1.投射式电容触控

    投射电容(Projected Capacitive)触控面板的基本结构与动作原理，如图1 所示，其纵横铺设电极与四线阻抗膜方式相同，不过投射电容方式的阻抗膜却不是通过触控领域，而是捕捉电极之间的电容变化。整体而言，几乎可说是触控切换器在使用电容感测方式时的二次元扩充版。关于触控切换器，下文会有更多描述。

图1 投射容量式触控面板基本结构

    由于人体会携带水分，也是优秀导体，故人体若靠近电极，手指与电极之间的电容会增加，此时只要调查哪条线的静电容量变大，就知道哪个点被触控。投射电容方式不须类似阻抗膜方式的电极变形，距离触控面板表面10 毫米也能够感测。此外，面板表面覆盖玻璃抗刮性、耐久性、耐环境性都很强，不过不会产生电容变化的绝缘物触控面板无法运作，因此手套触控无法操作。

 

    2.表面电容触控

 

    表面电容方式(Surface Capacitive)与投射电容方式相同，都是感测静电容量的变化，若将投射电容方式视为四线阻抗膜方式，表面电容方式就等于五线阻抗膜方式，其中第五线就是人体。

    表面电容方式的结构如图2 所示，是由透明导电膜与四角落的电极构成，操作时对四角落的电极施加相同电压，面板整体会形成均匀电界，全部都是同相位时，面板上的电容会放电，此时电流不会流动。反之，当手指触控面板时，变成与利用电容器接地的状态相同，电流从四角落通过手指流动，越靠近触控部位的电极电流值越大，此时只要量测来自四角落的电流量的比率，就可以判断特定部位。

图2 静电容量方式的基本结构

    或许有人会担心，电流对人体造成的影响，但其实电流值非常低，不会影响人体。此外，表面电容方式毋须铺设电极，因此结构上相当简洁。值得一提的是，表面若有水滴，容易影响电容触控方式，因此某些设计利用演算处理排除水滴的影响。

 

    3.省去机械接点开关电容触控感测应用加温

 

    以上介绍触控面板常用的方式，不过由于近年数字消费性电子(CE)产品的小型化，无机械接点的触控切换器(Touch Switch)也开始受到瞩目，其使用的静电容量触控感测方式也跟着受到重视。近期投入相关静电容量触控感测芯片供应厂商包括亚德诺(ADI)、赛普拉斯、飞思卡尔(Freescale)、在2008 年2 月时被Atmel 收购的Quantum Research、奥姆龙(Omron)与罗姆(Rohm)等；表2 是触控感测方式的比较。

最佳 ◎ 佳 ○ 普通 Δ

    由于电容触控感测方式毋须仰赖机械接点开关即可感测触控位置，因此近期颇受重视，主要优点包括，成本不会随感测点数的增加而上升；无机械结构，耐久性佳；设计自由度高；接点部位维持绝缘状态，毋须电镀处理；防水、防尘容易；且复数接点并列形成滑块(Slider)，可以感测手指的移动位置。

    其具体结构是在印刷基板上制作切换图案，由于不需任何切换器组件，因此切换器的成本几乎是零，不过，由于相对要求容量感测用电路，制作成本比较不利。

    前文曾提及，赛普拉斯的PSoC 技术，可制成内嵌支持触控传感器模拟电路微处理器的电容式触控传感器组件，广泛应用在MP3 播放器等各种携带型CE 操作面板。

    由于电容式触控传感器操作时完全没有触压感，因此某些设计刻意组合机械结构，制成具备机械感测机构的触控传感器，操作时可以获得传统机械接点式的操作感受。

 

    4.捕捉电容助感测操作

 

    电容式触控传感器的基本设计思维与投射容量方式完全相同，如图3 所示，两者都是捕捉电极之间的电容变化，制作上是在印刷基板上形成电极，电极表面再覆盖焊阻抗剂(Solder Resistor)，其中一方当作接地，另一个当作感测电极。

