图交错矩阵感测单元相较独立矩阵感测单元,交错矩阵感测单元是比较合乎商业要求的解决方案。iPhone即是采用此种架构的触控技术。主要架构是2层导电层,其中1层为驱动线(driving lines),另1层为感测线(sensing lines),2层的线路彼此垂直。运作上会轮流驱动1条1条驱动线,并量测与这条驱动线交错的感测线是否有某点发生电容耦合现象。经逐一扫描即可获知确切触点位置制程上,交错矩阵式能解决自电容式面临的复杂绕线问题,不过,要逐一扫描栏列步骤,仍然是相当耗时的工作。由于每次全面板扫描中,多数时间是花在非触控区,因此,其实可透过更聪明的方法加速扫描,例如,透过回归式(recursive)作法,也就是1次只扫半区,若没找到,再将另外半区对切1半扫描,逐渐逼近方式来加速找到触点位置。

    交错矩阵式虽制程上较可行,但其运作负荷与独立矩阵式是相同的,因此也需采更强大的处理器。以iPhone来说,它就以2颗独立芯片分担这项工作,1颗是感测控制器,将原始模拟感测讯号转为X-Y轴坐标;另1颗则是ARM7处理器,专门用来解读这些数字数据,辨识用户手势动作,并作出相应功能。

     此外,交错矩阵式也需面临一些设计挑战,例如,需要供应高电压才能得到较好的噪讯比(SNR)表现。此外,其导电层作法虽能克服自电容走线问题,但本身电路仍存在极大电阻值,这会影响充/放电速度。尺寸愈大,冲击愈大,因此,并不适合在大尺寸面板使用此类触控技术

     图说:交错矩阵感测单元架构图。比较轴交错式和APA,前者所需运算资源会少许多,内存不需太小(小于1kB即可);后者因复杂许多,运算要求也会非常高,内存要求也高(需数kB)。两者同样能实现多点触控侦测,但轴交错式较难做到多点解析,除非采独特软件后处理技术,相较APA就能做到多点解析要求(请参考表1)。其它可行多点触控技术实现多点触控功能,投射电容式并非唯一可行技术。早在2005年纽约大学的Jeff Han博士就已实机展示多点触控的有趣应用。该实验室研发了1种称为受抑全内反射(frustrated total internal reflection;FTIR)光学感测技术,可用多手指在桌上型屏幕进行绘图和多点操控。其技术架构是用背投方式将画面投射于屏幕上,再将 LED光线打入压克力板,利用光线碰到指头产生散射抓取正确位置。

    微软Surface计算机则利用类似原理达成多人、多点触控感测。Surface是1个表面安装30吋触控显示器的工作台,在这层防刮、防水面板下,隐藏多台红外线摄影机,可感应手指或其它碰触表面对象;另有1个DLP投影机侧放,投放用户可看得到的影像。Surface最多可同时感测52个触点,因而支持多人同时操作,而且还能自动识别放置于屏幕上的物体。不过,它售价高达1万美元,目前要求市场是饭店、餐厅、零售点和赌场游戏桌。图说:Jeff Han发明的FTIR多点触控技术。图说:微软的Surface技术。

    结论除投射电容和影像感测方式外,还有不少触控感测技术可实现多点触控应用,或正朝这个方向努力,如IR Matrix、Imaging LCD(Matrix)、IR Waveguide(Matrix)…等。就如Apple所要求的:「手指是万能的」,为避开专利障碍,未来可望见到更多多点触控技术,甚至直接内嵌在显示器LCD面板当中。然而,投射电容式仍是小尺寸手持设备较可行的多点触控解决方案。在过去,电容式主要用于大尺寸面板,今日要取代电阻式置于小尺寸面板,系统业者必须学习解决电容式触控的设计议题。就环境因素观察,EMI是常见的设计挑战,在讯号复杂的手机中,又显得更为困难;天候变化也是不容忽视的因素,不同温、湿度或下雨状况,都会影响触控感测正确性。此外,电容式是使用手指进行触控,设计者也须考虑使用者手指大小,感测单元够大,正确性就会提升,但相对就会犠牲分辨率,因此,必须在正确性和分辨率间取得平衡点。以人的手指来说,感测单元约介于6~10mm间。还有一些设计议题,例如,该选择玻璃或PET做为基板,及侦测讯号输出后的处理架构该如何规划…等。

    投射电容式触控技术可望在手持面板应用中愈来愈普及,但现在仍处于摸索阶段,从制程到软/硬件技术,还有不少挑战待克服。


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