1.投射式電容觸控

    投射電容(Projected Capacitive)觸控面板的基本結構與動作原理，如圖1 所示，其縱橫鋪設電極與四線阻抗膜方式相同，不過投射電容方式的阻抗膜卻不是通過觸控領域，而是捕捉電極之間的電容變化。整體而言，幾乎可說是觸控切換器在使用電容感測方式時的二次元擴充版。關于觸控切換器，下文會有更多描述。

圖1 投射容量式觸控面板基本結構

    由于人體會攜帶水分，也是優秀導體，故人體若靠近電極，手指與電極之間的電容會增加，此時只要調查哪條線的靜電容量變大，就知道哪個點被觸控。投射電容方式不須類似阻抗膜方式的電極變形，距離觸控面板表面10 毫米也能夠感測。此外，面板表面覆蓋玻璃抗刮性、耐久性、耐環境性都很強，不過不會產生電容變化的絕緣物觸控面板無法運作，因此手套觸控無法操作。

 

    2.表面電容觸控

 

    表面電容方式(Surface Capacitive)與投射電容方式相同，都是感測靜電容量的變化，若將投射電容方式視為四線阻抗膜方式，表面電容方式就等于五線阻抗膜方式，其中第五線就是人體。

    表面電容方式的結構如圖2 所示，是由透明導電膜與四角落的電極構成，操作時對四角落的電極施加相同電壓，面板整體會形成均勻電界，全部都是同相位時，面板上的電容會放電，此時電流不會流動。反之，當手指觸控面板時，變成與利用電容器接地的狀態相同，電流從四角落通過手指流動，越靠近觸控部位的電極電流值越大，此時只要量測來自四角落的電流量的比率，就可以判斷特定部位。

圖2 靜電容量方式的基本結構

    或許有人會擔心，電流對人體造成的影響，但其實電流值非常低，不會影響人體。此外，表面電容方式毋須鋪設電極，因此結構上相當簡潔。值得一提的是，表面若有水滴，容易影響電容觸控方式，因此某些設計利用演算處理排除水滴的影響。

 

    3.省去機械接點開關電容觸控感測應用加溫

 

    以上介紹觸控面板常用的方式，不過由于近年數字消費性電子(CE)產品的小型化，無機械接點的觸控切換器(Touch Switch)也開始受到矚目，其使用的靜電容量觸控感測方式也跟著受到重視。近期投入相關靜電容量觸控感測芯片供應廠商包括亞德諾(ADI)、賽普拉斯、飛思卡爾(Freescale)、在2008 年2 月時被Atmel 收購的Quantum Research、奧姆龍(Omron)與羅姆(Rohm)等；表2 是觸控感測方式的比較。

最佳 ◎ 佳 ○ 普通 Δ

    由于電容觸控感測方式毋須仰賴機械接點開關即可感測觸控位置，因此近期頗受重視，主要優點包括，成本不會隨感測點數的增加而上升；無機械結構，耐久性佳；設計自由度高；接點部位維持絕緣狀態，毋須電鍍處理；防水、防塵容易；且復數接點并列形成滑塊(Slider)，可以感測手指的移動位置。

    其具體結構是在印刷基板上制作切換圖案，由于不需任何切換器組件，因此切換器的成本幾乎是零，不過，由于相對要求容量感測用電路，制作成本比較不利。

    前文曾提及，賽普拉斯的PSoC 技術，可制成內嵌支持觸控傳感器模擬電路微處理器的電容式觸控傳感器組件，廣泛應用在MP3 播放器等各種攜帶型CE 操作面板。

    由于電容式觸控傳感器操作時完全沒有觸壓感，因此某些設計刻意組合機械結構，制成具備機械感測機構的觸控傳感器，操作時可以獲得傳統機械接點式的操作感受。

 

    4.捕捉電容助感測操作

 

    電容式觸控傳感器的基本設計思維與投射容量方式完全相同，如圖3 所示，兩者都是捕捉電極之間的電容變化，制作上是在印刷基板上形成電極，電極表面再覆蓋焊阻抗劑(Solder Resistor)，其中一方當作接地，另一個當作感測電極。

