爱华网电容式触控技术的定义
电容式触控技术主要是应用人力的电流感应技术进行工作.当手指触摸到金属层上时,人体电场、用户和触控屏表面形成一个耦合电容,对于高频电流来说,电容是直接导体,于是手指从接触点吸走一个很小的电流,这个电流从触控屏四角上的电极中流出,经过四个电极的电流与手指到四角的距离成正比,控制器通过对这四个电流比例的精确计算,得出触摸点的位置信息.
电容式触控技术的工作原理
电容式触控面板的应用需由触控面板(Touch Panel)、控制器(Touch CONtroller)及软件驱动程序(Utility)等3部分分别说明.
触控面板
一般电容式触控面板是在透明玻璃表面镀上一层氧化锑锡薄膜(ATO Layer)及保护膜(Hard Coat Layer)而与液晶银幕(LCD Monitor)间则需作防电子讯号干扰处理(Shielded Layer).下图为电容式触控面板的侧面结构.
人与触控面板没有接触时,各种电极(Electrode)是同电位的,触控面板没有上没有电流(ELECTRIC Current)通过.当与触控面板接触时,人体内的静电流入地面而产生微弱电流通过.检测电极依电流值变化,可以算出接触的位置.玻璃表面上氧化锑锡薄膜(ATO)层有电阻系数,为了得到一样电场所以在其外围安装电极,电流从四边或者四个角输入.
从4条边上输入时,等电场是通过4角周围的电阻小于4条边上的阻抗分配方式所得到的.对实际应用而言,有在透明导电膜(ATO Layer)上安装一组电阻基版类型;也有对透明导电膜(ATO Layer)作蚀刻所行成的类型.从4角输入时,一般通过印刷额缘电阻与透明导电膜(ATO Layer)组合得到等电场.
从4条边上输入时,根据上下、左右电流比计算就可以得出,检测方法较为简单.从4条角输入时,检测方法要得出与4条边的距离比,位置计算也较为复杂.举例来说,假设触控面板位置中心为0,X轴与Y轴位置可以下面方程式计算出:
X轴:L1+L4-L2-L3/L1+L2+L3+L4
Y轴:L3+L4-L1-L2/L1+L2+L3+L4
控制器
控制器(Touch Controller)也是电容式触控面板应用上不可或缺的一员,由于不平衡的透明导电膜(ATO Layer)厚度会造成工作位置精度的偏差,且触控面板做的愈大此情形愈加明显.因此为了得到正确位置精度,需藉由控制器作线性分析及补偿.
控制器经由多点(多为25点)线性补偿功能(Multi-point Linearity Compensation Function),将补偿数据(Compensation Data)纪录于EEPROM中,以对通过不平衡的透明导电膜而引起的偏差进行补偿.通常此对策能将线性偏差(Accuracy Tolerance)控制在1%以下.
但上述情形是建立在理想状况下,实际操作时,「漂移现象」(Drift Phenomenon)一直是电容式触控面板应用亟待克服的问题,由于流经电容式触控面板讯号是非常微弱的,且直接受温度、湿度、手指湿润程度、人体体重、地面干扰与线路寄生电容所影响,而多点线性补偿功能只能解决局部区域线性问题,无法解决整体的漂移现象.
软件驱动程序
软件驱动程序(Utility)对于不同作业平台支持的能力通常反映在一家公司的竞争力及市占率上,一般软件驱动程序所支持的作业平台:
微软Windows OS:95, 98, Me, 2000, NT4, XP and Tablet PC Edtion
微软Windows CE:2.12, 3.0, CE.net and 5.0
Linux:RedHat 9.0, Mandrake 9.2, SuSE 10.0, Yellow Dog 3.x and Fedora Core 4
Dos及iMac 9.0 and 10.X版本
另外对于操作使用者来说,软件驱动程序所支持的功能也是选购时的考虑.一般多同时支持RS232及USB的通讯接口,2048×2048的屏幕分辨率(Resolution),4点校正(4 Point Calibration)、25点线性补偿功能,微软Windows作业平台下支持多国语系,屏幕旋转(Monitor Rotation)及多重屏幕(Multi-monitor Supported)等功能.
电容式触控技术优点
与电阻式触控屏和电磁式感应板相比,电容式触控屏表现出了更加良好的性能.由于轻触就能感应, 使用方便.而且手指与触控屏的接触几乎没有磨损,性能稳定,经机械测试使用寿命长达30年.另外,电容式触控屏原理整个产品主要由一块只有一个高集成度芯片的PCB组成,元件少,产品一致性好、成品率高. 电容式触控技术缺点
代表流行风向标的iPhONe上使用电容式触控屏无疑进一步印证了其拥有的各项优势.然而,瑕不掩瑜,电容电容式触控屏原理式触控屏也面临着以下一些挑战:由于人体成为线路的一部分,因而漂移现象比较严重;电容式感应输入技术在中小尺寸平板显示器上输入或控制点状目标(如点击软键盘上的电话号码或输入中英文字)时的性能有待改进;温度和湿度剧烈变化时性能不够稳定,需经常校准;不适用于金属机柜;当外界有电感和磁感的时候,可能会使触控屏失灵.
