触摸屏设计日益简化
背景介绍
现今社会上很多人都频繁地接触到触摸屏。这种装置最常见于PDA和手机等手持设备和售票终端系统等应用，其中大部分都基于电阻性技术。电阻性技术采用一个柔性外层，其压触固定内层时，会产生电信号，然后转换为X-Y坐标位置。此外，还有其它两种常用技术：表面声波(SAW)和电容感测技术，不过，一直以来，由于成本和构建的限制，这两种技术都仅用在公用信息服务应用(Kiosk applications)中。
电阻性触摸屏非常容易受到损伤，因为其表层是由薄薄的柔性塑料构成的，本身就很容易会被利物刮损。至于SAW触摸屏，由于它需要在边角以特殊的机械安装方法安装声换能器，因此不适合于移动应用。而且，SAW的成本也十分高，但因为无需透明的有源电极，故稳健性相当好。
电容性触摸屏在显示区域采用了一层周边电气连接的导电薄膜。Kiosk类的显示屏是在玻璃表面涂上一层导电物质，而较新的“投射式电容”触摸屏则是在玻璃背面使用一组结构更复杂的涂层，大多数情况下会有三层，两层分别用于沿X和Y轴的感测；另一层是用于屏蔽LCD模块本身产生的噪声。只有投射式电容感测和SAW能够同时检测出多个手指触点。
从技术和经济两个层面上来看，上述的方法各有优劣，而应该全面根据应用的需求来正确选择，其中主要的决定因素是预算、显示屏尺寸、机械考虑事项、电气噪声问题，以及视觉清晰度和稳健性要求。近来，能否同时检测多个触点的能力越来越受到关注，现在已成为许多便携式应用发展的主要驱动力。
当前，增长最快、最令人瞩目的技术当属投射式电容触摸屏。然而，这种技术的供货商极少，相关专利却又相当多，包括多触点算法、感测层图案和手势提取方法等方面的专利，为市场新进者造成了巨大障碍。所以本文的主题正是要讨论投射式电容感测的技术。
制备原理
图1a所示为一个投射式电容触摸屏元素的横截面，可看出其感测层大幅扩展到尽量清晰。这种感测层一般是由一种透明的导电材料制备的，比如真空淀积的铟锡氧化物(Indium-Tin-Oxide, ITO)，见黑色部分。在最终装配之前，利用光刻或丝网印刷工艺(类似于PCB的蚀刻方法)，ITO层便会在塑料薄膜(通常是PET薄膜)衬底上蚀刻形成电极图案。图中没有显示出屏幕四边连接ITO模块然后往下延伸到电气连接器的银墨连线。这些ITO层通过一种透明的粘胶彼此融合在一起，形成触摸屏镜片；粘胶一般为一层薄片，整个层式结构利用层压工艺融为一体。
要注意的是，这里有两个感测层和一个屏蔽层，后者是最低层，正好在LCD模块(图中未显示)之上。屏蔽层用来屏蔽LCD模块产生的噪声，这种噪声相当大，会对与ITO电极有关的较弱电气信号造成干扰。
图1b所示为ITO电极设计的一种常见图案，其最早见于1980年代初。这种菱形图案需要两个感测层，分别针对X和Y轴向，以确定触点位置。菱形图案可对暴露在手指触摸区域下的电极表面进行优化，同时把X和Y方向电极轨迹的交叉面积降至最小。这些电极的密度越高，触摸的空间分辨率也越高。在多触点技术中这可是一个关键因素，尤其是在需要两根手指极为靠近地操作时。三层ITO叠层结构的压层厚度一般为250um左右。
虽然这种菱形图案的效果不错，可以获得很好的空间分辨率，但另一方面，信号处理和电极图案领域取得的先进成果，能够让设计在同一层上结合X和Y电极，而且大多数情况下更无需屏蔽层。这种能力对光学特性(每一层都会吸收和散射部分光)和更重要的成本和生产良率都有着重大的影响。