图3 手指接近时电容增加

    图4 是实际按键部位的图案与感测距离的范例，随着按键形状、尺寸不同，感测距离也会产生变化。距离太长容易发生失误，距离太短容易反应迟钝，因此实际应用必须根据用途与机器的结构，调整按键部位的图案。

图4 弛张震荡电路PWM 切换电路的基本结构

    图4(d)呈现的锯齿状为滑块用，它可以感测手指处于水平方向的方位，应用在类似MP3等歌曲点播、音量调整，要求以手指横向操作的产品上。而电容式触控感测的运作方式如下：

 

    4.1 弛张振荡

 

    量测电容器的容量变化，是弛张振荡方式(Relaxation Oscillator)典型方法，如图5 所示，弛张振荡方式利用电阻器与定电流电源使电容器充电，接着量测一定电压的时间，当手指触压面板时，电容器的容量越大，反应时间则越来越迟缓。

图5 手指接近时电容改变

    此处假设反应时间为t，电源电压为Vin，电容器的端子之间电压为Vout，如此一来Vout 就变成下列指数关系： Vout = Vin(1-e-t/RC),t 与RC 的积成比例，因此RC 称为「时定数」，假设：Vout=0.63×Vin，t≒RC，换句话说，若将Vout=0.63×Vin 当作临界(Threshold)时，到达该电压的时间几乎与RC 的积相同，因此计算上相当容易。

    图6 是利用上述特性构成的RC 振荡电路，包括滞后(Hysteresis)振荡电路及弛张振荡电路；不过这类设计方式RC 的积--亦实时定数，会变成一个问题。其主要理由是，与手

指之间的容量很小，时定数大到某种程度时必须增加R，其结果造成触控部位的阻抗(Impedance)增加，容易受噪讯影响(图7)。

图6 RC 振荡电路的基本结构

图7 利用RC 时定数检测方式易受噪讯影响

 

    4.2 充电转换

 

    这种方式兼具降低触控部位的阻抗，以免受到噪讯影响，还可同时感测容量变化的方式。典型例子为Quantum 开发的充电转换(Charge Transfer)方式。如图8 所示，充电转换方式是由设定切换器(Reset Switch)与电荷储存用电容器构成。

图8 充电转换方式的基本结构

    图9 则是充电转换器方式的动作特性，首先连接VDD 与端子，接着转换切换器，储存在CP 的电荷会移动到Csum，转换切换器时Csum 的电压会上升，上升的幅度则由CP 与Csum的容量比决定，此时只要量测超过一定电压(Vin)的时间，就知道CP 的变化。量测结束后利用再设定切换器使CP 放电回到初期状态。

图9 充电转换器方式的动作特性

    CP 充电阶段端子与电源连接，因此阻抗维持低强度状态，此时CP 端子部位的阻抗可能变高，不过CP 的容量比Csum 大，而且电荷的转送瞬间就结束，容易受噪讯影响的端子部位，呈电气性连接的时间非常短就结束，因此可以使影响抑制在最小范围。充电转换器方式的外置组件非常少，一般认为充电转换方式可算是优秀的触控组件。尽管技术突出，但因上述充电转换器方式拥有专利，因此不愿付费的厂商，在研发具备触控感测功能的IC 商品时，势必回避专利。

 

    4.3 CSA

 

    CapSense Successive Approximation(CSA)是赛普拉斯半导体开发的触控技术，适用于模拟/数字混合讯号处理器的PSoC。

    图10 是CSA 方式的基本结构，外观非常类似充电转换方式，CSA 与充电转换间最大差异是切换器的连接，尤其是CSA 的电容器高速开关时，可以获得类似电阻器的切换容器动作特性。

图10 CSA 方式的基本结构

    CSA 与电阻器电路的动作波形比较如图11，右侧反复切换部分相当于左侧电阻器，触控时的容量变化相当于阻抗值变化，切换时的输出电压利用下式表示：VOUT=I/NC

图11 CSA 方式的动作特性

    随着手指的靠近增C 大，VOUT 则变低。一旦停止切换动作，透过定电流源的供应电压上升，到达默认临界电压的时间，随着切换时的电压，亦即感测部位的容量改变。

 

