原创电容式触控电荷转移横向模式技术 (2)

 2012-2-21 13:36  1068 12 12 分类: 消费电子

       在最简单的四线（Four-wire）电阻式连接中，顶层两端和低层两端分别各连接两个电极，两层的电极互相呈九十度交叉，形成四线星状连接结构，这实际上就是一对彼此正交的电位计（图2），相当于机械操纵杆的平面屏幕模拟。为了在X轴方向测量触摸位置，触控板的控制器将X-设为接地，而X+偏置为参考电压，然后从Y层的两端读取电压，以找出X轴上两层的接触点。同样地，控制器透过在Y层的电极上加载驱动电压，并从X层读取触摸点电压，可以确定Y轴上的触摸位置。
       这种技术的变化形包括五线系统，基板带有ITO涂层，四边都有电极。软性隔膜为第五个电极，当用户手指压按时，控制器可测量出X和Y轴的电压，从而确定触摸的位置。这种排列通常可提供比四线结构更佳的稳定性和更长的寿命。其它变化还有适用于大型屏幕、分辨率更高的六线和八线系统。
       电阻式技术的主要优势在于其接口电子结构很简单，控制器只须在一对电极上加载参考电压，同时测量另一对电极间的电势即可，而这一点利用片上（On-chip）金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET）开关、模拟多路器和模拟数字转换器（ADC）就可轻松做到。若ADC进行差分测量，测量结果实际上成为比率计（Radiometric），可使用Vcc和接地作激励（Stimulus），透过适当的设计，就完全有可能获得4，09*，096的分辨率。
       相反地，这种技术的主要缺点源于触控屏幕的多层结构。其基层一般是玻璃，表面涂有一层均匀的ITO，顶层通常由聚乙烯对苯二甲酸酯（PET）制造，内表面（Inner Surface）也涂有一层均匀的ITO，而外表面（Outer Surface）则有硬涂层，以为保护作用，而形成空气隙以把这些导电层隔离开的细小透明间隔点常在打印制程中产生。这种多层材料堆栈的多层结构对透光性有所影响，一般将降至约透明玻璃透光率的75%，同时，空气间隙可能产生薄雾效应，进一步降低清晰度。此外，这种结构很容易刮伤损坏，而且因为机械轴性不重合，还须仔细校准以确定X、Y坐标范围，其它弱点还包括可能吸收电气噪声，尤其是来自液晶显示器（LCD），这时一般须进行滤波，将导致反应时间的延长，当然，控制器一次只能处理一个触摸位置，也是一大局限。
利用电荷转移技术解决应用挑战
       由于电阻式触控屏幕存在缺陷和局限性，许多设计人员已转向投射式电容感测技术。这种技术在IC形式上分为好几种电路，主要包括容抗（RC）时间常数测量电路，如弛张振荡器、直流（AC）电流测量组件，以及电荷转移（Charge-transfer）组件。电荷转移组件又分为单端模式（Single-ended）和横向模式（Transverse-mode），选择上述任何一种方法，利用在两层或更多迭层上的电极行列数组，都可以实现触控屏幕。
       RC时间常数技术的基本原理是，当电容组件C随手指触摸改变时，电极区域充电或放电所需的时间也随之改变。测量充/放电期间的变化可得到C的变化，因为C是未知，所以假设为Cx，这种方法有许多变化形式，可测量频率或时间、可自由运行或以单周期为基础。RC时间常数测量的缺点是速度较慢，并易受泄漏电流干扰，其动态范围也非常有限，很难校准，而且容易受到恒定漂移问题的影响。此外，由于其电路的高阻抗特性，所以也极易受外界噪声干扰，尽管如此，仍有部分触控屏幕采用这种方案。
        至于AC电流测量方法，由一个AC电压源驱动阻抗，继而驱动Cx，故测量阻抗产生的电压就可确定Cx的值。这些电路也有很多和RC电路相同的局限性，不过前者的驱动阻抗一般较低，然而其须利用放大器恢复串联阻抗产生的小电压，但讯噪比等方面的问题又随之而来，这种方法在触控屏幕中已有一定运用，尤其是在带低阻抗边沿的前表面板中。
       和RC及AC技术相同，单端电荷转移电容传感器也是在每个感测通道采用一个电极板，但不依赖于时序测量或放大器，而是采用互补式金属氧化物半导体（CMOS）开关把电荷泵入Cx，并把电荷转移到一个参考采样电容（Cs）中。透过计算Cs达到预先设定的电压值所需的周期数，就可很容易求得电荷电平，且这个周期数与Cx成反比。众所周知，电荷转移方法有助于抑制泄漏电流的影响，而且由于其采用一个很大的Cs作为检测器，这个检测器相当于对外界的一个低阻抗，故其抗外部电气噪声的能力非常强。
        与之相反，横向模式电荷转移感测是每个感测元素都采用两个电极。基本上，其电气行为与单端电荷转移感测相同，但这些电路在发送/接收矩阵中采用电极数组创造触控屏幕功能。该方案的优点是其需要的布线较少，更甚之能同时识别和区分多个触点之间的差异，单端电路也可感测多个触点，不过由于讯号本身模糊，故不能区分。此外，横向模式方案还有速度快和功耗低的优势，因为其能同时测量一条驱动线路上的所有节点，所以可减少50%的采集周期数。这种双电极式结构具有自我屏蔽外部噪声的功能，在定功率级上可提高讯号稳定性，因此，量研科技（Quantum Research）一直将横向模式感测技术作为驱动触控屏幕的主要方案，利用高载模式采样、扩频调制及数字讯号处理等各种增强型技术的结合，促成抗噪声源干扰能力强，即使在恶劣环境下也较稳健的解决方案。
       在电气方面，横向模式感测的工作原理非常类似于T桥衰减器电路，使用者的手指实际上相当于一对电容之间的Cx项（图3）。手指触控屏幕表面吸收驱动电极和接收电极之间的耦合电荷，电荷经由大量杂散电容路径返回至电路的接地，这会降低讯号的强度，而降低的程度很容易且可靠地测出

图3：横向模式感测的工作原理

尽管功耗极低，横向模式传感器却容易可穿过好几毫米厚的塑料、玻璃及其它材料，检测出使用多手指触摸，电极可由任何导电材料制作而成，如ITO，而且几乎任何尺寸和形状都可以。噪声消除算法可帮助这些传感器消除LCD等模块产生的噪声，通常毋需单独的屏蔽层，从而提高显示器的光传输性能，同时降低产品的建构成本和背光功率的要求，而厂商推出的QMatrix横向模式电路采用一种双斜坡转换形式，可确保电路对时间和温度的变化具有高度稳定性（图4）。