投射电容触摸屏技术分析

2010-12-22 10:45:02 来源:半导体器件应用网 点击:1600

 目前投射电容式触摸屏产品在欧美市场已经逐渐成为主流,出货量不断攀升。这也在很大程度上促进电容式触摸屏产业链的完善和升级,随着产业链的逐步完善,众多供应商的加入,新材料、新技术和新工艺的应用,也必将带来各项成本的下降,从而降低整体模组的价格,增加了产品的竞争力。在整个电容触摸屏的成本结构中ITO Sensor 玻璃占据一半以上。因此ITO Sensor玻璃的价格走势将左右电容触摸屏的价格走势,直接决定投射电容触摸屏在触摸行业中的竞争力。据某些电容触摸屏模组大厂预测,2011年,触摸屏ITO Sensor的价格将降到现在价格的一半。因此可以预见,在不远的将来电容触摸屏产品,尤其是小尺寸电容触摸屏的价格将来会有明显的下降。届时,投射式电容屏将大幅挤占目前处于垄断地位的电阻屏的市场,无论品牌机或是山寨机市场,电容屏必将成为主流。  
 
     当前市场上有许许多多能够提供成熟的电容触摸方案的供应商。其产品应用也五花八门,有触摸屏,触摸板,写字板等。方案商主要分布在欧美,中国,日本,台湾,韩国等地。在这林林总总的供应商中,各家专注的领域也有所不同,有专注于触摸板的开发和应用,有在中小尺寸中深耕不止。其中Pixcir是唯一植根于中国,并专注于投射式电容触摸屏,且产品覆盖小,中,大尺寸,最大尺寸已经攀升到21.6英寸,且已经量产的的投射电容触摸IC供应商。
投射式电容方案根据其扫描方式一般分为自电容和互电容两种:
 
     所谓的自容通常是指扫描电极与地构成的电容。在玻璃表面有用ITO(一种透明的导电材料)制成的横向与纵向的扫描电极,这些电极和地之间就构成一个电容的两极。当用手或触摸笔触摸的时候就会并联一个电容到电路中去,从而使在该条扫描线上的总体的电容量有所改变。在扫描的时候,控制IC依次扫描纵向和横向电极,并根据扫描前后的电容变化来确定触摸点的坐标位置。自容式扫描的优势是扫描速度快,扫描完一个扫描周期只需要扫描X+Y(X和Y分别是X轴和Y轴的扫描电极数量)根。其缺点是无法识别鬼点,不能做到真正的Real Touch。
 


                    
图1
 


 
图2
 

 如图1所示:就是单指触摸时的扫描原理。X和Y具有唯一性。
     图2: 就是利用自容的扫描方式,对双指触摸时的扫描示意图。在触摸屏上根据组合方式会有4组坐标,这也就是两个真实的触摸点和两个所谓的鬼点。
     这种扫描方式可以完成只需要单指触摸和手势缩放的识别功能,也就是说在不需要绝对真实多点坐标的产品,完全可以用自容的扫描方式来完成。
     所谓互容,就是指在玻璃表面的横向和纵向的ITO电极的交叉处形成的电容,如图3。互容的扫描方式就是扫描每个交叉处的电容变化,来判定触摸点的位置。当触摸的时候就会影响到相邻电极的耦合,从而改变交叉处的电容量,
 


图3


     互容的扫描方式可以侦测到每个交叉点的电容值,以及触摸后的电容变化,因此他需要的扫描时间与自容的扫描方式相比相对来讲要长一点。需要扫描检测X* Y个数据。他可以真实的侦测到多点触摸。
 
     图4是互容扫描模拟化的示意图,
 
 


图4


 
     图5是经过处理后的示意图。


 
图5

 自容和互容有各自的应用领域,自容主要应用于只需要单点以及手势缩放的领域,而互容则应用于需要真实多点的领域。Pixcir却把两种不同的扫描方式完美的结合在一起,形成了Pixcir的成熟的投射电容触摸解决方案。
 
     Pixcir于2008年在苏州成立,其技术团队来源于瑞士,拥有10余年的行业经验。是较早的从事电容触控技术研究科开发的公司之一。在该领域拥有数十项专利。其独特的算法融合了自容和互容的优点,并具有优异的抗干扰性和良好的扩展性等优势。其方案成熟并且经过量产的考验。
 
     一个成熟的方案应具有以下几特点:
 
     扫描方式
 
     不论是自容还是互容的扫描方式,他都有各自的优点和缺点,成熟的方案就要把自容和互容的优点结合起来,充分发挥各自的优点,同时又屏蔽掉各自的缺点,在正常以及单点触摸的情况下,启动自容扫描方式,充分发挥其扫描速度快算法简单的优势,而在多指触摸的情况下,则启动互容的扫描的方式,充分发挥其能够识别真实多点的优势。
 
