本文介紹了將投射電容式觸摸集成到設備中時必須面對的許多設計和應用挑戰，尤其著重于控制器信噪比的重要性。
我們現在生活在一代智能手機中，其中一部手機包含許多功能，有些甚至接近筆記本電腦的功能。眾所周知，使用和制造的大多數智能手機都是觸摸屏，其中用戶通過輕擊和輕掃來通過設備進行交互。實際上，甚至筆記本電腦和便攜式筆記本電腦都已經具有此功能。
自2007年推出iPhone®以來，投射電容式觸摸的收入增長了100倍以上，并且沒有絲毫放緩的跡象。本文介紹了將投射電容式觸摸集成到設備中時必須面對的許多設計和應用挑戰，尤其著重于控制器信噪比的重要性。
自2007年推出iPhone®以來，投射電容式觸摸屏技術已在越來越多的應用中得到采用。然而，將投射電容式觸摸傳感器集成到觸摸屏設備中仍然是一個具有挑戰性的問題，尤其是在LCD顯示器，外圍設備和環境產生的噪聲方面。最有前途的解決方案之一是利用高信噪比（SNR）觸摸屏控制器來解決噪聲問題。高SNR控制器還具有許多其他優點，本文將對此進行探討。
SNR定義為信號（有意義的信息）與背景噪聲（不需要的信號）之間的功率比。如果在相同的阻抗上測量信號和噪聲，則可以通過計算均方根（RMS）幅度值的平方來獲得SNR。功率值的數字比率（PS / PN）通常太大，以至于最好使用對數分貝（dB）標度來描述。因此，SNR可以表示為：
較高的SNR值表示相對于背景噪聲測得的較高的信號強度。
總體觸摸性能
從較高的角度來看，有兩個主要因素決定總體觸摸性能：觸摸傳感器設計和觸摸控制器集成電路。存在各種觸摸傳感器圖案設計，通常用表示圖案的形狀或構造的名稱來指代，例如三角形，菱形，雪花，街道和小巷以及電話桿。例如，“菱形”是菱形（菱形）結構的網格，而“街道和小巷”是相交的行和列的網格，類似于城市布局。根據所需的系統性能和觸摸控制器集成電路的體系結構，某些圖案使用單層ITO，而其他圖案則需要兩層或三層。
通常，觸摸傳感器的圖案和層結構（“堆疊”）適合于觸摸控制器架構，以最大程度地提高SNR。例如，在具有跨接（短路橋）的單層互電容金剛石圖案中，從觸摸表面到ITO的X層和Y層的距離都相同。這減少了增益誤差，并使行和列的SNR級別相似。但是，此設計可能需要屏蔽層，以防止接收傳感器拾取來自下方LCD的噪聲。使用具有高SNR的觸摸控制器，可以通過放寬對設計的限制來降低觸摸傳感器的成本，從而可以使用更廣泛的圖案和層結構。如本應用筆記后面將要討論的那樣，像MAX11871這樣的高SNR觸摸控制器可以提供額外的優勢，
控制器架構
競爭的兩種主要的投射電容式觸摸技術是自電容和互電容。以下是每個內容的簡短摘要。
自電容
• 如今仍在使用早期的procap方法
• 通常僅限于一次觸摸或兩次帶有重影的觸摸（與目標觸摸位置相關的錯誤觸摸）
• 菱形圖案最常見
• 降低LCD噪聲
• 更簡單，成本更低的控制器
互電容
• 新一代設計獲得市場份額
• 真正的多點觸控，具有兩個或多個明確的觸摸
• 更好的觸摸精度
• 在傳感器圖案設計中提供更大的靈活性，可以幫助最大程度地提高SNR
• 更好的抗噪能力
• 更復雜，成本更高的控制器
