在蘋果（Apple）iPhone及相關(guān)產(chǎn)品中，其概念是首先建構(gòu)用戶接口——電容式觸控屏幕，然后利用基本的硬件和出色的軟件來實現(xiàn)聯(lián)機能力并提供應(yīng)用支持。通過這種途徑，用戶便能夠以新穎直觀的方式與產(chǎn)品進行互動。

　　電阻式觸控屏幕在消費者設(shè)備中廣被采用，主要是提供基本的觸控按鍵切換功能或其它簡單的虛擬用戶接口元素（如滾動條控制）。這種技術(shù)可實現(xiàn)一種情景式用戶接口方案，有助于縮小設(shè)備單元的尺寸和外部復雜性，并提供新的工業(yè)設(shè)計選擇。不過，電阻式觸控屏幕的光學性能較差，又存在可靠性問題，支持手勢輸入的能力相當有限，而且解釋兩個或更多個同時觸控點的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸控屏幕的使用，致使其迅速讓位于電容式觸控屏幕。

　　過去幾年間，電容式觸控屏幕技術(shù)已迅速發(fā)展成熟，它結(jié)合了在低成本硬件上運行的先進算法和精細的材料技術(shù)，創(chuàng)建出高度可靠且穩(wěn)健的用戶接口。

　　但早期的電容式觸控屏幕技術(shù)，以至目前市面上較低檔產(chǎn)品的分辨率都很低，又存在液晶顯示器（LCD）或其它噪聲源的系統(tǒng)層面干擾問題，導致性能嚴重降低。

　　投射電容式觸控屏幕可以在目標（如手指）接近或接觸到屏幕表面時檢測到電容的細小變化。當一根手指或多根手指接觸屏幕時，有多種方法對觸控屏幕表面的電容變化進行測量和解釋。電容-數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)（Capacitive to Digital Conversion， CDC）與用于電荷收集的電極結(jié)構(gòu)的空間排列（通常是顯示屏幕表面的一層透明的感測薄膜），兩者都對所達到的整體性能和簡易設(shè)置能力有著重大的影響。

　　提升電容觸控可靠性 CDC/電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)缺一不可

　　對于投射電容式觸控屏幕的電容變化，有兩種基本的排列和測量方法：自電容和互電容?；ル娙轀y量法具有按正交矩陣排列的發(fā)射和接收電極，這是電容式觸控屏幕可靠地報告和跟蹤多個并發(fā)觸控點的唯一方式。為簡單起見，可假設(shè)該技術(shù)由許多較小的觸控屏幕組成，這些小觸控屏幕又是通過電極結(jié)構(gòu)的幾何排列而形成，整個裝置被視為一個完整的觸控屏幕表面。只要能夠識別每個“小”觸控屏幕內(nèi)的多個觸控點，便可以實現(xiàn)此一功能。由于可獨立測得矩陣中每個點的電容耦合，故完全能夠確定多個觸控點的位置坐標。

　　以自電容為基礎(chǔ)的觸控屏幕卻與之相反。自電容式方案是對整行或整列的電容變化進行測量（與互電容式方案中測量一行和一列的交叉點截然不同）。若用戶壓觸兩個地方，這種方法會導致位置不明確。雖然利用軟件有可能對觸碰位置進行某種程度的重建，但總是存在一定的模糊性，因而被解釋的觸控點會產(chǎn)生“鬼點”位置，繼而導致無意的行為被報告給系統(tǒng)主機。該方案還存在一種有害的副作用，即當兩個觸控點共享同一行或同一列電極時，報告的坐標往往“固定到有關(guān)電極，形成嚴重的非線性現(xiàn)象。在實踐中，自電容式只用于單觸控點或極有限的雙觸控點應(yīng)用。

　　在以互電容為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中，每個觸控點都由一對（x，y）坐標來表示；而在自電容式系統(tǒng)中，觸控點x和y坐標的檢測是彼此獨立的。在互電容式系統(tǒng)中，如果出現(xiàn)兩個觸控點，檢測結(jié)果由（x1，y3）和（x2，y0）表示，但在自電容式系統(tǒng)中，是由（x1，x2，y0，y3）表示。因此在自電容式系統(tǒng)是無法確定（x1，y0）、（x2，y0）、（x1，y3）和（x2，y3）這些觸控點中哪一個是正確的。

　　CDC測量的基礎(chǔ)方法也對電容式觸控屏幕的工作方式造成重要的影響。有多種技術(shù)可用于信號擷取，例如弛張式振蕩器（Relaxation Oscillator）、CSA、Sigma Delta轉(zhuǎn)換器等，并各有其優(yōu)勢和缺陷。從互電容式測量的角度來看，它們都有一個嚴重限制效用的主要缺點：在測量周期中，矩陣里芯片和互聯(lián)之間的配線仍然對觸碰（熱點）很敏感。因為傳感器的邊緣配線會影響計算位置的信號，這種情形將導致測量中的位置錯誤，對測量極為不利。此外，它還會使從傳感器到驅(qū)動器芯片的布線連接幾乎只限于幾厘米之內(nèi)。上述問題中有些可以通過小心設(shè)計得到部分解決，但這也同時會對整體性能構(gòu)成嚴重影響。