圖3 手指接近時電容增加

    圖4 是實際按鍵部位的圖案與感測距離的范例，隨著按鍵形狀、尺寸不同，感測距離也會產生變化。距離太長容易發生失誤，距離太短容易反應遲鈍，因此實際應用必須根據用途與機器的結構，調整按鍵部位的圖案。

圖4 弛張震蕩電路PWM 切換電路的基本結構

    圖4(d)呈現的鋸齒狀為滑塊用，它可以感測手指處于水平方向的方位，應用在類似MP3等歌曲點播、音量調整，要求以手指橫向操作的產品上。而電容式觸控感測的運作方式如下：

 

    4.1 弛張振蕩

 

    量測電容器的容量變化，是弛張振蕩方式(Relaxation Oscillator)典型方法，如圖5 所示，弛張振蕩方式利用電阻器與定電流電源使電容器充電，接著量測一定電壓的時間，當手指觸壓面板時，電容器的容量越大，反應時間則越來越遲緩。

圖5 手指接近時電容改變

    此處假設反應時間為t，電源電壓為Vin，電容器的端子之間電壓為Vout，如此一來Vout 就變成下列指數關系： Vout = Vin(1-e-t/RC),t 與RC 的積成比例，因此RC 稱為「時定數」，假設：Vout=0.63×Vin，t≒RC，換句話說，若將Vout=0.63×Vin 當作臨界(Threshold)時，到達該電壓的時間幾乎與RC 的積相同，因此計算上相當容易。

    圖6 是利用上述特性構成的RC 振蕩電路，包括滯后(Hysteresis)振蕩電路及弛張振蕩電路；不過這類設計方式RC 的積--亦實時定數，會變成一個問題。其主要理由是，與手

指之間的容量很小，時定數大到某種程度時必須增加R，其結果造成觸控部位的阻抗(Impedance)增加，容易受噪訊影響(圖7)。

圖6 RC 振蕩電路的基本結構

圖7 利用RC 時定數檢測方式易受噪訊影響

 

    4.2 充電轉換

 

    這種方式兼具降低觸控部位的阻抗，以免受到噪訊影響，還可同時感測容量變化的方式。典型例子為Quantum 開發的充電轉換(Charge Transfer)方式。如圖8 所示，充電轉換方式是由設定切換器(Reset Switch)與電荷儲存用電容器構成。

圖8 充電轉換方式的基本結構

    圖9 則是充電轉換器方式的動作特性，首先連接VDD 與端子，接著轉換切換器，儲存在CP 的電荷會移動到Csum，轉換切換器時Csum 的電壓會上升，上升的幅度則由CP 與Csum的容量比決定，此時只要量測超過一定電壓(Vin)的時間，就知道CP 的變化。量測結束后利用再設定切換器使CP 放電回到初期狀態。

圖9 充電轉換器方式的動作特性

    CP 充電階段端子與電源連接，因此阻抗維持低強度狀態，此時CP 端子部位的阻抗可能變高，不過CP 的容量比Csum 大，而且電荷的轉送瞬間就結束，容易受噪訊影響的端子部位，呈電氣性連接的時間非常短就結束，因此可以使影響抑制在最小范圍。充電轉換器方式的外置組件非常少，一般認為充電轉換方式可算是優秀的觸控組件。盡管技術突出，但因上述充電轉換器方式擁有專利，因此不愿付費的廠商，在研發具備觸控感測功能的IC 商品時，勢必回避專利。

 

    4.3 CSA

 

    CapSense Successive Approximation(CSA)是賽普拉斯半導體開發的觸控技術，適用于模擬/數字混合訊號處理器的PSoC。

    圖10 是CSA 方式的基本結構，外觀非常類似充電轉換方式，CSA 與充電轉換間最大差異是切換器的連接，尤其是CSA 的電容器高速開關時，可以獲得類似電阻器的切換容器動作特性。

圖10 CSA 方式的基本結構

    CSA 與電阻器電路的動作波形比較如圖11，右側反復切換部分相當于左側電阻器，觸控時的容量變化相當于阻抗值變化，切換時的輸出電壓利用下式表示：VOUT=I/NC

圖11 CSA 方式的動作特性

    隨著手指的靠近增C 大，VOUT 則變低。一旦停止切換動作，透過定電流源的供應電壓上升，到達默認臨界電壓的時間，隨著切換時的電壓，亦即感測部位的容量改變。

 

    4.4 串聯容量分壓比較

 