图1c所示为单层结构的横截面示意图。这种结构较薄，在对叠层结构以微米计的移动设备厂商中大获好评。
图1d所示是一个采用1层设计中的典型图案。这种设计没有在透明显示区域使用交叉结构，而是在四周使用。令人难以想象的是，这种特殊设计有4个列线 (column)，而且行线(row)数可以不受限制。这些列线是通过把相似位置的三角形连接在一根轴上，并把它们连接为一个感测通道而形成。三角形图案的采用，可以通过由一种特殊数学算法决定的内插过程(interpolative process)，使垂直于列线的感测转换顺利进行。这种方法中运用的内插法降低了对列数的需求。同时，采用了非常先进的信号处理技术，大大减小了LCD产生的噪声，从而无需屏蔽层。
采用不同的布线方法，设计中可以包含多达7个列线，足以应对几乎所有可预见应用的要求，包括那些带基本多触点能力的应用。而这些图案是由爱特梅尔开发并申请专利。
类似的结构也可以淀积在玻璃和塑料薄膜上(图2)。从技术上来说，玻璃是一种比塑料更好的衬底材料，因为它的光学特性比塑料好，透明度更高，光散射更小。不过，如何把玻璃层粘接在刚性面板上是一大生产挑战，因为很难消除层压工艺中的空气。
现在有一些更先进的设计是直接在纯平触摸屏上涂敷感测层，完全无需载体层 (图3)。利用这种方法可以把整个面板做得更薄，当然也进一步改进了光学特性。每减少一层，就降低了一部分成本和测试时间，从而提高解决方案的经济效益，更有利于大批量生产。所以单层电极结构非常适合于这类构建。
材料叠层的厚度当然取决于层数。一个典型的三层结构(X、Y、屏蔽层)可能厚达450um，而在玻璃上的单层结构(图3)厚度可能仅25um。当然，叠层厚度对小型便携式设备而言至关重要，每加一层便会增大模糊度，降低透光度。此外，高层数解决方案还有一个缺点，即是功耗增加，因为LCD背光不得提高亮度以补偿光吸收的增加。
在所有情况下，ITO电极都需要经由出线端(tail)连接，插入到包含感测芯片的PCB中。但有些情况下，芯片可以直接安装在出线端上。连接线迹通常由丝网印刷银墨形成，而有些情况则是由溅射和蚀刻金属构成，以减小厚度。由于触摸屏周边的空间限制，故这些线迹可能非常难于设计。
触摸屏使用的感测电路和方法完全取决于技术供应商，英国量研科技公司在1990年末开发的专利技术――电荷转移感测――就是稳健技术的一个典型实例。电荷转移感测技术可以实现超低阻抗的感测，有助于减小外部噪声的影响，它有两种类型：1)单端模式(single-ended mode)；2)横穿模式(transverse mode)。其中横穿模式的性能最高，因为它能够轻易识别同一个触摸屏元素上多个触点的绝对位置，而单端模式却具有难以避免的含糊性。
这种感测电路还整合了一个微控制器，其接收原始信号数据并进行处理，输出一个X-Y位置信号(在多触点触摸屏的情况下，可为多个输出)。这种用来减少数据的算法是基于数学内插方法的。一般而言，一个投射式电容解决方案能够达到10位x 10位(1024x1024)的分辨率，足以满足大多数应用的需求。
如果需要手势和笔迹识别，还可包含其它的一些算法。
结论
触摸屏已成为电子控制表面的一种主流设计趋势。在全球触摸屏市场，虽然投射式电容感测技术仍只占极小部分，但它正以加速方式逐渐获得采纳。这种最为人所期待的技术将只包含一个透明感测层，并采用非常稳健可靠的感测电路和算法来提高可靠性并降低成本。投射式电容感测技术很可能取代电阻性技术成为下一代主流技术。