許多應用程序僅需要一次或兩次觸摸，因此自電容解決方案可能會很有吸引力，尤其是在可以控制用戶界面中的觸摸位置以消除重影的情況下。自電容系統可以實現超過30dB的典型SNR，但通常需要在LCD和傳感器的底部觸摸層之間設置一個屏蔽層，這會增加成本并降低顯示亮度。
可以將其他技術應用于自電容解決方案以進一步提高SNR。這些措施包括（a）增加每個通道的樣本數量，（b）增加傳感器驅動電壓，這在存在固定背景噪聲（例如來自LCD的背景噪聲）的情況下增加信號幅度，以及©以各種頻率采樣以避免固定頻率干擾，例如60Hz（稱為“頻率抖動”）。但是，這些技術通常還會降低幀速率并增加功耗，而這通常都是不希望的。
通用互電容系統的系統框圖。
為了最大化SNR并支持兩個或多個明確的觸摸，很明顯，最理想的觸摸系統架構依賴于互電容。圖1中的系統框圖說明了通用互電容實現，該實現將激勵信號施加到觸摸傳感器電容器板之一。另一個觸摸傳感器電容器極板連接到觸摸控制器的模擬前端（AFE）。AFE輸出將轉換為數字形式，并在數字信號處理器（DSP）中進行進一步處理。
設計
挑戰在將投射電容式觸摸傳感器集成到配備觸摸屏的設備中時，存在許多技術挑戰。以下各段描述了可從高SNR觸摸控制器中受益的一些最常見情況。
互電容式觸摸傳感器的許多不同堆疊之一（未按比例）。
傳感器堆疊：在材料考慮，設備厚度目標，性能要求和成本目標的驅動下，當今的觸摸行業存在著各種各樣的觸摸傳感器層結構。圖2中顯示了一個示例。單個和多個基板，“面朝上”和“面朝下”的結構，X和Y傳感器層的厚度變化，光學透明粘合劑（OCA）的厚度變化以及其他因素都會影響傳感器產生的信號電平。高SNR觸摸控制器可以減少這些結構差異的重要性，因為它能夠處理更寬的動態范圍的觸摸傳感器信號。這為設計人員提供了更多的層疊設計自由度。
厚保護膜：某些應用（例如銀行自動柜員機）可能需要厚保護膜以保護顯示屏免受惡意破壞。但是，厚的覆蓋透鏡會降低手指觸摸檢測的信號強度并降低觸摸位置的準確性，因為手指距離觸摸傳感器較遠。這“散布”了電容分布并減小了峰值，這使得確定目標觸摸的精確位置更加困難。戴手套的手也有類似的效果。
LCD VCOM類型：LCD VCOM是指“公共電壓”，即典型LCD的參考背板電壓。驅動背板的技術因系統要求而異。兩種常見的方法是AC VCOM和DC VCOM。AC VCOM在多個電壓電平之間調制背板，而DC VCOM在背板上保持恒定電壓。前一種方法會產生更多的噪音。
觸摸傳感器和保護蓋之間的氣隙：觸摸屏設備最終用戶報告的最常見問題之一是保護蓋損壞。為了使產品更薄，可以將投射電容式觸摸傳感器層壓到防護鏡的背面。然而，當更換破裂的保護蓋透鏡時，還必須更換觸摸傳感器，這增加了維修成本。為了避免這種成本以及成本和較低的覆膜良率，設備制造商通常使用薄墊片將觸摸傳感器和保護蓋分開。
應用挑戰
觸摸精度：觸摸精度是觸摸傳感器設計中的重要規范。例如，在虛擬觸摸屏鍵盤應用程序中，字符被緊密包裝在相對較小的區域中。對觸摸的精確響應對于避免鍵入錯誤的字符至關重要。實現高精度的一種方法是在控制器中添加更多傳感器通道，以支持更高的觸摸傳感器網格密度。但這也會帶來成本損失，因為觸摸傳感器和觸摸控制器上都需要更多的引腳。此外，更多的傳感器通道需要更多沿著觸摸屏邊框的走線，這可能會增加邊框寬度。