    串聯容量分壓比較方式與充電轉換方式相同，都是利用電荷的移動特性，它是奧姆龍專利的感測方式。

    如圖12 所示，串聯容量分壓比較方式是由電阻器與基準用電容器構成，結構上的特征是基準用電容器與傳感器部位的容量CP 呈串聯狀態，利用該串聯容量的切換使充電用電容器放電，接著量測電壓降至一定位置的時間，是串聯容量分壓比較方式的基本動作原理。

圖12 串聯容量分壓比較方式的基本結構

    圖13 是串聯容量分壓比較方式的動作特性，如圖所示，步驟1 對充電用電容器進行充電，步驟2 使基準用電容器與傳感器部位的電容器放電，此時通過電阻器充電用電容器會被放電，因此切換器SW2 與SW3 的ON 時間非常短。

圖13 串聯容量分壓比較方式的動作特性

    4.5 分流

 

    分流(Shunt)方式主要使用模擬組件電容式觸控感測IC，分流方式的動作原理如圖14，它與無線通信的動作原理非常類似，兩個圖案其中一個當作送訊天線以高頻驅動，另外一個當作收訊天線接收訊號進行。

圖14 分流方式的動作原理

    如圖14，上方天線彼此呈電界結合狀，一旦手指靠近就變成圖14(b)，由于人體本身就是接地物體，相當于一塊矗立的遮蔽板，因此收訊強度會降低。 值得一提的是，觸控感測晶片會對周圍的環境變化進行補償，它會依照觸控手指大小造成變化量的增減，自動調整開關臨界強度與感度。

 

    4.6 切換容量

 

    圖 15 是切換容量方式的動作原理，首先將電容器與切換器連接，利用頻率交互進行開關。電壓V 的電源一旦被接通，會將Q=CV 的電荷Q(C)儲存在容量C 的電容器。反復使電容器充電、放電時，CV 的電荷會移動，1 秒鐘反復N 次，呈現Q=NCV 的電荷移動狀態。圖15 利用電容器制作阻抗接著將電阻器與電源連接進行比較，R(Ω)電阻器的兩端如果施加V(V)，流動電流I(A)變成：I=V/RI(A)是指1 秒鐘I(C)的電荷移動，1 秒鐘的Q(C)的電荷移動變成：Q=V/R兩式比較可以發現從CV=V/R變成NC=1/R，換句話說以N(Hz)切換，相當于連接1/NC(Ω)電阻器進行電荷移動。

 

    輸出電壓利用切換動作反復上下移動，此時若以低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF)平滑化，就可以獲得使用電阻器相同效果。

 

    5 感應電容觸摸屏

 

    內部電容(Inner Capacitive)方式是電容式感測的改良版，主要特征包括，保持電容式的優點，低價、輕巧，戴手套可以觸壓控制，應用電容式觸控面板的感測技術與利用阻抗膜式觸控面板的制造技術與制造設備等。

 

    感應電容觸摸屏與表面電容觸摸屏相比，可以穿透較厚的覆蓋層，而且不需要校正。媲美電容式的耐久性，大于5,000 萬次；耐擦傷性大于3Ｈ、可負載250 公克的鐵絲球，反復10 次，并進而提高AR 膜片的實力。此外，操作溫度范圍介于-30～+85℃之間，保存溫度范圍則為-40～+95℃。圖16 是表面與內部電容方式的比較；圖17 是內部電容觸控面板的驅動電路方塊圖。

圖16 表面電容感測與內部電容感測的比較

圖17 內部電容觸控面板的驅動電路方塊圖

    5.1 電極設計

 

    感應電容式在兩層ITO 涂層上蝕刻出不同的ITO 模塊，需要考慮模塊的總阻抗，模塊之間的連接線的阻抗，兩層ITO 模塊交叉處產生的寄生電容等因素。而且為了檢測到手指觸摸，ITO 模塊的面積應該比手指面積小，當采用菱形圖案 時，對角線長通常控制在4 到6 毫米（見圖18）。

圖18 感應電容觸摸屏結構

    5.2 電容式觸摸屏解決方案

 

