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3)。

　　圖3 典型的傳感器圖樣

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　　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，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，而只可能通過折衷妥協(xié)來滿足部分要求。其它CDC技術(shù)都試圖仿效真正的矩陣，不過這需要限制性更強(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，由于沒有采用電荷轉(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，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。而整體目標(biāo)是盡量減小傳感器邊緣配線尺寸，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，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，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毫米的簡單被動(dòng)傳導(dǎo)性觸控筆。這種功能讓用戶使用短指甲也能夠操作電容式觸控用戶接口，并能提供比普通指尖按觸更精確的定位設(shè)備。如此一來，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。

　　圖4 觸控筆輸入

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　　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，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(圖5)。

　　圖5 系統(tǒng)模塊示意圖

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　　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)議可否在未來擴(kuò)展而毋須完全重寫驅(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，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(也稱為熱點(diǎn)跟蹤)的影響。從靈活性的角度來看，無疑是一大優(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)向用戶提供積極回饋以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確輸入。乍看起來很簡單，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。