在蘋(píng)果（Apple）iPhone及相關(guān)產(chǎn)品中，其概念是首先建構(gòu)用戶(hù)接口——電容式觸控屏幕，然后利用基本的硬件和出色的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)能力并提供應(yīng)用支持。通過(guò)這種途徑，用戶(hù)便能夠以新穎直觀(guān)的方式與產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)。

　　電阻式觸控屏幕在消費(fèi)者設(shè)備中廣被采用，主要是提供基本的觸控按鍵切換功能或其它簡(jiǎn)單的虛擬用戶(hù)接口元素（如滾動(dòng)條控制）。這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種情景式用戶(hù)接口方案，有助于縮小設(shè)備單元的尺寸和外部復(fù)雜性，并提供新的工業(yè)設(shè)計(jì)選擇。不過(guò)，電阻式觸控屏幕的光學(xué)性能較差，又存在可靠性問(wèn)題，支持手勢(shì)輸入的能力相當(dāng)有限，而且解釋兩個(gè)或更多個(gè)同時(shí)觸控點(diǎn)的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸控屏幕的使用，致使其迅速讓位于電容式觸控屏幕。

　　過(guò)去幾年間，電容式觸控屏幕技術(shù)已迅速發(fā)展成熟，它結(jié)合了在低成本硬件上運(yùn)行的先進(jìn)算法和精細(xì)的材料技術(shù)，創(chuàng)建出高度可靠且穩(wěn)健的用戶(hù)接口。

　　但早期的電容式觸控屏幕技術(shù)，以至目前市面上較低檔產(chǎn)品的分辨率都很低，又存在液晶顯示器（LCD）或其它噪聲源的系統(tǒng)層面干擾問(wèn)題，導(dǎo)致性能?chē)?yán)重降低。

　　投射電容式觸控屏幕可以在目標(biāo)（如手指）接近或接觸到屏幕表面時(shí)檢測(cè)到電容的細(xì)小變化。當(dāng)一根手指或多根手指接觸屏幕時(shí)，有多種方法對(duì)觸控屏幕表面的電容變化進(jìn)行測(cè)量和解釋。電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)（Capacitive to Digital Conversion， CDC）與用于電荷收集的電極結(jié)構(gòu)的空間排列（通常是顯示屏幕表面的一層透明的感測(cè)薄膜），兩者都對(duì)所達(dá)到的整體性能和簡(jiǎn)易設(shè)置能力有著重大的影響。

　　提升電容觸控可靠性 CDC/電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)缺一不可

　　對(duì)于投射電容式觸控屏幕的電容變化，有兩種基本的排列和測(cè)量方法：自電容和互電容?；ル娙轀y(cè)量法具有按正交矩陣排列的發(fā)射和接收電極，這是電容式觸控屏幕可靠地報(bào)告和跟蹤多個(gè)并發(fā)觸控點(diǎn)的唯一方式。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可假設(shè)該技術(shù)由許多較小的觸控屏幕組成，這些小觸控屏幕又是通過(guò)電極結(jié)構(gòu)的幾何排列而形成，整個(gè)裝置被視為一個(gè)完整的觸控屏幕表面。只要能夠識(shí)別每個(gè)“小”觸控屏幕內(nèi)的多個(gè)觸控點(diǎn)，便可以實(shí)現(xiàn)此一功能。由于可獨(dú)立測(cè)得矩陣中每個(gè)點(diǎn)的電容耦合，故完全能夠確定多個(gè)觸控點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

