一“触”即发-《触控IC的神奇魔法》-《芯苑》

点点点、滑滑滑!每天我们这些低头族都在机械的刷屏微信,我上周末用大光圈给我加妞拍照,惊奇的发现她在相机上竟然用手去滑我的屏幕去翻页,姑娘啊,相机还没有触摸功能啊。看来触摸真的改变了人类的生活方式。然而你就不好奇为什么你在玻璃板上动动手指头,机器就知道你要做什么吗?好吧,我来为你揭秘触控技术。

触控面板也叫触摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc),凡是电子设备都要用到屏幕,如果你不想让你的屏幕被无聊的键盘占据一半面积,就必须要使用触摸屏作为人机对话的媒介,触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌,是极富吸引力的全新多媒体交互设备。

触控面板最早结缘于1965年E.A. Johnson一篇简短的描述电容触摸屏的文章,继而1967年深度发表有图有真相的文章。再到1970年由两位CERN(European Council for Nuclear Research)的两位工程师在1970年代初期发明的透明触控面板,并且与1973年投入使用。再后来到1975年一个美国人George Samuel Hurst发明了电阻式触控面板并拿到美国专利(#3,911,215),并与1982年投入商用。(https://en.wikipedia.org/wiki/Touchscreen)

1、触控面板的技术要点:

从技术原理角度来讲,触摸屏是一套透明的绝对定位系统,首先它必须保证是透明的;其次它是绝对坐标,手指摸哪就是哪,不像鼠标需要一个光标作为相对定位用,所以很容易分散注意力,因为你要时时关注光标在哪里。

究其结构通常是在半反射式液晶面板上(ITO透明导电极)覆盖一层压力板,其对压力有高敏感度,当物体施压于其上时会有电流信号产生并且定出压力源位置,并可动态追踪。这种就是我们媒体报道的on-cell技术。现在亦有In cell Touch触控组件集成于显示面板之内,使面板本身就具有触控功能,不需另外进行与触控面板的贴合与组装即可达到触控的效果与应用,主要是Apple在研究,优缺点看我前一篇文章《面板驱动IC

接下来我们主要从透明性和定位方法来分别介绍不同触控技术的区别及原理。

2、触控面板的分类及原理:

