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触摸屏设计日益简化

作者:时间:2014-01-14来源:网络收藏
  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,所以可靠性相当好。

  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,以及视觉清晰度和可靠性要求。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、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。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,可看出其大幅扩展到尽量清晰。这种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,其最早见于上世纪80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250mm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。

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