    4.4 串联容量分压比较

 

    串联容量分压比较方式与充电转换方式相同，都是利用电荷的移动特性，它是奥姆龙专利的感测方式。

    如图12 所示，串联容量分压比较方式是由电阻器与基准用电容器构成，结构上的特征是基准用电容器与传感器部位的容量CP 呈串联状态，利用该串联容量的切换使充电用电容器放电，接着量测电压降至一定位置的时间，是串联容量分压比较方式的基本动作原理。

图12 串联容量分压比较方式的基本结构

    图13 是串联容量分压比较方式的动作特性，如图所示，步骤1 对充电用电容器进行充电，步骤2 使基准用电容器与传感器部位的电容器放电，此时通过电阻器充电用电容器会被放电，因此切换器SW2 与SW3 的ON 时间非常短。

图13 串联容量分压比较方式的动作特性

    4.5 分流

 

    分流(Shunt)方式主要使用模拟组件电容式触控感测IC，分流方式的动作原理如图14，它与无线通信的动作原理非常类似，两个图案其中一个当作送讯天线以高频驱动，另外一个当作收讯天线接收讯号进行。

图14 分流方式的动作原理

    如图14，上方天线彼此呈电界结合状，一旦手指靠近就变成图14(b)，由于人体本身就是接地物体，相当于一块矗立的遮蔽板，因此收讯强度会降低。 值得一提的是，触控感测晶片会对周围的环境变化进行补偿，它会依照触控手指大小造成变化量的增减，自动调整开关临界强度与感度。

 

    4.6 切换容量

 

    图 15 是切换容量方式的动作原理，首先将电容器与切换器连接，利用频率交互进行开关。电压V 的电源一旦被接通，会将Q=CV 的电荷Q(C)储存在容量C 的电容器。反复使电容器充电、放电时，CV 的电荷会移动，1 秒钟反复N 次，呈现Q=NCV 的电荷移动状态。图15 利用电容器制作阻抗接着将电阻器与电源连接进行比较，R(Ω)电阻器的两端如果施加V(V)，流动电流I(A)变成：I=V/RI(A)是指1 秒钟I(C)的电荷移动，1 秒钟的Q(C)的电荷移动变成：Q=V/R两式比较可以发现从CV=V/R变成NC=1/R，换句话说以N(Hz)切换，相当于连接1/NC(Ω)电阻器进行电荷移动。

 

    输出电压利用切换动作反复上下移动，此时若以低通滤波器(Low-Pass Filter, LPF)平滑化，就可以获得使用电阻器相同效果。

 

    5 感应电容触摸屏

 

    内部电容(Inner Capacitive)方式是电容式感测的改良版，主要特征包括，保持电容式的优点，低价、轻巧，戴手套可以触压控制，应用电容式触控面板的感测技术与利用阻抗膜式触控面板的制造技术与制造设备等。

 

    感应电容触摸屏与表面电容触摸屏相比，可以穿透较厚的覆盖层，而且不需要校正。媲美电容式的耐久性，大于5,000 万次；耐擦伤性大于3Ｈ、可负载250 公克的铁丝球，反复10 次，并进而提高AR 膜片的实力。此外，操作温度范围介于-30～+85℃之间，保存温度范围则为-40～+95℃。图16 是表面与内部电容方式的比较；图17 是内部电容触控面板的驱动电路方块图。

图16 表面电容感测与内部电容感测的比较

图17 内部电容触控面板的驱动电路方块图

    5.1 电极设计

 

    感应电容式在两层ITO 涂层上蚀刻出不同的ITO 模块，需要考虑模块的总阻抗，模块之间的连接线的阻抗，两层ITO 模块交叉处产生的寄生电容等因素。而且为了检测到手指触摸，ITO 模块的面积应该比手指面积小，当采用菱形图案 时，对角线长通常控制在4 到6 毫米（见图18）。

图18 感应电容触摸屏结构

    5.2 电容式触摸屏解决方案

 

