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投射式电容屏的技术原理

  作者:Gonsion 时间:2015.12.28  

      投射电容(Projective Capacitive)技术,是实现多点触控的希望所在。它的基本技术原理仍是以电容感应为主,但相较于表面电容式触摸屏,投射电容式触摸屏采用多层ITO 层,形成矩阵式分布,以X 轴、Y 轴交叉分布做为电容矩阵,当手指触碰屏幕时,可通过X、Y轴的扫描,检测到触碰位置电容的变化,进而计算出手指之所在。基于此种架构,投射电容可以做到多点触控操作。(官方宣布索尼爱立信X10 版本升级将会支持多点触控,结果版本升级了,多点触控没了。)

投射电容的触控技术主要有两种:一种是自电容型(self capacitance,也称absolutecapacitance),另一种为互电容型(mutual capacitance,也称transcapacitance)。自电容型是指触控物与电极间产生电容耦合,并量测电极的电容变化确定触碰发生;互电容型则是当触碰发生,会在邻近2 层电极间产生电容耦合现象。

根据这两种原理,可以设计不同的投射电容式架构,不同架构能做到的多点触控功能也就不同。多点触控其实可细分为两种:一种是手势辨识追踪与互动(Gestureinteraction),也就是仅侦测、分辨多点触控行為,如缩放、拖拉、旋转…等,实现方式为轴交错式(Axis intersect)技术;另一种则是找出多点触控个别位置,此功能需要复杂触点可定位式(All point addressable;APA)技术才能达成。

轴交错式

     轴交错式(又称Profile-based)技术,是在导电层上进行菱形状感测单元规划,每个轴向需要1 层导电层。以2 轴型式为例,触控侦测时,感测控制器会分别扫描水平/垂直轴,产生电容耦合的水平/垂直感测点会出现上升波峰(peak),而这2 轴交会处即正确触控点。由于每次量测为利用单导电层与触碰物电容耦合现象,因此属自电容型技术。

轴交错式电容式触控技术,其实正是笔记型电脑触控板(touch pad)的实现技术,技术相当成熟,但触控板与触控屏幕最大差异在于,前者是不透明、后者是透明的。因为不透明,所以触控板可在感测区使用金属或碳原子式电极。投射电容式触控屏幕则是透明的,因此需用透明ITO 做为导电电极,而且此层ITO 不像电阻式或表面电容式是均匀导电层,而需要做样式化设计。

     单点触控应用上,轴交错式能得到确切触控位置,因此不像表面电容式需经校准修正。透过一些演算法,轴交错式也能做到多点触控手势辨识功能,但若要定位多点触控正确位置会有困难。以2 轴的扫描来说,2 个触控点分别会在X 轴与Y 轴各产生2 个波峰,交会起来就产生4 个触点,其中2 个点是假性触控点(Ghost point),这将造成系统无法进行正确判读。

      不过,仍有方法能解决多点定位问题。在2 轴式触控屏幕中,可以利用2 根手指触控时间差分辨前/后触点,或以触点的不同移动方向辨别。此外,也可增加轴向提高可辨识触点位置、数目,每增加1 轴向可多辨识1 点(如3 轴可辨识2 点、4 轴为3 点);不过,每增加1 个轴向,就要多1 层导电层,这会增加设计的触控面板厚度、重量与成本,这都不是可携式产品乐见的结果。

触点可定位式

     触点可定位式(All point addressable)技术则能达成多点触控功能,且能辨别触控点确切位置,可以说是理想的多点触控解决方案,iPhone 即是采用此种触控技术。它主要架构为两层导电层,其中一层为驱动线(driving lines),另一层为感测线(sensing lines),两层的线路彼此垂直。运作上会轮流驱动一条驱动线,并量测与这条驱动线交错的感测线是否有某点发生电容耦合现象。经逐一扫描即可获知确切触点位置。

      但是,要实现此种技术不论是导电层规划、布线或CPU 运算,难度都提高许多,需要采用更加强大的处理器。以iPhone 为例,它就是以两颗独立芯片分担这项工作,一颗感测控制器,将原始模拟感测信号转为X-Y 轴坐标;另一颗则是ARM7 处理器,专门用来解读这些信息,辨识手指动作,并做出相应的反应。此外,复杂触点可定位技术还会面临一些设计上挑战,如需要供应高电压才能得到较好的信噪比表现,不适合在大尺寸面板使用等,这也是iPhone没能采用4.0 级别屏幕原因之一。

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