从技术原理来区别触摸屏,可分为五个基本种类:矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台;红外线技术触摸屏价格低廉,但其外框易碎,容易产生光干扰,曲面情况下失真;表面声波触摸屏几乎解决了所有触摸屏的各种缺陷,清晰不容易被损坏,适于各种场合,致命的缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变的迟钝甚至不工作,所以也很难普及使用。下面主要讲电阻式和电容式屏幕吧。
1) 电阻式(Resistive Touch):用力真好!
电阻式触控板主要由两片单面镀有ITO(氧化铟锡)的薄膜基板组成,上板与下板之间需要填充透光的弹性绝缘隔离物(spacer dot)来分开,如图所示,下极板必须是刚性的厚玻璃防止变形,而上极板则需要感应外力产生形变所以需要爆玻璃或者塑胶。
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正常工作时,上下极板接电压并且处于断开状态,当外力按下时上极板发生形变与下极板接触导通,此时产生电压变化,通过此电压变化可以精确测量触摸点坐标(因为触摸上下极板接触后则上下极板由原来的整体电阻变成了一分为二的电阻,而电阻值分压值与它到边缘的距离成比例推算X、Y坐标的)所以电阻式触摸屏的精度主要取决于这个坐标电压的转换精度,所以非常依赖于A/D转换器的精度(力度大小的电压敏感性)。
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因为电阻式萤幕透过压力操控,所以不一定要用手来控制,笔、信用卡等都可以操作,即使戴套也没关系,而且它和外界是隔离的所以它具有防尘防污的优势;不过如果「摸」得太轻,电阻式萤幕不会有反应,要用轻戳才行。电阻式萤幕成本低廉、技术门槛低,而且,操作电阻式触控萤幕时需要轻敲,所以容易坏,而且灵敏度也不太好,画画、写字并不流畅。
2) 电容式(Capacitive Touch):纵享轻滑!
然而,真正带来智能手机风潮的是电容式触摸屏,它是由一片双面镀有导电膜的玻璃基板组成,并在上极板上覆盖一层薄的SiO2介质层。如图所示,其中上电极是用来与人体(接地)构成平板电容感测电容变化的,而下极板用来屏蔽外界信号干扰的。
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工作时,上透明电极需要接电压并在四个角上引出四个电极,所以当手指触碰上面的SiO2层时,因人体是导电的,所以人体与上透明电极之间产生足够的耦合电容,并且根据与四个角(或周边)测量的电容值变化来计算出触控位置坐标(离触控位置越近则电容越大)。但是这种表面电容式触控(Surface Capacitive)还是无法满足现在流行的多点触控,如果要实现多点触控必须要使用新技术叫做Projected-Capacitive Touch,它主要改变在于将表面的感应电极铺设成一层或两层并且进行图案化(主要是菱形),一层负责X方向,一层负责Y方向。然后通过X方向和Y方向电极电容的变化来定位。
由于现在主流都是多点触控(Multi-Touch),所以我稍微多讲一点他的演变过程,多点触控的Projected Capacitive主要有两种:自电容(Self-Capacitive)和互电容(Mutual Capacitive)。自电容它是直接扫描每个X和Y的电极电容,所以当两个触摸点的时候会额外产生两个虚拟点(Ghost Points),如图所示,左边为两层电极图形化示意图(多为菱形),它只需要一层ITO层即可,通过光刻形成X和Y电极。右边为原理图,从原理图上看,当同时触摸(X2, Y0)和(X1, Y3)时,由于量测四个电极的电容,所以会额外多出两个点(X1, Y0)和(X2, Y3),这就是Ghost Points,只能靠软件解决了。虽然自电容有Ghost-Points的问题,但是自电容位置精准灵敏度高,最大的好处是它可以做Single layer ITO膜,但是到大尺寸(>15寸)的时候点数增加导致管脚增多,成本会很高,而且点数多了之后中间的线路会走不出来,必须要把ITO变细,所以电阻增大,而且点数多扫描时间也会增长,看似没有优势,但是现在苹果手机貌似就是在走自电容触控技术,这些技术应该都突破了。
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而互电容(Mutual-Cpacitive or Trans-Capacitive)它需要两层ITO膜层,通过特殊的结构把X和Y电极在每个节点上分隔开,这样它扫描的就是节点(Intersection)电容,而不是电极电容了。只是这两层ITO在交点处的接触必须隔开,需要用到MEMS技术将它类似立交桥架起来。
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不管是自电容还是互电容,都是依赖于将电容从人体电容中导到电极上,所以这两种技术都叫做电荷转移型电容触控(Charge-Transfer)。
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电容式触控优势在于速度快,可以滑而不用再用戳的。然而它只能用导电物体操控,它还有个缺点是如果触控面积比较大(手掌),可能你还没碰到就有动作了,因为面积大耦合电容大,所以触发了屏幕,所以它对外界电场或温湿度导致的电场变化比较敏感。但是它是一层玻璃板结构所以透光率比电阻式高可达90%以上。
然而不管是电阻式还是电容式触摸屏都很难做到均匀电场,所以只能用于20几寸以下的面板尺寸。如果要做大屏幕触控必须要使用波动式触控技术(主要有表面声波或红外线波两种),它主要在四角或边缘安装红外线或声波发射器/接收器,当触控阻断声波或红外线时,对应的接收器接收不到信号则可以断定坐标,这种触控屏怕脏怕灰怕油,太娇气了,而且很容易受环境波动影响。
每一类触摸屏都有其各自的优缺点,要了解哪种触摸屏适用于哪种场合,关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。
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3、触控面板的电路部分:

上面花了大部分篇幅介绍触控面板的感应模块原理及结构,但是和Sensor一样(触控也是一种Sensor),它有传感部分就一定有电路部分,而触控的电路部分主要负责的事情就是:信号探测、坐标定位、以及手势识别(滑动/放大/点击)。

