从控制器角度看投射电容式触摸系统

自 2007 年推出 iPhone® 以来，投射电容式触摸屏技术已被越来越多的应用所采用。然而，将投射电容式触摸传感器集成到触摸屏设备中仍然是一个具有挑战性的问题，特别是在LCD显示器、外围设备和环境产生的噪声方面。最有前途的解决方案之一是利用高信噪比（SNR）触摸屏控制器来解决噪声问题。高SNR控制器还具有本文探讨的许多其他优点。

SNR定义为信号（有意义的信息）和背景噪声（不需要的信号）之间的功率比。如果在同一阻抗上测量信号和噪声，则可以通过计算均方根（RMS）幅度值的平方来获得SNR。功率值的数值比值（PS/PN） 通常非常大，最好使用对数分贝 （dB） 刻度来描述。因此，信噪比可以表示为：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)² = 20log10(RMSS/RMSN)

较高的SNR值表示相对于背景噪声测量的信号强度较高。

整体触控性能

从高层次来看，有两个主要组件决定了整体触摸性能：触摸传感器设计和触摸控制器集成电路。存在各种触摸传感器图案设计，通常以指示图案形状或构造的名称来指代，例如三角形、菱形、雪花、街道和小巷以及电线杆。例如，“菱形”是菱形（菱形）结构的网格，而“街道和小巷”是类似于城市布局的相交行和列的网格。一些模式使用单层ITO，而其他模式则需要两层或三层，具体取决于所需的系统性能和触摸控制器集成电路的架构。

通常，触摸传感器模式和层结构（“堆叠”）是根据触摸控制器架构量身定制的，以最大限度地提高SNR。例如，在具有交叉（短路桥）的单层互电容菱形图案中，从触摸表面到ITO的X层和Y层的距离是相同的。这减少了增益误差，并使行和列的SNR水平相似。但是，这种设计可能需要屏蔽层，以防止接收传感器从LCD下方拾取噪声。使用具有高SNR的触摸控制器可以通过放宽对设计的限制来降低触摸传感器成本，从而可以使用更广泛的图案和层结构。本应用笔记稍后将讨论，像MAX11871这样的高SNR触摸控制器可以提供额外的优势，例如更容易找到触摸的质心，降低触摸屏对环境噪声的敏感性，以及允许使用手套和小尖端导电手写笔。

控制器架构

两种主要的竞争投射电容触摸技术是自电容和互电容[1]。以下是每个方法的简要摘要。

自电容

早期的procap方法至今仍在使用

通常仅限于一次触摸，或两次重影触摸（与预期触摸位置相关的错误触摸）

钻石图案最常见

更低的液晶抗噪能力

更简单、成本更低的控制器

互电容

新一代设计获得市场份额

真正的多点触控，具有两个或多个明确的触摸

更好的触摸精度

在传感器模式设计中具有更大的灵活性，有助于最大限度地提高 SNR

更好的抗噪能力

更复杂、成本更高的控制器

许多应用只需要一两次触摸，因此自电容解决方案可能很有吸引力，特别是如果可以控制用户界面中的触摸位置以消除重影。虽然使用自电容系统可以实现超过30dB的典型SNR，但这通常需要在LCD和传感器底部触摸层之间有一个屏蔽层，这会增加成本并降低显示器亮度。

其他技术可以应用于自电容解决方案，以进一步提高SNR。这些措施包括（a）增加每个通道的采样数量，（b）增加传感器驱动电压，这在存在固定背景噪声（例如来自LCD的噪声）的情况下增加信号幅度，以及（c）在不同频率下采样以避免固定频率干扰，例如60Hz（这称为“频率抖动”）。然而，这些技术通常也会降低帧速率并增加功耗，这两者都通常是不可取的。

为了最大化SNR并支持两个或多个明确的触摸，很明显，最理想的触摸系统架构依赖于互电容。图1中的系统框图示出了将激励信号施加到其中一个触摸传感器电容板的广义互电容实现方案。另一个触摸传感器电容板连接到触摸控制器的模拟前端（AFE）。AFE输出被转换为数字形式，并在数字信号处理器（DSP）中进一步处理。

