投射电容式触摸集成到设备的设计和应用挑战

作者：Maxim 

本文介绍了将投射电容式触摸集成到设备中时必须面对的许多设计和应用挑战，尤其着重于控制器信噪比​​的重要性。

我们现在生活在一代智能手机中，其中一部手机包含许多功能，有些甚至接近笔记本电脑的功能。众所周知，使用和制造的大多数智能手机都是触摸屏，其中用户通过轻击和轻扫来通过设备进行交互。实际上，甚至笔记本电脑和便携式笔记本电脑都已经具有此功能。

自2007年推出iPhone®以来，投射电容式触摸的收入增长了100倍以上，并且没有丝毫放缓的迹象。本文介绍了将投射电容式触摸集成到设备中时必须面对的许多设计和应用挑战，尤其着重于控制器信噪比​​的重要性。

自2007年推出iPhone®以来，投射电容式触摸屏技术已在越来越多的应用中得到采用。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，尤其是在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控制器还具有许多其他优点，本文将对此进行探讨。

SNR定义为信号（有意义的信息）与背景噪声（不需要的信号）之间的功率比。如果在相同的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。功率值的数字比率（PS / PN）通常太大，以至于最好使用对数分贝（dB）标度来描述。因此，SNR可以表示为：

较高的SNR值表示相对于背景噪声测得的较高的信号强度。

总体触摸性能

从较高的角度来看，有两个主要因素决定总体触摸性能：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，通常用表示图案的形状或构造的名称来指代，例如三角形，菱形，雪花，街道和小巷以及电话杆。例如，“菱形”是菱形（菱形）结构的网格，而“街道和小巷”是相交的行和列的网格，类似于城市布局。根据所需的系统性能和触摸控制器集成电路的体系结构，某些图案使用单层ITO，而其他图案则需要两层或三层。

通常，触摸传感器的图案和层结构（“堆叠”）适合于触摸控制器架构，以最大程度地提高SNR。例如，在具有跨接（短路桥）的单层互电容金刚石图案中，从触摸表面到ITO的X层和Y层的距离都相同。这减少了增益误差，并使行和列的SNR级别相似。但是，此设计可能需要屏蔽层，以防止接收传感器拾取来自下方LCD的噪声。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的成本，从而可以使用更广泛的图案和层结构。如本应用笔记后面将要讨论的那样，像MAX11871这样的高SNR触摸控制器可以提供额外的优势，

控制器架构

竞争的两种主要的投射电容式触摸技术是自电容和互电容。以下是每个内容的简短摘要。

自电容

• 如今仍在使用早期的procap方法
• 通常仅限于一次触摸或两次带有重影的触摸（与目标触摸位置相关的错误触摸）
• 菱形图案最常见
• 降低LCD噪声
• 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
• 在传感器图案设计中提供更大的灵活性，可以帮助最大程度地提高SNR
• 更好的抗噪能力
• 更复杂，成本更高的控制器

许多应用程序仅需要一次或两次触摸，因此自电容解决方案可能会很有吸引力，尤其是在可以控制用户界面中的触摸位置以消除重影的情况下。自电容系统可以实现超过30dB的典型SNR，但通常需要在LCD和传感器的底部触摸层之间设置一个屏蔽层，这会增加成本并降低显示亮度。

可以将其他技术应用于自电容解决方案以进一步提高SNR。这些措施包括（a）增加每个通道的样本数量，（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的背景噪声）的情况下增加信号幅度，以及©以各种频率采样以避免固定频率干扰，例如60Hz（称为“频率抖动”）。但是，这些技术通常还会降低帧速率并增加功耗，而这通常都是不希望的。

通用互电容系统的系统框图。

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中的系统框图说明了通用互电容实现，该实现将激励信号施加到触摸传感器电容器板之一。另一个触摸传感器电容器极板连接到触摸控制器的模拟前端（AFE）。AFE输出将转换为数字形式，并在数字信号处理器（DSP）中进行进一步处理。

设计

挑战在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。以下各段描述了可从高SNR触摸控制器中受益的一些最常见情况。

互电容式触摸传感器的许多不同堆叠之一（未按比例）。

传感器堆叠：在材料考虑，设备厚度目标，性能要求和成本目标的驱动下，当今的触摸行业存在着各种各样的触摸传感器层结构。图2中显示了一个示例。单个和多个基板，“面朝上”和“面朝下”的结构，X和Y传感器层的厚度变化，光学透明粘合剂（OCA）的厚度变化以及其他因素都会影响传感器产生的信号电平。高SNR触摸控制器可以减少这些结构差异的重要性，因为它能够处理更宽的动态范围的触摸传感器信号。这为设计人员提供了更多的层叠设计自由度。