    目前的电容式触摸屏解决方案中，Cypress PSoC 产品以可编程，设计灵活，一致性好， 再加上高效的PSoC Express / PSoC designer 开发环境而处于领先地位。PSoCCapSense 技术是根据电容感应的原理使用CSA 或CSD 模块来实现的。PCB 板或触摸屏上相邻的感应模块或导线之间会存在寄生电容（见图19 中的Cp），当有手指接近或触摸两个相邻感应模块时，相当于附加了两个电容，它们相当于并联在Cp 上的电容Cf。利用PSoC 的CSA 和CSD 技术可以检测到 这个电容上的变化，从而确定有没有手指触摸。

图19 PSoC CapSense 检测电容原理

    PSoC 触摸屏解决方案的优点还体现在：

    a. 是一种单芯片方案，和传统方案相比减少了外部器件，降低了系统总体BOM 成本。

    b. 通过使用I2C-USB Bridge 和其他相关工具，结合PSoC Express / PSoC designer 开发环境，可以极大地节省开发时间和费用。

    c. PSoC 内部的IO 和各种类比/数位模块可以实现动态重配置，不需要修改原理图和PCB 就可以更新设计以适应新的需求。它还支持多种通讯接口I2C / UART / SPI / USB 等，可以和各种接口的主机方便连接，这些都会降低系统更新的成本。

    d. PSoC 可以针对外界环境变化 /RF 干扰 / 温度变化 / 电源波动等灵活设置参数，在LCD显示器、手机、数码相机和白色家电的触摸控制中得到了广泛的应用。

    e. 除了控制触摸以外，PSoC 还可实现LED 背光控制，马达控制，电源管理，I/O 扩展等增值功能。

    PSoC 已经应用在在多种尺寸的触摸屏中，如果要实现表面电容触摸屏的控制，可以由CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通过CSD 模块来实现。实现感应电容触摸屏的控制，可以由CY8C20x34 系列通过CSA 模块，也可由 CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通过CSD 模组来实现。

    6．电容触摸屏与电阻触摸屏比较

 

    在触摸屏产品的设计中，需要对性能和成本进行权衡。电阻触摸屏的成本较低，竞争就很激烈，而且在性能和应用场合上有一定局限。

    a.电容触摸屏只需要触摸，而不需要压力来产生信号。

    b. 电容触摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正，而电阻技术需要常规的校正。

    c. 电容方案的寿命会长些，因为电容触摸屏中的部件不需任何移动。电阻触摸屏中，上层的ITO 薄膜需要足够薄才能有弹性，以便向下弯曲接触到下面的ITO 薄膜。

    d. 电容技术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。

    e. 选择电容技术还是电阻技术主要取决于触碰屏幕的物体。如果是手指触碰，电容触摸屏是比较好的选择。如果需要触笔，不管是塑料还是金属的，电阻触摸屏可以胜任。电容触摸屏也可以使用触笔，但是需要特制的触笔来配合。

    f. 表面电容式可以用于大尺寸触摸屏，并且相成本也较低，但目前无法支持手势识别；感应电容式主要用于中小尺寸触摸屏，并且可以支持手势识别。

    g. 电容式技术耐磨损、寿命长、用户使用时维护成本低，因此生产厂家的整体运营费用可被进一步降低。

    7. 电容式触摸屏的发展趋势

    目前电容触摸屏已经应用在了iPhone 及其它手持设备上，定位单点轨迹 / 模拟鼠标双击是它的基本功能，电容触控比电阻式触控有更高透光度、分辨率，使用寿命亦比电阻式触控长，在便携式应用中，用户一手拿着设备，只能用另一只手操作，因此识别多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 压缩、旋转、翻页等手势操作就显得尤为重要。PSoC 感应电容触摸屏已经可以实现多点检测，从而支持两手指的手势识别。多手指手势操作的识别和应用成为当前市场的热点，预计未来电容式触控，将逐渐取代电阻式触控技术，来电容式触控不只手机应用领域，未来触控技术商机，也有机会拓及各类可携式产品、家电应用。

    可以预见支持手势识别的电容式触摸屏将在市场上大放光彩。