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而对于MCU电路来说,主要需要哪些电路单元,首先最重要的就是ADC(这是所有Sensor必须的),其次是Scan Control和DSP(信号处理),而扫描电路一定需要时钟信号,所以需要Timer。而手势识别是靠一个叫Finger Tracking的单元实现,最后就是User configure的代码保存需要用到EEPROM或Flash。

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而在设计上的主要难点有两个:1) 高电阻加大电容问题,2) 噪声耦合(Noise Coupling)。前者主要是由于屏幕越来越大导致ITO的电极越来越长所以电阻越来越大,另外电极越来越长导致电容面积越来越大所以电容也变大,最后的问题是RC-delay延长,而解法要么是通过加大电压来加速scan,要么是换金属布线(Ag)。后者(Noise coupling)主要是由于面板越来越大,很容易接收到环境噪声的干扰主要靠shielding来避免,而另外的干扰来自开关电源的干扰,这只能通过在ADC之前增加Noise Cancellation来实现。

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4、触控面板/IC的发展及主要公司

从触控模块上,主要的发展方向应该是低成本、高整合、高性能的On-cell/In-cell/Hybrid,而从触控电路上主要的发展方向是Touch与LCD显示驱动整合的TDDI。

而主要的触控IC的supplier可能超过30家,主要有美法思、敦泰、汇顶、Cypress、美信以及苏州的瀚微等。

Melfas(美法思)是韩国触控相关产品第一大业者,主力开发PCAP(电容式)的触控芯片(Touch Controller IC)、触控模块(Touch Module)与触控面板(Touch Panel)等产品。其触控芯片核心采用ARM Cortex-M0处理器,具备超低功耗、低门(埠)数、超佳功效、高抗噪能力等特性,体积能够微缩到更小(4x4x0.55mm)。此外其产品能向上兼容到Cortex-M3处理器,支持高达52组感应电极,并提供更高的触控处理效能,能应用在GFF、G1F、G1、GF1、OGS等触控整合方案,同时还支持手写笔输入。该公司也提供触摸按键(Touch Button)芯片,内建LED控制电路(16阶亮度调节),可应用在新一代Android手机纷纷采用的隐藏式硬件实体键上。这种仿真机械按钮的设计,在触碰时以LED指示灯通知用户是否有按到,或手指接近时自动感知,以便自动开启屏幕或启动LED指示灯。该公司主要客户有三星、LG、Nokia、Motorola…等大厂。

敦泰(FocalTech)是横跨美中台的触控芯片、TFT LCD驱动芯片、RF芯片的IC设计公司。主力开发多种自电/互电容触控屏幕控制芯片、On-cell触控方案芯片,具备高抗扰技术与量产实力,为大陆第一家提供On-cell手机触控方案的业者。客户包含联想、华为、ZTE、酷派、小米、海信、TCL、康佳、海尔、东芝、夏普、富士通、宏碁等厂商。其2013年累积出货量超过4亿颗,一举跃升为手机触控芯片领域的龙头大厂之一。该公司提供2.5至25吋的传统互容/单层互容/单层自容触控式等屏幕的解决方案,能整合于GG、GF、PF、OGS、超薄GFF等结构。其产品具备低功耗、可手套操作、环境适应矫正(如有大片水、水雾时)、防水、高讯噪比(正常条件下达到100,即40dB)、支持悬浮触控、采用跳频技术抗RF干扰能力强,并可支持主/被动笔等应用。最高可支持到120组感应电极通道,以及10指触控能力。敦泰在合并旭曜(Orise)之后,挟其TFT LCD的研发实力与技术优势,推出了In-cell的触控解决方案,以及IDC(Integrated Driver and touch Controller,整合显示与触控IC)技术,成为中小尺寸触控解决方案的领导厂商之一。

Goodix(汇顶科技)是另一家触控IC大厂,提供指纹辨识芯片,以及手机/平板触控芯片(HotKnot)、平板触控芯片,具备可量产的单层多点(GG)触控芯片,并提供On-cell整合方案,获得多数大陆白牌手机使用,累计出货数亿颗。其触控产品符合联发科(MTK)的HotKnot技术标准,可以让两支手机屏幕近距离接触时,进行数据传输。此外,具备3、5、10点触控,及手势唤醒能力。此外,其提供通话手势功能,让通话过程中仍可利用默认手势来进入其他功能或App(通讯簿、设定设置、LINE等),可支持4种手势。而在Windows 8触控平板应用部份,可以支持达15.6吋、主动式电容笔等功能。