　　以自電容為基礎(chǔ)的觸控屏幕卻與之相反。自電容式方案是對(duì)整行或整列的電容變化進(jìn)行測(cè)量（與互電容式方案中測(cè)量一行和一列的交叉點(diǎn)截然不同）。若用戶(hù)壓觸兩個(gè)地方，這種方法會(huì)導(dǎo)致位置不明確。雖然利用軟件有可能對(duì)觸碰位置進(jìn)行某種程度的重建，但總是存在一定的模糊性，因而被解釋的觸控點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生“鬼點(diǎn)”位置，繼而導(dǎo)致無(wú)意的行為被報(bào)告給系統(tǒng)主機(jī)。該方案還存在一種有害的副作用，即當(dāng)兩個(gè)觸控點(diǎn)共享同一行或同一列電極時(shí)，報(bào)告的坐標(biāo)往往“固定到有關(guān)電極，形成嚴(yán)重的非線(xiàn)性現(xiàn)象。在實(shí)踐中，自電容式只用于單觸控點(diǎn)或極有限的雙觸控點(diǎn)應(yīng)用。

　　在以互電容為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，每個(gè)觸控點(diǎn)都由一對(duì)（x，y）坐標(biāo)來(lái)表示；而在自電容式系統(tǒng)中，觸控點(diǎn)x和y坐標(biāo)的檢測(cè)是彼此獨(dú)立的。在互電容式系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)兩個(gè)觸控點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果由（x1，y3）和（x2，y0）表示，但在自電容式系統(tǒng)中，是由（x1，x2，y0，y3）表示。因此在自電容式系統(tǒng)是無(wú)法確定（x1，y0）、（x2，y0）、（x1，y3）和（x2，y3）這些觸控點(diǎn)中哪一個(gè)是正確的。

　　CDC測(cè)量的基礎(chǔ)方法也對(duì)電容式觸控屏幕的工作方式造成重要的影響。有多種技術(shù)可用于信號(hào)擷取，例如弛張式振蕩器（Relaxation Oscillator）、CSA、Sigma Delta轉(zhuǎn)換器等，并各有其優(yōu)勢(shì)和缺陷。從互電容式測(cè)量的角度來(lái)看，它們都有一個(gè)嚴(yán)重限制效用的主要缺點(diǎn)：在測(cè)量周期中，矩陣?yán)镄酒突ヂ?lián)之間的配線(xiàn)仍然對(duì)觸碰（熱點(diǎn)）很敏感。因?yàn)閭鞲衅鞯倪吘壟渚€(xiàn)會(huì)影響計(jì)算位置的信號(hào)，這種情形將導(dǎo)致測(cè)量中的位置錯(cuò)誤，對(duì)測(cè)量極為不利。此外，它還會(huì)使從傳感器到驅(qū)動(dòng)器芯片的布線(xiàn)連接幾乎只限于幾厘米之內(nèi)。上述問(wèn)題中有些可以通過(guò)小心設(shè)計(jì)得到部分解決，但這也同時(shí)會(huì)對(duì)整體性能構(gòu)成嚴(yán)重影響。

　　以愛(ài)特梅爾（Atmel）的maXTouch為例，即采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)來(lái)進(jìn)行CDC測(cè)量，能夠在電荷擷取過(guò)程中有效地保持接收線(xiàn)路零電勢(shì)，因此只須在主要傳感器區(qū)域中目標(biāo)點(diǎn)上的發(fā)射電極X和接收電極Y之間轉(zhuǎn)移電荷。此外，還可把觸控屏幕附近乃至觸控屏幕表面上的局部濕氣或其它潛在導(dǎo)電材料的影響降至最低。

　　總括來(lái)說(shuō)，以電極數(shù)組中互電容式測(cè)量為基礎(chǔ)的觸控屏幕解決方案不足以實(shí)現(xiàn)可靠的解決方案，而必須結(jié)合采用了電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的穩(wěn)健CDC，才是迄今最好的選擇。

　　電極正交網(wǎng)絡(luò)為傳感器設(shè)計(jì)關(guān)鍵

　　觸控屏幕中的傳感器由透明基板材料（一般是PET或玻璃）上的一層或多層圖樣化透明導(dǎo)體構(gòu)成，傳感器位于顯示板之上。為了建構(gòu)能夠通過(guò)玻璃或塑料前面板識(shí)別一個(gè)或多個(gè)手指觸碰的傳感器，必須精心設(shè)計(jì)電極正交網(wǎng)絡(luò)。