厚保护膜：某些应用（例如银行自动柜员机）可能需要厚保护膜以保护显示屏免受恶意破坏。但是，厚的覆盖透镜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，因为手指距离触摸传感器较远。这“散布”了电容分布并减小了峰值，这使得确定目标触摸的精确位置更加困难。戴手套的手也有类似的效果。

LCD VCOM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。

触摸传感器和保护盖之间的气隙：触摸屏设备最终用户报告的最常见问题之一是保护盖损坏。为了使产品更薄，可以将投射电容式触摸传感器层压到防护镜的背面。然而，当更换破裂的保护盖透镜时，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成本和较低的覆膜良率，设备制造商通常使用薄垫片将触摸传感器和保护盖分开。

应用挑战

触摸精度：触摸精度是触摸传感器设计中的重要规范。例如，在虚拟触摸屏键盘应用程序中，字符被紧密包装在相对较小的区域中。对触摸的精确响应对于避免键入错误的字符至关重要。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。但这也会带来成本损失，因为触摸传感器和触摸控制器上都需要更多的引脚。此外，更多的传感器通道需要更多沿着触摸屏边框的走线，这可能会增加边框宽度。

高信噪比的触摸控制器可提高触摸精度，因为它可以实现更强的触摸信号读取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参考点，可以从这些参考点计算出精确的触摸位置。图3说明了由机械手握住4mm金属块制成的触摸控制器SNRon线图的效果。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。

由机器人手臂握住4mm金属弹头绘制的线图。左侧的图反映了高SNR触摸控制器的使用；右边是一个低信噪比的触摸控制器。

触控笔：电阻式触摸屏用户长期以来习惯使用细尖的触控笔。典型的电阻式触摸屏触控笔的笔尖直径小于1mm，通常由非导电塑料制成。对于投射电容式触摸系统来说，检测这种小型，不导电的设备一直是一个极其困难的挑战，因为它对触摸控制器生成的信号的影响是如此微弱。市场上许多现有的触摸系统都需要大直径的手写笔（3毫米至9毫米），由于大笔尖会遮挡所创建的数字墨水，因此很难用于绘图和书写。

在4英寸显示屏上的2mm导电笔的这些电容曲线中，左侧的曲线反映了高SNR触摸控制器的使用。右边是一个低信噪比的触摸控制器。测针位于绿色圆锥体的顶点；白色表面的高度代表整个显示器的背景噪音水平。SNR的大幅提高有效地降低了

只要手写笔涂有导电材料（相对较小的牺牲），高SNR触摸控制器就可以检测出笔尖直径为1mm的手写笔。图4说明了触摸控制器SNR对带有2 mm尖端的导电笔的检测的影响。低SNR控制器很难识别带有噪点背景的小手写笔，尤其是在屏幕的最噪点部分。在低SNR情况下，将触控笔减小至1mm会导致所需信号被掩盖在背景噪声中，从而使触控笔无用。

悬停检测：接近检测在触摸屏应用中逐渐被采用。例如，通过在使用电子阅读器应用程序时提高触摸系统的灵敏度，用户可以在不物理触摸屏幕的情况下用手势翻转页面。但是，周围环境也会触发灵敏度提高的触摸系统。设计人员一直在努力寻找能够最大化接近距离而又不会引起意外激活的最佳平衡。三菱电机公司在这一领域进行了一些有趣的研究，因为该公司创建了一种触摸系统，该系统可以根据触摸的手指悬停还是实际触摸来自动调整其灵敏度。

手套操作：在医疗应用中，触摸屏应适合与外科手术手套一起使用。同样，汽车中的触摸屏GPS设备应适合戴手套的手使用。大多数冬季手套由绝缘材料制成，这会使触摸传感器难以检测到触摸。当用户不戴手套时，增加触摸控制器的灵敏度可能会导致意外触发。当前，市场上唯一的解决方案要求应用程序（或用户）根据用途选择不同的灵敏度级别。

结论

高SNR投射电容式触摸控制器带来许多好处。它可以适应多种设计和应用需求，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。它可以容纳各种显示类型以及各种背光，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，还具有减轻设备本身发出的噪声的能力，例如LCD显示器，WiFi天线，GPS天线和AC适配器发出的噪声。它使设备OEM可以自由选择更大范围的组件。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带来强大的体验。