浅析互电容式触摸屏技术

中心议题：
    *  投射电容屏触摸检测原理
    *  FocalTech互电容解决方案
解决方案：
    *  采用跳频技术
    *  屏蔽设计
    *  开发环境自适应算法
    *  快速坐标计算方案

自从计算机问世以来，人们就一直在思考如何以更有效的方式实现人与计算机的对话，也即所谓的人机交互技术。容式触摸技术，特别是互电容技术由于具有直接、高效、准确、流畅、时尚等特点，极大程度提高了人和计算机对话的效率和便利性，未来必将替代鼠标和键盘，成为未来消费的主流。

投射电容屏触摸检测原理

投射电容屏可分为自电容屏和互电容屏两种类型。在玻璃表面用ITO(一种透明的导电材料)制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是通常所说的自电容，也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加。

在触摸检测时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式，相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向，然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标，最后组合成触摸点的坐标。

如果是单点触摸，则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的；如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，则在X和Y方向分别有两个投影，则组合出4个坐标。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的”鬼点”。因此，自电容屏无法实现真正的多点触摸。

互电容屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极，它与自电容屏的区别在于，两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。

图1、 自电容鬼影的产生机理

FocalTech互电容解决方案

敦泰科技(FocalTech)是较早开始互电容式触摸屏技术研究和开发的公司之一，在互电容领域拥有数十项国内国际专利，包括互电容式触摸屏体的设计，互电容式触摸检测电路、触摸检测算法、环境自适应算法等技术。利用FocalTech自有专利技术，可以大幅提升互电容触摸屏的以下性能：

1) 抗电磁干扰能力

抗电磁干扰是容式触摸屏系统性能最关键的因素。从2007年起，即有公司开始提供自电容方案的电容式触摸屏技术，但由于抗电磁干扰设计较差，经常发生来电时无法接电话，或者通话结束时无法挂电话的情况。再加上环境变化时触摸屏失效频繁，造成了多个电容式触摸屏手机项目失败，甚至间接引起一些方案公司的倒闭。Focaltech借鉴了现代无线通信领域的跳频技术，同时提高了TX的发送功率，在提高系统信噪比的同时有效抑制了电磁干扰。
 

2) 信噪比(SNR)

SNR定义为指接收到的信号功率和噪声功率的比值。SNR是触摸屏系统性能另一个关键因素，其高低直接决定了触摸的精度、线性度和分辨率等性能好坏。FocalTech主要通过三个途径提高SNR。首先是提高信号发送功率。提高了信号发送信号功率，相应的就提高了接收到信号的功率，从而增加了SNR。其次，降低噪声也是一个有效的方法。FocalTech提供触摸屏设计方案，这些方案都做了非常好的屏蔽设计，例如在触摸屏底部靠LCD一侧增加地平面，在屏体四周增加地线隔离等。这些措施可有效降低噪声的功率。还有一个办法就是提高触摸引起的电容变化量。触摸电容变化量，正比于信号功率。即触摸变化量越大，则检测到的信号功率越大。FTS独有的触摸屏专利技术，能大大提高触摸引起的电容变化率，通常能达到30%以上，远远高于iPhone所采用的触摸屏仅为18%的变化量。

3) 环境适应性

自动适应环境变化，对触摸屏系统亦十分重要。触摸屏直接暴露在空气中，空气的温度、湿度都会影响触摸屏体的电容大小。而触摸屏表面的水滴，则有可能直接造成误触摸。一个良好的设计，必须能在非常大范围能适应环境温度湿度的变化，并且在有少量水的条件下，能正常进行触摸。FocalTech专门开发了环境自适应算法，并配合相应的触摸屏体设计，已经完全解决了环境变化对触摸屏影响问题。

4) 功耗

对于便携式设备而言，功耗也非常关键。而互电容技术采用了二维检测而不是自电容的一维检测，大大增加了检测电路的功耗和后期处理数据的功耗。通常而言，相同规格的触摸屏，互电容技术功耗为自电容技术的2~3倍。因此，降低功耗变得十分关键。FocalTech同时采用了多项技术来降低功耗。在IC设计时，把功耗列为约束第一位，如采用低功耗结构、低功耗工艺、增加硬件加速器等。在坐标计算中，FocalTech开发出了快速坐标计算方案，可简化计算量，大大降低了数据后期处理的时间和功耗。此外，还设计了多个功耗模式，系统可以灵活使用这些模式，降低整体使用功耗。根据实测，FocalTech的方案功耗仅为同类方案功耗的一半左右。

图2、 FocalTech触控芯片基本架构

技术和市场发展趋势

随着研究的深入，互电容技术不断成熟，其基本功能、基本架构都已经确定，将来的发展主要集中在细部优化，比如进一步提高信噪比、改善触摸精度（特别是边沿的精度）、降低功耗、增加适应环境变化的能力、提高扫描速度、多点ID识别、多点应用开发，减少悬空触摸影响等。

目前互电容式触摸屏在欧美市场已经成为主流，出货量不断攀升，这也极大促进电容式触摸屏产业链的完善。随着产业链的逐步完善，众多供应商的加入，新材料、新技术和新工艺的应用，也带来各项成本的下降，从而降低整体模组的价格。一些电容触摸屏模组大厂预测，在2011年，完成电极刻蚀的ITO玻璃的价格将降到0.3~0.5美元/英寸，不到现在价格的一半；目前，深圳一些小厂的出货价已经非常接近这个区间。我们预计，电容式触摸屏将来会有明显的降价，在2011年，3.5’’的模组的价格可降到5~6美元；而一些低端产品，更有可能达到4美元左右，甚至更低。届时，电容屏将大幅挤占目前电阻屏的市场，无论品牌机或是山寨机市场，电容屏都将成为主流。