图1.广义互电容系统的系统框图。

设计挑战

将投射电容式触摸传感器集成到配备触摸屏的设备中时，存在许多技术挑战。以下段落描述了可以从高 SNR 触摸控制器中受益的一些最常见情况。

传感器堆叠：当今触摸行业中存在各种各样的触摸传感器层结构，由材料考虑、设备厚度目标、性能要求和成本目标驱动。图 2中显示了一个示例。单个和多个基板、“面朝上”和“面朝下”结构、X 和 Y 传感器层厚度的变化、光学透明粘合剂 （OCA） 厚度的变化以及其他因素都会影响传感器产生的信号电平。高SNR触摸控制器可以降低这些结构差异的重要性，因为它能够处理更宽的触摸传感器信号的动态范围。这为设计师在堆叠设计方面提供了更大的自由度。

图2.许多不同的互电容触摸传感器堆叠之一（不按比例缩放）。

厚盖镜头：某些应用（如银行 ATM）可能需要厚盖镜头来保护显示器免受破坏。但是，较厚的盖板会降低手指触摸检测的信号强度并降低触摸位置的准确性，因为手指离触摸传感器更远。这“分散”了电容曲线并降低了峰值，这使得确定预期触摸的精确位置变得更加困难。戴手套的手也有类似的效果。

LCDVCOM类型：LCD VCOM是指“公共电压”，即典型LCD的参考背板电压。驱动背板的技术因系统要求而异。两种常见的方法是AC VCOM和DC VCOM。AC VCOM 在多个电压电平之间调制背板，而 DC VCOM 在背板上保持恒定电压。前一种方法会产生更多的噪音。

触摸传感器和盖板之间的气隙：触摸屏设备最终用户报告的最常见问题之一是盖板损坏。为了使产品更薄，可以将投射电容式触摸传感器层压到盖板的背面。但是，在更换损坏的盖板时，还必须更换触摸传感器，这增加了维修成本。为了避免这种成本以及层压的成本和较低的良率，设备制造商通常用薄垫圈将触摸传感器和盖板分开。

但是，当触摸传感器和盖板之间引入气隙时，触摸传感器检测手指触摸变得更加困难，因为空气的低介电常数会降低手指触摸的信号强度。解决这个问题的一种方法是提高触摸系统的灵敏度阈值。然而，这是一个危险的游戏，因为传感器可以接收到无意的信号，例如LCD噪声或来自环境的其他环境噪声，这使得触摸传感器更难区分触摸和噪声。

工业设计要求：一些设备制造商将触摸传感器直接层压到显示器上，以实现更薄的整体设计。但这也带来了巨大的风险，因为触摸传感器位于一个重要的噪声源的顶部。一种解决方案是在触摸传感器和显示器之间添加屏蔽层。然而，添加额外的ITO层会增加整体材料成本，并对光学清晰度产生负面影响。

On-Cell触摸传感器：为了降低整体制造成本，LCD制造商越来越多地采用的一种方法是将触摸传感器直接放置在滤色玻璃的顶部，偏光片下方。虽然这消除了对外部传感器和层压的需求，但触摸传感器的位置更靠近显示器的中心，这进一步增加了传感器看到的噪音水平。

触摸控制器位置：投射电容式触摸控制器最常位于触摸传感器电缆（柔性芯片或PCB芯片）上，有时直接位于触摸传感器上（玻璃芯片）。但是，为了更容易地测试触摸传感器，某些设计要求将触摸控制器安装在系统主板上。这种方法可能需要将触摸传感器连接到触摸控制器的长柔性印刷电路（FPC）。长FPC可以充当天线，很容易拾取额外的噪声，使触摸控制器更难处理来自触摸传感器的模拟信息。

其他噪声源：移动设备上的主要噪声源来自LCD显示屏，LCD逆变器，Wi-Fi®天线，GSM天线以及设备内的各种高速电路。环境噪声也会对触摸系统产生重大影响。某些交流电源会产生高水平的噪声，这些噪声很容易通过设备的交流适配器传导。此外，当设备靠近强噪声源（如桌面荧光灯）放置时，触摸系统可能会将噪声误解为故意触摸。

对于正常情况下正常大小的手指（> 7mm），高SNR控制器可能比低SNR控制器没有显着优势。当微弱的输入信号（例如由手写笔或戴手套的小手指或戴手套的手指产生的信号）与嘈杂的环境相结合时，优势就显现出来了。在这种情况下，低SNR控制器无法将信号与基线噪声区分开来。如果降低检测阈值以提高触摸检测灵敏度，则触摸系统很容易被噪声触发，从而导致意外激活。在实际应用中，绝对不允许意外激活。