Synaptics为美国触摸板(Touch Pad)制造大厂,原先研发主力在触摸板与控制芯片产品,并应用在笔电、iPod等产品。近年来投入触控面板解决方案,推出ClearPad系列家族,2010年其ClearPad 2000获得Google Nexus One采用。该公司挟其触摸板研发多年的技术与整合能力,在2012年发表In-cell TDDI(整合触控与显示驱动IC)的单芯片解决方案,为TDDI领导者之一,其ClearPad 4260便是世界首颗TDDI的IC,透过减少组件数量与厚度,并增加传输效能,改善显示亮度,并减少电源耗损来减少产品的复杂度,是颇具成本效益的解决方案。因此,TDDI未来可能成为高阶手机的触控趋势,除了Synaptics,其余业者如Renesas、敦泰也有TDDI技术,这些厂商势必在未来各显神通。Synaptics提供触控感测IC、触控芯片、触控解决方案,具备On-cell、In-cell及TDDI能力。产品分成Series 2、3、4、7等系列,分别针对不同需求:1.初阶方案:4点触控、5吋屏幕;2.高阶方案:提供In-cell、On-cell等10点触控、5吋屏幕,可减少厚度约0.5~1mm;3.高阶IC方案:提供In-cell、On-cell方案,可减少厚度约1mm,支持3D立体显示;4.高阶平板与笔电方案:10点以上触控、8.2~15.6吋屏幕。

Cypress(赛普拉斯)半导体IC零件大厂,针对触控市场提供CapSense家族的触控传感器,与采用电容式设计的TrueTouch系列的触控芯片。CapSense家族的MEMS Touch Sensor中,有Express系列,旗下的MBR3主打各种家电的触控键应用(例如手机隐藏钮、笔电音量调整钮、车用电子触控、电磁炉的触控按钮等等),采超低功耗设计,并具备30cm的近距感测能力。可支持高达16组电容式按钮,或5按钮+1滑杆调整钮(Slider)。而Plus系列则支持高达56组按钮,主打高阶应用。在TrueTouch家族的触控芯片部份,则具备手套触控、被动手写笔、脸部侦测、悬浮输入、可防水、SLIM超轻薄、接上副厂充电器与显示器本身的噪声也能抑制掉等特色,且其DualSense则提供自电容与互电容感应能力,适用于各种IT/CE产品。目前Gen 2、3、4、5等产品线,分别提供支持到4.3、4.5、8.3、5~10.1吋的触控屏幕。

同样为半导体大厂的Atmel,则提供触控传感器与触控面板芯片。其XSense家族的触控传感器,提供可挠式屏幕、高抗噪讯、窄边框、窄线区域、支持大触控屏幕、触控笔、可线性等功能与特色,让手机/平板制造商能导入其触控面板内,提供低功耗、超精准的按钮/滑杆调整钮/轮状滑钮之触控感应能力。其maXTouch触控面板芯片家族部份,则提供无线点触控(如T系列,支持到15.6吋)、主/被动式触控笔、手套输入、悬浮感应、高速反应、精准感测、绝佳的灵活性、低功耗、搭配外围触控控制器(PTC)可控制按钮/滑杆钮/轮状滑钮、超小体积、宽温环境运作等特色。可支持无线点、两点、单点触控,以及车载电子触控等产品应用。(来源于:http://www.digitimes.com.tw/)

 

分享如下:

1. 经典的Stanford的Projective Capacitive: http://pan.baidu.com/s/1pKdU1Ft

2. Synaptics的<Innovation of  Touch Sensing>: http://pan.baidu.com/s/1skdk0gd

3. 台大<触控背后的世界>: http://pan.baidu.com/s/1eRpIgam

4. 主要网站来源:

http://www.51touch.com/technology/

http://am.renesas.com/products/mpumcu/capacitive_touch_mcu/child/technology_child.jsp

http://large.stanford.edu/courses/2012/ph250/ (Stanford Cellp hone Physics)