觸摸未來：投射電容式觸摸屏引領新市場
John Feland
(新思國際，美國加利福尼亞圣克拉拉市)

摘要：在蘋果iPhone和LG普拉達手機觸摸屏成功運用的激勵下，投射電容式觸摸屏可以很好地被各種應用所采用。下文是這項技術的概述以及在您的產品中如何決定用哪種類型的投射電容式觸摸屏。

關鍵詞：投射電容式觸摸屏；電容式觸摸屏；觸摸屏

中圖分類號：TNl41 文獻標識碼：A

    2007年3月LG普拉達手機(見圖1)以及隨后2007年6月的蘋果iPhone、2007年9月的iPOD觸摸屏、2007年10月的三星Yepp YP—P2等產品(見圖1))的發行向世界傳遞了一個信號，即透明投射電容式觸摸屏已經做好被大量應用的準備。在2007年之前，透明投射電容式技術只是一項具有很小影響力的小生境技術。

圖1 LG普拉達手機(a)和三星Yepp YP—P2媒體播放機(b)是采用投射電容式觸摸屏的首批消費類電子產品中的兩個
 

    據估計2006年投射電容式觸摸屏在全世界的總銷售額低于2，000萬美元；但是隨著此類觸摸屏技術的發展，逐漸開辟出了通向各種平臺的道路，消費類電子廠商通過多媒體市場采用這項技術，來改變終端用戶的體驗，使得2008年銷售額增為原來的5倍。

    在各公司探索這項日漸成熟的技術，并應用于他們產品的時候，一些問題也產生了，例如：哪種投射電容式傳感器適合我的應用，什么是玻璃和塑料襯底之間的交替使用。以上這些問題，還有一些其它問題將在下文進行介紹。

1 電容觸摸屏

    主要有兩種類型的觸摸屏采用電容傳感作為主要輸入方法：表面式電容和投射式電容。表面電容觸摸屏采用一層銦錫氧化物(ITO)，外圍至少有四個電極。當一個接地的物體靠近時，例如手指，這些電極能夠感應表面電容的變化。3M微觸公司(3MMicro—Touch)作為該技術的最主要供應商之一，這種方法很長一段時間被用在信息亭觸摸屏上。

    但是表面電容式觸摸屏有一些局限性，它只能識別一個手指或者一次觸摸。另外，考慮到電極的尺寸，對于小尺寸屏幕(如那些用在手持式平臺上的屏幕)是不切實際的。

    傳感器利用觸摸屏電極發射出的靜電場線稱為投射電容式觸摸屏。一般用于投射電容傳感技術的電容類型有兩種：自我電容和交互電容。

    自我電容又稱絕對電容，是最廣為采用的一種方法。它把被感覺的物體作為電容的另一個極板。該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應出電荷，從而被感覺到。所測量的電荷存儲在結果電容耦合中。圖2表示了上述原則是如何工作的。

圖2 自我電容觸摸屏工作過程示意圖
 

    交互電容又叫做跨越電容，它是通過相鄰電極的耦合產生的電容。當被感覺物體靠近從一個電極到另一個電極的電場線時，交互電容的改變被感覺到，從而報告出位置。在汽車應用中交互電容傳感器作為傳導性傳感器被廣泛用作汽油調節。

    數百萬種自我電容方法在人們日常生活的位置傳感中被采用。例如當今的筆記本電腦上觸摸輸入板到處存在。最典型的筆記本電腦觸摸輸入板采用X×Y的傳感電極陣列形成一個傳感格子。當手指靠近觸摸輸入板時，在手指和傳感電極之間產生～個小量電荷。采用特定的運算法則處理來自行、列傳感器的信號來確定被傳感物體(此處指的就是手指)的位置。

    在上述兩種類型的投射電容式傳感器中，傳感電容可以按照一定方法設計，以便在任何給定時間內都可以探測到觸摸，該觸摸不僅局限于一根手指，也可以是多根手指。

    不透明投射電容式傳感器可以用在很多設備上，如觸摸輸入板和投射電容式觸摸屏，其操作的基本原理是一樣的。其不同之處在于傳感器電極的材料、傳感器襯底、制造方法，以及方法堆棧中的很多問題。觸摸輸入板可以用不透明材料制造，如采用金屬或者傳領域的碳基電極。投射電容式觸摸屏，必須是透明的，因此，經常用與基于電阻式觸摸屏的透明導體相同的材料來制造，例如ITO。

    但是，與電阻式觸摸屏不同，投射電容式觸摸屏不需要層與層之間的空氣間隔，或者不需要令任何層變形，因此，傳感器可以采用堅硬的玻璃或者塑料襯底。投射電容式和電阻式觸摸屏構造的關鍵不同之處是有關ITO的要求，投射電容式觸摸屏的ITO是作為后一層定型在前一層上，而不是像電阻式觸摸屏一樣采用連續的膜淀積。雖然增加了工藝復雜程度，但是考慮到采用投射電容式觸摸屏的好處，還是非常值得的。

    例如，Synaptics在媒體播放器的清除鍵傳感器上采用新奇的金剛石模式。X軸方向的傳感器形成一層，Y軸方向的傳感器形成另外一層，然后加上接2 控制器是關鍵地層或者保護層來完成，如圖3所示。

圖3 Synaptics用于清除鍵傳感器上的金剛石模式
 

    在玻璃和塑料襯底的選擇上并沒有明顯區別。都可以層積在塑料或者玻璃鏡頭(屏幕保護)上，這些取決于原始設備制造商的產品設計。玻璃相對厚點、重點、貴點，但是整體堅硬些，可以潛在地降低設備其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系數高，盡管兩種材料都比同尺寸的電阻式觸摸屏高。塑料傳感器相對薄些，并且比較容易層壓在產品鏡頭上(因為把柔性材料層壓在硬性材料層上比層壓兩層硬性材料容易些)。既然制造方法類似，玻璃和塑料襯底都可以用來制造自我電容觸摸屏和交互電容觸摸屏。