应用挑战

触摸精度：触摸精度是触摸传感器设计中的一个重要指标。例如，在虚拟触摸屏键盘应用程序中，字符被紧密地包装在一个相对较小的区域中。对触摸的精确响应对于避免错误键入的字符至关重要。实现高精度的一种方法是在控制器中添加更多传感器通道，以支持更高的触摸传感器网格密度。但这也带来了成本损失，因为触摸传感器和触摸控制器上都需要更多引脚。此外，更多的传感器通道需要更多的走线沿着触摸屏的边框运行，这可能会增加边框宽度。

高SNR触摸控制器提高了触摸精度，因为它可以从触摸中读取更强的信号，并从更大的周围区域收集样本数据。较大的区域提供了更多的参考点，从中可以计算出触摸的精确位置。图3显示了触摸控制器SNR对手持4mm金属块的机械臂绘制的线条图的影响。使用高SNR控制器绘制的线明显比使用低SNR控制器绘制的线更平滑。请注意，这些测量值是使用相同的触摸传感器和相同的后处理软件记录的，以确保比较的公平性。

图3.由手持 4 毫米金属块的机器人手臂制作的线条图。左图反映了高信噪比触摸控制器的使用;右边的那个，一个低信噪比触摸控制器。

手写笔：电阻式触摸屏用户早已习惯于使用细尖手写笔。典型的电阻式触摸屏手写笔的尖端直径小于1mm，通常由非导电塑料制成。对于投射电容式触摸系统来说，检测如此小的非导电设备一直是一个极其困难的挑战，因为它对触摸控制器产生的信号的影响非常微弱。市场上许多现有的触摸系统都需要大直径的手写笔（3mm到9mm），这很难用于绘图和书写，因为大笔尖遮挡了正在创建的数字墨水。

高SNR触摸控制器可以检测到尖端为1mm的手写笔，只要手写笔涂有导电材料（相对较小的牺牲）。图4显示了触摸控制器SNR对检测尖端为2mm的导电手写笔的影响。低SNR控制器很难识别背景嘈杂的小手写笔，尤其是在屏幕最嘈杂的部分。在低SNR情况下，将手写笔减少到尖端1mm将导致所需信号被隐藏在背景噪声中，从而使手写笔无用。

图4.在 4 英寸显示屏上 2mm 导电手写笔的这些电容曲线中，左侧的配置文件反映了高 SNR 触摸控制器的使用;右边的那个，一个低信噪比触摸控制器。手写笔位于绿色圆锥体的顶点;白色表面的高度表示整个显示器的背景噪声级别。SNR的大幅增加可有效降低背景噪声的峰峰值幅度，如左图所示。如果将右侧配置文件中的手写笔移动到屏幕的左边缘，则信号将在噪音中消失，手写笔将停止工作。

悬停检测：接近检测正逐渐被触摸屏应用采用。例如，通过使用电子阅读器应用程序时提高触摸系统的灵敏度，用户可以通过手势翻页，而无需物理触摸屏幕。但是，灵敏度更高的触摸系统也可能由周围噪声触发。对于设计师来说，寻找最佳平衡，在不引起意外激活的情况下最大化接近距离是一场持续的斗争。三菱电机公司在这一领域做了一些有趣的研究，因为该公司创建了一个触摸系统，可以根据触摸手指是悬停还是实际触摸来自动调整其灵敏度[2]。

手套操作：在医疗应用中，触摸屏应适合戴手术手套使用。同样，汽车中的触摸屏GPS设备应适合戴手套使用。大多数冬季手套由介电材料制成，这使得触摸传感器难以检测到触摸。当用户未戴手套时，增加触摸控制器的灵敏度可能会导致意外触发。目前市场上唯一的解决方案要求应用程序（或用户）根据使用情况选择不同的灵敏度级别。

结论

高SNR投射电容式触摸控制器具有许多优势。它可以适应广泛的设计和应用要求，例如手写笔、小手指和手套。它可以提高报告的触摸位置的准确性，而无需特殊的ITO传感器图案或添加更多传感器通道。它可以适应各种具有各种背光的显示类型，同时保持良好的触摸性能。它在传感器设计和制造要求方面提供了更大的灵活性。它可以在嘈杂的环境中实现触摸系统操作，并且还能够减轻设备本身发出的噪声，例如LCD显示屏，WiFi天线，GPS天线和AC适配器发出的噪声。它使设备 OEM 能够自由地从更广泛的组件中进行选择。最后，从性能的角度来看，它提供了精确的触摸精度。总之，高SNR触摸控制器可为最终用户提供强大的体验。

审核编辑：郭婷