高信噪比的觸摸控制器可提高觸摸精度，因為它可以實現更強的觸摸信號讀取并從更大的周圍區域收集樣本數據。較大的區域提供了更多參考點，可以從這些參考點計算出精確的觸摸位置。圖3說明了由機械手握住4mm金屬塊制成的觸摸控制器SNRon線圖的效果。使用高SNR控制器繪制的線明顯比使用低SNR控制器繪制的線更平滑。請注意，這些測量是使用相同的觸摸傳感器和相同的后處理軟件記錄的，以確保比較的公平性。
由機器人手臂握住4mm金屬彈頭繪制的線圖。左側的圖反映了高SNR觸摸控制器的使用；右邊是一個低信噪比的觸摸控制器。
觸控筆：電阻式觸摸屏用戶長期以來習慣使用細尖的觸控筆。典型的電阻式觸摸屏觸控筆的筆尖直徑小于1mm，通常由非導電塑料制成。對于投射電容式觸摸系統來說，檢測這種小型，不導電的設備一直是一個極其困難的挑戰，因為它對觸摸控制器生成的信號的影響是如此微弱。市場上許多現有的觸摸系統都需要大直徑的手寫筆（3毫米至9毫米），由于大筆尖會遮擋所創建的數字墨水，因此很難用于繪圖和書寫。
在4英寸顯示屏上的2mm導電筆的這些電容曲線中，左側的曲線反映了高SNR觸摸控制器的使用。右邊是一個低信噪比的觸摸控制器。測針位于綠色圓錐體的頂點；白色表面的高度代表整個顯示器的背景噪音水平。SNR的大幅提高有效地降低了
只要手寫筆涂有導電材料（相對較小的犧牲），高SNR觸摸控制器就可以檢測出筆尖直徑為1mm的手寫筆。圖4說明了觸摸控制器SNR對帶有2 mm尖端的導電筆的檢測的影響。低SNR控制器很難識別帶有噪點背景的小手寫筆，尤其是在屏幕的最噪點部分。在低SNR情況下，將觸控筆減小至1mm會導致所需信號被掩蓋在背景噪聲中，從而使觸控筆無用。
懸停檢測：接近檢測在觸摸屏應用中逐漸被采用。例如，通過在使用電子閱讀器應用程序時提高觸摸系統的靈敏度，用戶可以在不物理觸摸屏幕的情況下用手勢翻轉頁面。但是，周圍環境也會觸發靈敏度提高的觸摸系統。設計人員一直在努力尋找能夠最大化接近距離而又不會引起意外激活的最佳平衡。三菱電機公司在這一領域進行了一些有趣的研究，因為該公司創建了一種觸摸系統，該系統可以根據觸摸的手指懸停還是實際觸摸來自動調整其靈敏度。
手套操作：在醫療應用中，觸摸屏應適合與外科手術手套一起使用。同樣，汽車中的觸摸屏GPS設備應適合戴手套的手使用。大多數冬季手套由絕緣材料制成，這會使觸摸傳感器難以檢測到觸摸。當用戶不戴手套時，增加觸摸控制器的靈敏度可能會導致意外觸發。當前，市場上唯一的解決方案要求應用程序（或用戶）根據用途選擇不同的靈敏度級別。
結論
高SNR投射電容式觸摸控制器帶來許多好處。它可以適應多種設計和應用需求，例如手寫筆，小手指和手套。它可以提高報告的觸摸位置的準確性，而無需特殊的ITO傳感器圖案或添加更多傳感器通道。它可以容納各種顯示類型以及各種背光，同時保持良好的觸摸性能。它在傳感器設計和制造要求方面提供了更大的靈活性。它可以在嘈雜的環境中實現觸摸系統操作，還具有減輕設備本身發出的噪聲的能力，例如LCD顯示器，WiFi天線，GPS天線和AC適配器發出的噪聲。它使設備OEM可以自由選擇更大范圍的組件。最后，從性能的角度來看，它提供了精確的觸摸精度。總之，高SNR觸摸控制器可為最終用戶帶來強大的體驗。 |