电容式触控技术在家电产品中的应用
近来在便携式媒体播放器、笔记型计算机、手机市场中陆续出现的各项令人感到兴奋的电容式感测技术之应用,让人几乎忘了这类界面技术早已广泛地应用于家电用品的设计中许多年了.感测算法与控制电路两方面的重大进展,让这项技术适用于更多的应用领域.设计人员看到了电容式感测技术的价值所在-不仅可取代机械式按键与膜片开关;并可适用于各项新颖的应用,如:触控式屏幕与近距传感器等.
感测电容
电容式传感器是由导体片、接地面、与控制器所构成.在多数的应用中,导体片会用一片铜制电路板,而接地则用灌注填充.这两者之间存在有原生(寄生)电容(CP).当其它如手指头等导电物体接近传感器时,随着该物体的电容值(CF)增加,系统的电容值也随之增加.(如图
1)
要侦测由CF造成电容值增加的方法有好几个.场域效应(Field Effect)量测方法中,在感测电容器与系统参考电容器之间使用交流电分压器.藉由监测电流在分压器上的改变可以感测到手指触碰时所产生的电容值变化.电荷转移(Charge Transfer)则使用切换式电容器电路以及参考总线电容值,重复进行从较小的传感器电容器至较大总线电容器之间的电荷转移步骤.总线电容器上的电压值与传感器电容值两者之间存在着比例关系,因此在固定次数的步骤后量测电压值,或藉由计算达到某一电压临界值所需的步骤次数,来决定该电容值.另外,弛张振荡器(relaxation oscillator)则是用量测充电时间的方法,其中充电速率通常是由固定电流源的值和传感器电容值所决定的.较大的传感器电容器需要较长的充电时间,这部份通常能运用脉冲宽度调变器(PWM)与定时器来进行量测.至于连续近似法(Successive Approximation)也是量测电容充电时间的方法,不同的是当中的起始电压是由连续近似法所决定的.
以PSoC 组件执行的连续近似法(Cypress 申请之专利)采用一组电容对电压的转换器以及单斜率模拟数字转换器(ADC).其电容值量测方式是先藉由将电容值转换至电压值,接着将该电压值储存于电容器内,然后再利用可调式电流源来量测所储存之电压值.其中电容值对电压值转换器乃是利用切换式电容器技术,此电路系统让传感器电容器可依其电容值反映出对应的电压值.切换式电容器所用的频率则是由PSoC 本身内部的振荡器所产生.
传感器电容器连接到模拟多任务总线上,并利用同样连接总线的可编程电流输出数字模拟转换器(iDAC)进行充电.每个总线上充电电量为q=CV.当SW2 为开路且SW1 为闭路时,跨CX两端的电位势为零,且会减低总线上的电量,所减低的值与传感器的电容值成比例.这种充放电的动作会一直重复,此时传感器电容器也会成为总线上的电流负载.(如图
2)
藉由切换式电容器的电路运作,iDAC 就会以二元搜寻法的方式决定出总线上恒定的电压值有多少.该电压值会影响切换式电容器的切换频率、传感器电容值、以及iDAC 的电流值.总线其实也等同于一个旁路电容器(bypass capacitor),可以稳定最终电压.在总线上也可以增加额外的电容器,以调整电路的行为与时序.
计算所得的iDAC 值接着再度用来对总线充电,并且测量总线从初始电压到比较器的临界电压所需的充电时间.初始电压是在没有手指触碰的情形下,因此充电时间可事先测定.当手指触碰传感器时会增加CX 的值,并且降低初始电压,因此会延长充电时间量测.(如上公式及图3)
建构传感器
电容传感器有多种型态与功能,可以采用各式各样的媒介,实作样式从简单到复杂都有.而决定传感器建构与建置细节的还是应用本身的需求.最常见的传感器样式要属按键与滑杆.按键其实就是连接至控制器的大型导体片,其中所测得的电容值会与一连串的临界值作比较,而测定结果也能藉由数字输出获得,或用其它模拟特性,以进一步感测触
动的压力或手指面积.至于滑杆则是许多导体片以直线或放射状排列所构成的.利用计算质心的算法就可以测定出接触的位置,而且分辨率远大于感测所用的针脚数.像按键或滑杆这类简单的电容感测器,绝大多数都会采用铜片沉积至印刷电路板.然而也能使用其它基板材质与沈积媒介物制作电路,例如高导电性的银墨(silver ink).(如图4)
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