投射电容式触摸传感技术的设计原理

本文作者:互联网       点击: 2013-04-24 00:00
前言:

最新一代的手持式个人消费电子设备是基于投射电容 (p-cap) 的高度灵敏和直观的用户界面触摸屏开始了刺激对类似性能和功能的更大需求,甚至耐用性交互式显示屏开始在工业领域、公共信息领域和自助服务应用领域得到广泛应用。但是,目前仍面临一些显著的技术标准分歧,为了实现p-cap 触摸传感技术在该等系统的应用,必须要解决这些技术标准分歧。 尽管他们的反应速度和灵敏度对于智能机和平板电脑来说已经远远足够,但是非消费类系统中的不兼容环境给常规的 p-cap 传感机制带来了无法想象的压力。因此,p-cap 解决方案更能满足所需应用程序的要求。 

p-cap 作为一种触摸技术,惊人的处理速度表明其可全方位地为设计工程师提供高耐磨强度的用户界面,因此它比其他一些触摸传感技术更经久耐用,反应更灵敏,可进行缘对缘操作(无需使用触摸区的边框,可增加美感),可抵制错误触摸,只对手指触摸做出反应(或手写触控笔)。 

P-cap 传感方法
目前,绝大多数的 p-cap 触摸传感器是互容式的。互容式触摸传感器由两个独立的导电层(每个导电层直接与控制电子元件连接)组成:其中的一个导电层由传感元件组成,用于确定触摸事件的发生位置;另一个导电层由驱动元件组成,主要用于传输电荷。如果触摸事件发生在触摸屏表面,局部电场中的电荷会发生改变,降低传感器中两个导电层之间的互容水平。传感层元件接收该变化。检测系统的触摸控制器进行运算,然后确定经历最大变化的元件,随后将精确的 XY 位置传送至主机。 
自容式 p-cap 触摸传感器与互容式的区别非常明显,自容式触摸传感器需要一个X轴和Y轴坐标和用于连接触摸控制器的开放式铜导电线,并拥有所有必要的检测算法。导电线上发生的变化会受人体电容的影响。所以,当用户的手指将要接近触摸传感器的表面时,它可以确定哪根线(X轴和 Y轴方向)经历了峰值变化,然后通知主机该精确位置。尽管,它能很好地处理较小的运算数据量,却很难处理较大的运算数据量,这是由于控制器必须从每个单独的传感元件中获取数据。当处理大尺寸的触摸屏时,数据的重量也变大了。通常会限制显示屏的有效尺寸,即屏幕对角线的长度不得超过 15 英尺。如果超过这一限值,则控制电子元件的成本会大幅增加,其复杂程度也会增加。另外,互容式 p-cap 触摸传感器一般是基于元件矩阵,采用防静电镀膜 (ITO) 镀层,ITO 一种透明的导电材料。主要是在玻璃表面用ITO 制作电极,这一过程同半导体的形成过程类似,但是互容式 p-cap 触摸传感器的缺点就是运算数据量较大,应用容量低,方案灵活性较差,需要进行前期投入生成每种设计所需的光掩膜,这会大大增加元件成本和出样时间。而且,大尺寸显示屏上的 ITO 有较高的电阻,在显示屏长度上形成的电阻会大大影响信号完整性,最终的触摸灵敏度以及触摸性能。

先进的自容式 p-cap 传感器
Zytronic 致力于利用工程资源集研发 p-cap 传感技术,并结合传统的自容式和互容式传感机制的优点。其最知名的专有的投射电容式技术(PCT™) 实质上是一种自容式传感技术,可优化比互容式传感器更大尺寸的屏幕部署。PCT 由XY 矩阵以及微型铜导电线组成,铜导电线嵌于叠层基板内。其触摸控制器可随时扫描电容矩阵的变化。通过将该矩阵中产生的频率调到 1 MHz,可检测单根铜导线上的任何一个微小的电容变化,因为人对触摸屏作用可导致电容变化。然后控制器固件可精确地计算出触摸事件的位置,分别在 X 轴和 Y 轴方向计算出坐标,提供给主机。支持高灵敏度是指它可以检测到触摸,无论覆盖层(10 mm 或更厚的)比较厚还是用户戴上手套进行触摸-这两点可充分证明它可以在工业或户外公共用途环境中使用。铜导电线的电阻远低于 ITO 的传感器元件结构的电阻。所以它可以检测到大尺寸显示屏(屏幕对角线的长度大于80英寸)上的触摸。铜导电线也可通过使用“直接写”,直接置于玻璃表面上,而无需使用NRE 成本和研发时间降至最低水平。

当工程师们正在寻求更直观的用户界面,根据消费电子产品领域、更广泛的工业领域、零售业、公共用途和医疗设计的需求,基于 ITO 的互容 p-cap 技术正在致力于性能上的突破。所采用的制造过程和使用的原材料表明尽管它适用于较小的运算数据量,较大的设计容量,但是它并不适用于所有的应用程序。基于 PCT 的先进的 p-cap 传感器的稳定性能,对大尺寸显示屏的适用性以及稳固的容量灵活性,使得其可进行触摸互动,并能应用于各种各样的电子设计中,能给用户带来更好的用户体验。但是,本文绝不希望或表明互容式 p-cap 传感器无优点。(给定的充足的元件密度和控制器 IC 性能)互容式传感器可通过多点触摸函数获得所需的数据,这意味着他们可以支持多用户的同时触摸或多用户屏幕,也增加了复杂触摸手势的认可度。

很显然,p-cap 触摸传感技术的前景非常光明,因为它拥有市场上其他传感技术所缺少的强大全面的性能和设计优势。先进的自容式和互容式传感器(以及不断改进的控制电子元件作为其后盾)拥有强大的优点,可高度应用于不同的应用程序-环境、显示形式、触摸性能和单元容量可成为影响因素。本文的后续内容将介绍不采用 ITO 材料的互容式传感器和多点触摸传感器,其灵敏度和延展性都比较高。