　　圖樣化導(dǎo)體（電極）一般是由名為氧化銦錫（Indium Tin Oxide， ITO）的高度透明材料經(jīng)過(guò)圖樣蝕刻制成。這種材料具有良好的光學(xué)透明度，同時(shí)仍保持較低的奧姆電阻率。低電阻率十分重要，因?yàn)檫@樣一來(lái)，就有可能對(duì)數(shù)以10個(gè)皮法級(jí)（picofarad，10-12法拉）背景電容上出現(xiàn)的數(shù)以10個(gè)毫微微法拉級(jí)（femtofarad，10-15法拉）的微小變化進(jìn)行快速測(cè)量。如業(yè)者所發(fā)表的QMatrix系采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它具有一項(xiàng)基本特性，即可以采用具有良好光學(xué)性質(zhì)的常用ITO來(lái)制作真正的矩陣傳感器，這里對(duì)觸碰敏感的唯一區(qū)域是行、列電極互相耦合的緊鄰地帶。

　　這種局部耦合意味著行、列電極的所有其它區(qū)域大部分都是對(duì)觸碰不靈敏的。沒(méi)有這種特性，就不可能實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)觸控觸控屏幕，而只可能通過(guò)折衷妥協(xié)來(lái)滿(mǎn)足部分要求。其它CDC技術(shù)都試圖仿效真正的矩陣，不過(guò)這需要限制性更強(qiáng)的ITO材料：其必須有更低的電阻率和更出色的光學(xué)特性。這種更低的電阻率可降低行、列交叉點(diǎn)上的電壓降，減低其固有觸碰靈敏度。不過(guò)，由于沒(méi)有采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它們?nèi)匀粚?duì)觸碰具有一定的靈敏性，但這也存在一種折衷妥協(xié)，就是較差的多點(diǎn)觸控性能，并在傳感器邊緣附近產(chǎn)生明顯不良影響。

　　PET是最常用的兩種基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具優(yōu)勢(shì)，但一般需要兩個(gè)分離層來(lái)實(shí)現(xiàn)正交網(wǎng)格。另一方面，玻璃雖然貴一點(diǎn)，卻允許單層設(shè)計(jì)，可采用微型交叉結(jié)構(gòu)來(lái)橋接共平面兩層結(jié)構(gòu)中的圖樣交叉點(diǎn)。玻璃傳感器的機(jī)械穩(wěn)定性也比PET好得多，因此適合于沉積非常薄的金屬線(xiàn)，其寬度僅為數(shù)十微米。

　　PET技術(shù)雖然在這方面進(jìn)步迅速，但一般仍使用數(shù)百微米寬的絲網(wǎng)印刷跡線(xiàn)。而整體目標(biāo)是盡量減小傳感器邊緣配線(xiàn)尺寸，因?yàn)閷?duì)小型可攜式設(shè)備而言空間彌足珍貴。

　　提高電極密度 實(shí)現(xiàn)電容式觸控筆應(yīng)用

　　傳感器設(shè)計(jì)的下一個(gè)考慮事項(xiàng)是終端應(yīng)用所需的分辨率。利用內(nèi)插法（Interpolation），可以相當(dāng)準(zhǔn)確地確定單觸控點(diǎn)的中心位置所在。不過(guò)，當(dāng)須要分別識(shí)別幾個(gè)相鄰的觸控點(diǎn)時(shí)，就有困難了，這需要很高的電極密度。