     手掌识别功能
 
     由于个人习惯不同,有的人在写字的时候有手掌放在纸上的习惯,因此就要求方案要具有手掌识别的功能。能够识别出是手掌还是真正的触摸。
     由于电容触摸屏的原理所致,当有手掌放在触摸屏上的时候,也会有所识别。因此就需要方案具有足够的智慧其识别和区分。
     图6为手掌识别的示意图


 
图6
 

     抗干扰能力:
 
     一般情况下电容触摸屏是和TFT LCD一起配对工作,而且是放置在LCD的上面。
     为了防止液晶老化,TFT—LCD在工作的时候,Vcom电压一直处于翻转的状态,由于电容触摸屏的工作原理所致,这个不停翻转的电压会对触摸屏的正常工作造成影响,使其不能正常的完成工作。因此就需要对这个Vcom电压进行相应的处理和屏蔽,有的方案是增加屏蔽层进行屏蔽,这也是使用比较多的方案。也有的方案是应用自身的算法和速度来处理和过滤掉Vcom干扰信号。相比较来讲,前一种方案会相应的增加成本,而后一种方案则在成本上具有更加明显的优势。
     图7为Vcom干扰信号的事宜图


 
图7
 

     具有良好的扩展性能
 
     在架构上,目前的方案一般有两种:一是MCU和Sensor IC集成在一起,另外一种是这两颗IC相对独立。前一种只能适应一定尺寸范围的投射电容触摸屏,而后一种方案则可以有更好的适应性,可以按照需求进行扩展,小尺寸就外挂一个Sensor IC,中尺寸就挂两个,三个或者更多。以适应尺寸变化的需求。
     接口协议通常有USB,IIC,UART等,如果一颗MCU能够支持以上3种协议,那么无论是方案商还是代理商亦或是模组厂都会喜欢后一种模式。因为他只需要备两种货在自己的仓库里面,一种是Sensor IC ,一种是MCU,这样就可以通吃各种尺寸,各种接口协议的触摸屏产品。这样可以很好的规避因为备货而带来的资金压力,减少风险。只需要更改不同的F/W,就可以完成花样繁多的触摸屏产品。
 
 


图8
 
 


               
图9


     触控面板加工的难易
 
     不同的电容触摸屏方案,有不同的产品结构需求。目前从Sensor玻璃ITO扫描电极的结构上分一般有两种:一种是两面结构,即:在玻璃的正面和背面分别有感应电极,一种是单面桥接的结构,即:电极全部在Sensor 玻璃的一侧。单单从结构以及加生产加工的难易程度上讲,单面的结构具有更广泛的适应性,因为他完全可以使用目前已有的TFT—LCD的生产线去完成,并不需要任何的设备改造。而双面Sensor结构产品在加工的时候会存在一些缺陷,在加工A面的时候,B面ITO容易受到伤害,因为在加工A面的时候,B面的ITO玻璃在加工的过程中要经受滚轮,顶针,毛刷等接触和摩擦,势必会对扫描电极造成一定的伤害,从而影响良品率,导致成本的上升。
 
     触控面板材料的广泛性
 
     目前电容触摸屏的基材多数使用玻璃,因为玻璃的透过率比较高,加工工艺比较成熟,但是相对来讲,成本比较高,而且这种玻璃被少数寡头垄断。
     除了玻璃之外,另外一种透明的导电基材就是ITO Film(基材为PET),此种材料一直在电阻是触摸屏的主要材料。使用PET材料来做电容触摸屏的优势之一就是材料成本便宜,他的缺点就是透过率稍微差一些,ITO阻抗比较大,而且阻抗的一致性比较差,由于材料的若软性,给加工造成了一定的难度。从长远来看,PET结构的材料是一种很好的替代材料,但前提是要有很好的方案能够适应比较大的ITO阻抗和阻抗的不一致性。另外一个方面就是要尽快的提高PET材料的加工工艺,提高良品率。
 
     综合性能
 
     以上几点只是从具体的某个方面来谈,一个方案是否具有竞争力,则不能单单从单个指标来衡量,而是需要综合的去衡量。不能有出现短板的情况。
     下图为Pixcir的综合性对的图表
     图10 为1颗Tango(Sensor IC)综合性能图表
 
            

             
 
图10


 
     图11为3颗Tango的综合性能示意图表
 


图11


     图12,为Pixcir3颗Tango方案和目前市面上Full point 方案的综合性能的对比
 
 


图12


 
     以上只是从方案的技术,材料以及工艺层面来讲述。除此之外还有一个更重要的因素,那就是专利。专利一向是保护自己和遏制竞争对手的有力武器。但也成了行业发展的双刃剑。
     要想在电容触摸屏行业有做发展和建树,必须拥有自己的核心专利。可以凭借自身的专利进行专利互换和谈判,或者专利共享。然而即使通过专利合纵,有时候还是避免不了被告的命运,专利共享的失败,也让寄希望于此来解决多点触摸专利的厂商望而却步.

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