    目前的電容式觸摸屏解決方案中，Cypress PSoC 產品以可編程，設計靈活，一致性好， 再加上高效的PSoC Express / PSoC designer 開發環境而處于領先地位。PSoCCapSense 技術是根據電容感應的原理使用CSA 或CSD 模塊來實現的。PCB 板或觸摸屏上相鄰的感應模塊或導線之間會存在寄生電容（見圖19 中的Cp），當有手指接近或觸摸兩個相鄰感應模塊時，相當于附加了兩個電容，它們相當于并聯在Cp 上的電容Cf。利用PSoC 的CSA 和CSD 技術可以檢測到 這個電容上的變化，從而確定有沒有手指觸摸。

圖19 PSoC CapSense 檢測電容原理

    PSoC 觸摸屏解決方案的優點還體現在：

    a. 是一種單芯片方案，和傳統方案相比減少了外部器件，降低了系統總體BOM 成本。

    b. 通過使用I2C-USB Bridge 和其他相關工具，結合PSoC Express / PSoC designer 開發環境，可以極大地節省開發時間和費用。

    c. PSoC 內部的IO 和各種類比/數位模塊可以實現動態重配置，不需要修改原理圖和PCB 就可以更新設計以適應新的需求。它還支持多種通訊接口I2C / UART / SPI / USB 等，可以和各種接口的主機方便連接，這些都會降低系統更新的成本。

    d. PSoC 可以針對外界環境變化 /RF 干擾 / 溫度變化 / 電源波動等靈活設置參數，在LCD顯示器、手機、數碼相機和白色家電的觸摸控制中得到了廣泛的應用。

    e. 除了控制觸摸以外，PSoC 還可實現LED 背光控制，馬達控制，電源管理，I/O 擴展等增值功能。

    PSoC 已經應用在在多種尺寸的觸摸屏中，如果要實現表面電容觸摸屏的控制，可以由CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通過CSD 模塊來實現。實現感應電容觸摸屏的控制，可以由CY8C20x34 系列通過CSA 模塊，也可由 CY8C21x34 或CY8C24x94 系列通過CSD 模組來實現。

    6．電容觸摸屏與電阻觸摸屏比較

 

    在觸摸屏產品的設計中，需要對性能和成本進行權衡。電阻觸摸屏的成本較低，競爭就很激烈，而且在性能和應用場合上有一定局限。

    a.電容觸摸屏只需要觸摸，而不需要壓力來產生信號。

    b. 電容觸摸屏在生產后只需要一次或者完全不需要校正，而電阻技術需要常規的校正。

    c. 電容方案的壽命會長些，因為電容觸摸屏中的部件不需任何移動。電阻觸摸屏中，上層的ITO 薄膜需要足夠薄才能有彈性，以便向下彎曲接觸到下面的ITO 薄膜。

    d. 電容技術在光損失和系統功耗上優于電阻技術。

    e. 選擇電容技術還是電阻技術主要取決于觸碰屏幕的物體。如果是手指觸碰，電容觸摸屏是比較好的選擇。如果需要觸筆，不管是塑料還是金屬的，電阻觸摸屏可以勝任。電容觸摸屏也可以使用觸筆，但是需要特制的觸筆來配合。

    f. 表面電容式可以用于大尺寸觸摸屏，并且相成本也較低，但目前無法支持手勢識別；感應電容式主要用于中小尺寸觸摸屏，并且可以支持手勢識別。

    g. 電容式技術耐磨損、壽命長、用戶使用時維護成本低，因此生產廠家的整體運營費用可被進一步降低。

    7. 電容式觸摸屏的發展趨勢

    目前電容觸摸屏已經應用在了iPhone 及其它手持設備上，定位單點軌跡 / 模擬鼠標雙擊是它的基本功能，電容觸控比電阻式觸控有更高透光度、分辨率，使用壽命亦比電阻式觸控長，在便攜式應用中，用戶一手拿著設備，只能用另一只手操作，因此識別多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 壓縮、旋轉、翻頁等手勢操作就顯得尤為重要。PSoC 感應電容觸摸屏已經可以實現多點檢測，從而支持兩手指的手勢識別。多手指手勢操作的識別和應用成為當前市場的熱點，預計未來電容式觸控，將逐漸取代電阻式觸控技術，來電容式觸控不只手機應用領域，未來觸控技術商機，也有機會拓及各類可攜式產品、家電應用。

    可以預見支持手勢識別的電容式觸摸屏將在市場上大放光彩。