　　這種情形下，高電極密度意味著行、列間距應(yīng)該在5毫米左右或更小，這個(gè)要求源于對(duì)大拇指和食指指尖之間的距離進(jìn)行測(cè)量，然后除以2。大量的用戶(hù)接口試驗(yàn)顯示，從10～11毫米的間距是空間分辨率和不斷增加的傳感器復(fù)雜性之間的最佳折衷。對(duì)于單觸控點(diǎn)應(yīng)用，在某些情形下，把間距增加到5毫米以上也是可以接受的，但有強(qiáng)大的論據(jù)顯示，為了實(shí)現(xiàn)真正出色的單觸控點(diǎn)電容式觸控屏幕，在其核心需要完全的多點(diǎn)觸控功能，以跟蹤和拒絕因不小心造成的觸控點(diǎn)。

　　還值得一提的是，傳感器的分辨率與每個(gè)軸向的電極數(shù)目直接相關(guān)，故只要增加更多的行或列，可把間距縮短到5毫米以下，這樣一來(lái)，即便傳感器的制作比較復(fù)雜，也是很有益的。更多的通道，同時(shí)意味著會(huì)出現(xiàn)更高的訊噪比（SNR）。

　　高電極密度還能夠?qū)崿F(xiàn)另一項(xiàng)重要特性——被動(dòng)傳導(dǎo)性觸控筆（Stylus）的使用（圖4）。通過(guò)正確的傳感器設(shè)計(jì)，結(jié)合最佳CDC方法和先進(jìn)的觸碰跟蹤演算法，有可能采用尖端尺寸只有3～5毫米的簡(jiǎn)單被動(dòng)傳導(dǎo)性觸控筆。這種功能讓用戶(hù)使用短指甲也能夠操作電容式觸控用戶(hù)接口，并能提供比普通指尖按觸更精確的定位設(shè)備。如此一來(lái)，擴(kuò)大了使用電容式觸控屏幕作為主要輸入源的設(shè)備的應(yīng)用范圍。

　　觸控芯片與軟件相輔相成

　　良好的ITO傳感器設(shè)計(jì)固然十分重要，而一個(gè)真正的矩陣CDC也可為良好的多點(diǎn)觸控設(shè)備奠定基礎(chǔ)。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)這一切的基礎(chǔ)芯片和軟件技術(shù)，是任何觸控傳感器系統(tǒng)得以成功的關(guān)鍵。

　　與其它設(shè)計(jì)一樣，觸控屏幕驅(qū)動(dòng)器芯片必須具備所有的芯片常規(guī)特性——高整合度、最小占位面積，以及近似于零的功耗和支持廣大范圍的傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)施環(huán)境的靈活性。同時(shí)也須考慮最佳的速度、功耗和靈活性組合，如控制器芯片能否在典型的低系統(tǒng)Vdd電源下工作？更高的Vdd意味著SNR更好，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致功耗升高。另外，電平轉(zhuǎn)換器是否須要連接主機(jī)？通信協(xié)議可否在未來(lái)擴(kuò)展而毋須完全重寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序？也都須認(rèn)真思考。

　　目前已有業(yè)者推出在芯片上整合完整電容式感測(cè)電路的解決方案，毋需外部元件支持電容式感測(cè)，并可盡量降低成本和印刷電路板（PCB）占位面積要求。該方案前端是一個(gè)定制電容式觸控引擎（CTE），完全能夠?qū)鞲衅鞯脑紨?shù)據(jù)進(jìn)行不同的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）工作，因此，只須在觸碰被確認(rèn)和必須執(zhí)行更先進(jìn)的算法時(shí)才喚醒主中央處理器（CPU）。這樣一來(lái)，可確保功耗降至最小，使系統(tǒng)的大部分時(shí)間都能處于超低功耗工作模式下。不僅如此，這類(lèi)元件都包含系統(tǒng)內(nèi)可自行編程閃存，故可提供最大的靈活性。在整個(gè)工作電壓范圍上，均能夠通過(guò)常規(guī)通信端口進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)升級(jí)，毋需額外的接腳或電路。

