原创 投射电容触摸技术现状及其前景

         随着电子信息的快速发展，触控式显示面板的应用越来越普遍，目前触控式面板在全球已开始自成一项产业。作为一项先进的计算机输入设备，触控面板是目前最简单、方便、自然，而且又适用于多媒体信息查询装备的人机接口技术。
以目前市场触控式面板来说，主要可分为五个基本类型：电阻式触摸屏、表面声波屏、红外触摸屏、表面电容触摸屏、投射式电容触摸屏。

一、投射电容触摸屏原理                  

        投射电容式触摸屏技术的原理是利用一个或多个蚀刻后的ITO模板，增加数组存在不同平面、同时又相互垂直的透明导线形成类似x、y轴驱动线而构成。而这些导线都是由电容感测芯片控制，当电流经驱动线驱动其中的导线时，与侦测电容值变化的导线相通，控制芯片依序轮流下载侦测电容值变化数据至主控制器，确认触点位置后，由于透明导线早在面板形成三维电场，因此触点的近测感应不须触按屏幕即可发生，此技术亦可以做到z轴感应分辨应用。投射电容触摸屏支援多指识别。

        当然也有采用六角形、条形、三角形等，具体形状和尺寸要根据控制IC来选择。其物理结构一般采用双层结构。

        在触摸屏中，ITO是以平面导体的形式存在，每一个方块区域对应着同样的阻抗。根据这一原则，推荐使用菱形的感应单元，因为连接这些菱形的导线可以用最少的方块区域（少于等于2个）拼接而成。

       在设计中除了要考虑图形的选择之外，还有自感电容（Cp）和互感电容（Cm）的影响。

        Cp存在行与列之间，Cm存在于行列交叉处。手指触摸时感应单元的Cp电容量增加，Cm减少。行与列距离越近，Cp越大。

二、市场主流电容触摸方案供货商

        面对席卷而来的应用浪潮，投射电容触摸控制IC的队伍也在不断扩大。从最早的新思科技（Synaptics）和义隆电子，到后来的Cypress、英国的Quantum Research Group以及中国大陆的苏州瀚瑞微电子，再到后来的意法半导体，和飞思卡尔等巨头，这一市场已经变得群雄逐鹿。那么他们之间存在哪些差异呢？

1. 方案比较
        新思科技、义隆电子基本上是专注于笔记本计算机和便携消费电子领域，它要求实现全屏触摸，甚至多指触控。

        Cypress、意法等厂家的方案则更广泛，他们既针对便携的消费电子，也有针对少按键的家电产品的方案，与新思、义隆等不同，这几家的方案主要针对按键、滑条、滑轮等，而极少全屏触摸。

       苏州瀚瑞的方案则是支持全屏触摸、多指识别，以及独特的压力识别。

2. 专利保护
        在专利方面则各家都表示拥有自己的核心专利，比如新思科技拥有XY向2D专利，Cypress拥有表面电容感应专利，Quantum拥有电荷转移电容感应专利，而苏州瀚瑞则拥有核心的算法专利。

图1：投射电容触摸屏图形结构多采用著名的双层菱形结构

         因此，其它公司进入该市场就要妥善处理专利问题。

3. 方案实现
         在方案实现上，电容触摸可分为全ASIC方案和基于MCU的方案。其中新思科技是ASIC方案的代表；而Cypress、义隆电子、Quantum、苏州瀚瑞则采用基于MCU的方案。
         投射电容触控IC的解决方案，一般有如下几种原理：
‧ 弛张振荡器：其电路结构简单，但是其速度慢，需要经常校准。
‧ 电荷转移放大器：中等速度，电路复杂。
‧电荷转移放大器，电容A/D转换：中等速度电路复杂，需要16 bit处理器。
‧同步解调原理：速度慢，功耗大，需要经常校准。
与其它方案计算电容不同的是，苏州瀚瑞采用的方案是计算ΔC，具有功耗低，速度快，灵敏度高，不需要校准等优势，并通过独特的算法解决了潮湿等外界干扰信号对触摸屏的影响。

三、产业链的关键

1. 表面透光感应面板技术
        触控面板基本上是由轻薄透明的感应材料和控制IC以及相应的软件组合而成。导电材料一般多选择ITO（氧化铟锡），用溅射的工艺于透明材料上，基底材料一般选择玻璃或PET薄膜以Film/Film、Film/Glass或Glass/Glass结构上下贴合而成。感应面的主要规格为透过率和使用寿命。在玻璃上溅射ITO并蚀刻出相应的图形是比较成熟的工艺，一般面板厂都非常熟悉。因此传统的面板厂也对此领域有所动作，但是玻璃厚、重、贵、易碎是它的缺点。

图2：投射电容触摸屏推荐使用菱形的感应单元。

2. 控制IC
        不同于电阻式面板，原理简单、门坎低，其感应控制电路不需要独立控制IC，而多由系统上的主控CPU以软件处理，感应电容式目前尚无法由系统上的主IC处理而需要独立IC处理，因此也吸引国内外多家IC设计公司相继投入，如新思（Synaptics）、Cypress及国内苏州瀚瑞、台湾义隆等等。但感应电容式触控IC因其门坎相当高，若没有相当研发实力恐难完成。其主要技术门坎在于：
（a）系统信号处理
（b）手指上汗液的信号干扰
（c）Cover lens或机构保证面的厚度使感应灵敏度降低。
（d）外界环境不同造成系统稳定性降低。
（e）Demo容易，量产困难。

3. 系统整合
        投射式电容本身最大的障碍在于系统整合之后的使用状况，毕竟面板的使用是安装在屏幕之上，其干扰信号与系统内的电路所产生的其它噪声会对触控产生干扰，造成定位不准尤其对于未来的手写输入和手势触控的应用控制IC便是关键。
        第二，因系统机构设计的原因而导致Cover lens变厚，原则上将影响灵敏度。另外，模块厂是否需要客制化Cover lens也是产业一个挑战。最后的挑战是模块贴合良品率，而且尺寸越大，贴合的良品率越低。

4. 产业的上下游整合
        一般上游材料（玻璃、PET、关键化学材料）多掌握在日本企业手中，如旭硝子、康宁、住友、三井等。中游材料加工则掌握在台湾和日本手中，如日东电工、正太科技、3M等，下游面板贴合等则在台湾，少部分在大陆完成，由于投射式电容面板加工制造属于全新领域，多数仍在摸索过程之中，良品率的提升仍有一段路要走。而面对全新领域，目前面板厂均无整合测试与系统支持的成熟经验，仍需要IC设计公司来执行与支持，因此此产业链的整合、定位、重组势在必行。

5. 专利保护
         电容触控产业的发展，离不开专利的保驾护航。十几年来，随着电容触控面板的发展，各家在专利上的布局已密如蛛网，包括手势动作、触摸识别、滑动，以及底层技术等。目前，因投射式电容尚未有多家大量产品投入，但是已经有多家蠢蠢欲动，可以想象不久的将来，必定血光四射。因此系统设计者必须在密布专利地雷的环境中施展凌波微步。

四、结论

（1）目前触控面板仍以小尺寸之应用为主（尤其是多指触控应用），而投射电容式面板必将成为主流而逐渐取代电阻式方案。
Demo不等于量产，目前多指应用解决方案，Demo者多但可量产者少，其间仍有相当大的距离。
（2）控制IC厂商本身的研发能力决定未来电子产品使用的发展。
（3）选择合适的面板厂商是系统厂商需要考虑的重点。
（4）与控制IC厂商合作关系到触控面板厂商的存亡。
（5）垂直整合势在必行。