    大部分傳感器供應商采用連續同一批濺射工藝在襯底上刻蝕lT0圖形。

    3M微觸摸公司于2007年宣布了卷對卷制造投射電容傳感器的可能性。過去，雖然刻蝕這種圖形的技術已非常成熟，但是會引起觸摸屏表面的反射系數有所不同，當光線劃過表面時會造成圖形可見。最近獲得的反射系數更加匹配，而且傳感器圖形幾乎不可見。

    表面電容式觸摸屏在小尺寸生產時具有實際的局限性，而投射電容式觸摸屏在大尺寸時具有局限性。

    傳感器電極必須離得足夠近，這樣手指可以影響至少兩個電極的電場線從而確定手指的位置。同樣地，伴隨著屏幕尺寸的增大傳感器電極的數目也需要按照相應的幾何比增大。隨著投射電容式觸摸屏尺寸的增大，需要發送回控制器的傳感器電極的數目會迅速增加，同樣迫使傳感器的非活動邊框擴大。有一些竅門可以制造大尺寸投射電容式觸摸屏，但是這些設計到目前為止并沒有在真實產品中得到驗證。

2 控制器是關鍵

    如果沒有控制器，傳感器只是一片沒有作用的塑料或者玻璃。與每一個物品上的(從應用處理機到MP3解碼芯片)的電阻式觸摸屏控制器的增殖性和綜合性相比，投射電容式觸摸屏仍然需要專門的芯片來驅動傳感器，以及解碼一根手指或多根手指在觸摸屏上的位置。

    Synaptics在市場上接受清理鍵模塊的途徑是采用自我電容技術，該技術是從已經使用的數百萬筆記本觸摸輸入板借鑒來的。Synaptics控制器使用的傳感設計是這樣的，先測驗X軸上的每一個傳感器軌跡，隨后測驗Y軸上的每一個感器軌跡，找出每一個軸上的最大電容點。這種技術可以屏蔽同度噪音，如濕度、溫度的變化或者外界噪聲源(比如60Hz的線性噪聲)。

    蘋果公司在iPhone和iPod觸摸屏中采用的是交互電容技術。Apple／Broadcom控制器使用的傳感設計是刺激Y軸上的每一條線，一次刺激一條。對于每一條Y軸線，控制器測量該條線和每一條X軸線處的交點電容。結果就是無論什么映像都是正在觸摸700X—Y交點處的表面。但是，這種技術相對于自我電容技術對環境噪聲非常敏感。到目前為止，以上的控制器供應商名單中并沒有用于已發布的產品，所以并不知道他們采用什么技術。

3 豐富的手勢調色板

    一般來說，要是想推動投射電容式觸摸屏被廣泛采用，首先要使豐富的手勢調色板成為可能。原始設備制造商產品發展組的用戶體驗和用戶界面設計者們非常渴望這種新能力。直覺手勢的運用為減少當今用戶設備的復雜度提供了巨大希望。

    人們常常會問這樣一個問題，手勢處理會在那里發生呢?手勢可以在四個地方進行處理和解碼：在觸摸屏控制器中，在獨立CPU或DPS中，在主機CPU觸摸屏驅動器中或者在主機CPU正在運行的應用設備中。在玻璃襯底和塑料襯底的對比問題中，并沒有絕對的答案，每一種結構都各有優劣。在蘋果iPhone中，觸摸屏芯片是由兩塊獨立的芯片組成：一個Broadcom模擬處理器，用來處理從傳感器傳過來的原始模擬信號，將他們轉變成由多個X、Y點坐標值組成的數據流；另一芯片是NXP(飛利浦)ARM一7 CPU用來將數據流解碼為相應的手勢指示。在蘋果iPod觸摸屏中，上述兩塊芯片聯合成一片芯片，又叫做改進型Broadcom芯片，包括了模擬和數字內核。蘋果公司選擇獨立CPU處理手勢而非主機CPU的一個原因是這樣可以確保快速的對手勢作出反應。iPhone一共包括五、六個獨立的ARM內核。所以很顯然整個產品架構是分布式計算。

    在三星Yepp YP—P2媒體播放機中Synaptics采用了一種不同的方法。媒體播放機的功能比智能電話簡單很多，因此媒體播放機一般只有一個CPU，這樣限制了可能的手勢處理選擇的范圍。三星Yepp YP—P2媒體播放機采用SynapticsChiralMotion手勢作為仔細尋找各種應用的主要方法。(ChiralMotion是一種智能化虛擬滾動手勢，允許用戶通過改變手指運動弧線的速度和半徑來控制ChiralGesture識別發生在主機CPU正在運行的觸摸屏驅動器上。驅動器向用戶界面通報用戶意圖，這樣用戶界面應用可以滿足用戶在播放機的其余應用上穿梭觸摸，這樣不僅美觀而且使用簡單。

4 結論

    對于未來的掌上設備而言，投射電容式觸摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更穩健，比電阻式更清晰，支持多手指手勢應用，推動工業設計一體化，這樣看來下一代觸摸屏很可能會廣泛應用。可利用選擇自我電容、交互電容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多種組合為原始設備制造商在如何結合這項日漸成熟的技術方面提供了巨大的彈性。

    我們已經看到很多掌上設備制造商關于投射電容式觸摸屏的實驗，不僅可以通過他的設計來識別，還可以通過用戶的體驗來識別。我們期待市場上這類成功產品盡快上市。