　　元件的布局靈活性是一項(xiàng)很重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，一個(gè)好的矩陣CDC應(yīng)該不受到ITO連接的觸碰靈敏性（也稱(chēng)為熱點(diǎn)跟蹤）的影響。從靈活性的角度來(lái)看，無(wú)疑是一大優(yōu)勢(shì)。它意味著芯片的位置既可以靠近傳感器，例如像覆晶薄膜（Chip-on-flex）；也可以遠(yuǎn)離傳感器，置于一塊完全獨(dú)立的電路板上。在后一種選擇中，可以采用被動(dòng)軟性材料來(lái)連接ITO和芯片，兩者間距離可達(dá)100毫米或更遠(yuǎn)。

　　建構(gòu)最佳觸控屏幕的另一個(gè)關(guān)鍵因素是響應(yīng)時(shí)間。筆跡識(shí)別需要70～120Hz的XY更新頻率。其它情況，如使用虛擬鍵盤(pán)手指/大拇指同時(shí)鍵入，需要在不到100毫秒的時(shí)間內(nèi)向用戶(hù)提供積極回饋以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確輸入。乍看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但若考慮到各種不同的系統(tǒng)延遲，即意味觸控屏幕必須在15毫秒內(nèi)報(bào)告首個(gè)確定的觸碰位置。除非精心設(shè)計(jì)感測(cè)電路，否則可能導(dǎo)致功耗過(guò)大，從而縮短電池壽命。

　　值得注意的是，對(duì)于最好的CDC方法，ITO連接線(xiàn)路上因軟性連接而產(chǎn)生的寄生電容僅僅產(chǎn)生次要影響。若選擇錯(cuò)誤的CDC方法，芯片會(huì)因測(cè)得無(wú)用的背景寄生電容而削弱能力，影響觸控屏幕上的觸碰效果，從而降低SNR和分辨率。

　　強(qiáng)化兩點(diǎn)以上多點(diǎn)觸控辨識(shí)度

　　至此，并沒(méi)有提及如iPhone所采用兩個(gè)觸控點(diǎn)以上的實(shí)例。消費(fèi)者已經(jīng)熟悉了隨iPhone大為流行的放大和縮小手勢(shì)。不過(guò)，3、4乃至更多的觸控點(diǎn)又能帶來(lái)什么好處？問(wèn)題不僅僅是設(shè)想什么手勢(shì)或應(yīng)用可使用這種功能，還在于控制器芯片如何能夠利用這種豐富的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)更好的解決方案。

　　此類(lèi)運(yùn)用的一個(gè)例子是跟蹤觸控屏幕邊緣附近的多個(gè)觸控點(diǎn)，并將之歸類(lèi)為禁止。這種功能可讓用戶(hù)隨意舒適地手拿小型產(chǎn)品，即使手指和屏幕有少許重疊也不影響觸控屏幕繼續(xù)正常工作。不過(guò)，這里暗藏微妙之處。必須對(duì)這些被禁止的觸控點(diǎn)進(jìn)行跟蹤并使其保持被禁止?fàn)顟B(tài)，即使它們誤入工作區(qū)域。這意味著控制器必須能夠同時(shí)唯一且明確地識(shí)別、歸類(lèi)和跟蹤許多個(gè)觸控點(diǎn)。

　　多點(diǎn)觸控?cái)?shù)據(jù)的另一個(gè)潛在用途是利用結(jié)構(gòu)化方法來(lái)識(shí)別觸控屏幕表面上的形狀。這一功能可帶來(lái)各種可能有用的觸控接口提升。識(shí)別鼻子、臉頰甚至耳朵的基本形狀，可進(jìn)一步避免真實(shí)環(huán)境中可能由不小心產(chǎn)生的觸碰所造成的觸控屏幕錯(cuò)誤。隨著更多的觸控點(diǎn)可被唯一地識(shí)別并報(bào)告給主處理器，設(shè)計(jì)人員將可利用多個(gè)觸控點(diǎn)數(shù)據(jù)，創(chuàng)造出更多創(chuàng)新應(yīng)用。

　　噪聲和系統(tǒng)問(wèn)題

　　如前所述，電容式觸控屏幕控制器可測(cè)量出行、列耦合電容上的極小變化?？刂破鞯臏y(cè)量方法對(duì)于控制器的外部噪聲易感性有著很大影響。

　　觸控屏幕常遇到的噪聲源之一是LCD本身。它在數(shù)微秒的上升/下降時(shí)間內(nèi)測(cè)得的瞬態(tài)電壓常常達(dá)到數(shù)伏特，這是極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。有些不錯(cuò)的方法可以抑制控制器芯片中的這種噪聲，如采用適當(dāng)?shù)腃DC方法，就有可能從源頭上抑制大部分噪聲。第二種方案是在傳感器上增加一個(gè)屏蔽層，把噪聲隔離在電極之外。

　　這種方法可能造成傳感器過(guò)厚、過(guò)于昂貴。第三種也是更好的方法是采用一種新穎的傳感器電極圖樣，帶有兩個(gè)ITO層，并且自我向后屏蔽。這種方法非常有用，因?yàn)槿羟懊姘逡蛴|碰壓力向接地板（比如LCD的前表面）彎曲，它能使傳感器具有抗電容變化的能力。

　　隨著顯示屏技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示屏等設(shè)備噪聲已較先前減小許多，且非常適于采用電容式觸控屏幕技術(shù)，以及單層或雙層傳感器設(shè)計(jì)。LCD技術(shù)也在不斷演進(jìn)，適用性逐漸提高。

　　第二大棘手噪聲源是“不固定的”開(kāi)關(guān)模式電源。當(dāng)置于觸控屏幕設(shè)備附近時(shí)，其常常把相對(duì)于接地的數(shù)百伏特的50/60Hz失真波形電容式耦合到整個(gè)觸控屏幕設(shè)備中。當(dāng)用戶(hù)接觸到設(shè)備時(shí)，傳感器高效率地變?yōu)殡娙菔椒謮浩鞯囊徊糠?，產(chǎn)生大量低頻噪聲，影響測(cè)量結(jié)果。此外，通過(guò)巧妙的芯片設(shè)計(jì)，可以從源頭基本上消除這種影響，并消除芯片上DSP功能帶來(lái)的剩余噪聲。

　　導(dǎo)入先進(jìn)技術(shù) 電容觸控接口更友善

　　總而言之，以?xún)?yōu)異DSP和微處理器為基礎(chǔ)的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高性能的電容式觸控傳感器數(shù)組，當(dāng)用戶(hù)觸碰時(shí)，其能夠產(chǎn)生表面電荷變化的圖像。

　　通過(guò)以合適的CDC和互電容式組合為基礎(chǔ)的傳感器結(jié)構(gòu)和信號(hào)擷取技術(shù)，系統(tǒng)能夠具備抵抗系統(tǒng)干擾和背景加載有害源影響的強(qiáng)大能力。當(dāng)獲得電荷圖像時(shí)，就可采用高效率的微處理器技術(shù)來(lái)處理數(shù)據(jù)，提供多個(gè)觸控點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，或進(jìn)行更高水平的處理，拒絕不小心造成的觸碰，或者解釋觸控屏幕表面上一個(gè)或多個(gè)手指移動(dòng)所代表的手勢(shì)，這些手勢(shì)可用于簡(jiǎn)化許多應(yīng)用中的用戶(hù)接口。

　　完全可編程芯片中的系統(tǒng)內(nèi)建可編程閃存解決方案包含微處理器和DSP功能及廣泛的可擴(kuò)展通信協(xié)議，可為這類(lèi)系統(tǒng)提供最高的靈活性。通過(guò)適當(dāng)而有效地處理數(shù)據(jù)的擷取、處理和報(bào)告，可以在極低的功率預(yù)算中實(shí)現(xiàn)上述所有功能，適用于要求最嚴(yán)苛的電池供電應(yīng)用。