　　以愛特梅爾（Atmel）的maXTouch為例，即采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)來進行CDC測量，能夠在電荷擷取過程中有效地保持接收線路零電勢，因此只須在主要傳感器區(qū)域中目標點上的發(fā)射電極X和接收電極Y之間轉(zhuǎn)移電荷。此外，還可把觸控屏幕附近乃至觸控屏幕表面上的局部濕氣或其它潛在導電材料的影響降至最低。

　　總括來說，以電極數(shù)組中互電容式測量為基礎(chǔ)的觸控屏幕解決方案不足以實現(xiàn)可靠的解決方案，而必須結(jié)合采用了電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)的穩(wěn)健CDC，才是迄今最好的選擇。

　　電極正交網(wǎng)絡(luò)為傳感器設(shè)計關(guān)鍵

　　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別一個或多個手指觸碰的傳感器，必須精心設(shè)計電極正交網(wǎng)絡(luò)。

　　圖樣化導體（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透明度，同時仍保持較低的奧姆電阻率。低電阻率十分重要，因為這樣一來，就有可能對數(shù)以10個皮法級（picofarad，10-12法拉）背景電容上出現(xiàn)的數(shù)以10個毫微微法拉級（femtofarad，10-15法拉）的微小變化進行快速測量。如業(yè)者所發(fā)表的QMatrix系采用電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)，它具有一項基本特性，即可以采用具有良好光學性質(zhì)的常用ITO來制作真正的矩陣傳感器，這里對觸碰敏感的唯一區(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)域大部分都是對觸碰不靈敏的。沒有這種特性，就不可能實現(xiàn)真正的多點觸控觸控屏幕，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的ITO材料：其必須有更低的電阻率和更出色的光學特性。這種更低的電阻率可降低行、列交叉點上的電壓降，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τ|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，但一般需要兩個分離層來實現(xiàn)正交網(wǎng)格。另一方面，玻璃雖然貴一點，卻允許單層設(shè)計，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。玻璃傳感器的機械穩(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。而整體目標是盡量減小傳感器邊緣配線尺寸，因為對小型可攜式設(shè)備而言空間彌足珍貴。

　　提高電極密度 實現(xiàn)電容式觸控筆應(yīng)用

　　傳感器設(shè)計的下一個考慮事項是終端應(yīng)用所需的分辨率。利用內(nèi)插法（Interpolation），可以相當準確地確定單觸控點的中心位置所在。不過，當須要分別識別幾個相鄰的觸控點時，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，這個要求源于對大拇指和食指指尖之間的距離進行測量，然后除以2。大量的用戶接口試驗顯示，從10～11毫米的間距是空間分辨率和不斷增加的傳感器復雜性之間的最佳折衷。對于單觸控點應(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，但有強大的論據(jù)顯示，為了實現(xiàn)真正出色的單觸控點電容式觸控屏幕，在其核心需要完全的多點觸控功能，以跟蹤和拒絕因不小心造成的觸控點。

　　還值得一提的是，傳感器的分辨率與每個軸向的電極數(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雜，也是很有益的。更多的通道，同時意味著會出現(xiàn)更高的訊噪比（SNR）。

　　高電極密度還能夠?qū)崿F(xiàn)另一項重要特性——被動傳導性觸控筆（Stylus）的使用（圖4）。通過正確的傳感器設(shè)計，結(jié)合最佳CDC方法和先進的觸碰跟蹤演算法，有可能采用尖端尺寸只有3～5毫米的簡單被動傳導性觸控筆。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。

　　觸控芯片與軟件相輔相成

　　良好的ITO傳感器設(shè)計固然十分重要，而一個真正的矩陣CDC也可為良好的多點觸控設(shè)備奠定基礎(chǔ)。不過，實現(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。

　　與其它設(shè)計一樣，觸控屏幕驅(qū)動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)計與實施環(huán)境的靈活性。同時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，但同時也會導致功耗升高。另外，電平轉(zhuǎn)換器是否須要連接主機？通信協(xié)議可否在未來擴展而毋須完全重寫驅(qū)動程序？也都須認真思考。

　　目前已有業(yè)者推出在芯片上整合完整電容式感測電路的解決方案，毋需外部元件支持電容式感測，并可盡量降低成本和印刷電路板（PCB）占位面積要求。該方案前端是一個定制電容式觸控引擎（CTE），完全能夠?qū)鞲衅鞯脑紨?shù)據(jù)進行不同的數(shù)字信號處理（DSP）工作，因此，只須在觸碰被確認和必須執(zhí)行更先進的算法時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。在整個工作電壓范圍上，均能夠通過常規(guī)通信端口進行系統(tǒng)內(nèi)升級，毋需額外的接腳或電路。

　　元件的布局靈活性是一項很重要的設(shè)計參數(shù)，一個好的矩陣CDC應(yīng)該不受到ITO連接的觸碰靈敏性（也稱為熱點跟蹤）的影響。從靈活性的角度來看，無疑是一大優(yōu)勢。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）；也可以遠離傳感器，置于一塊完全獨立的電路板上。在后一種選擇中，可以采用被動軟性材料來連接ITO和芯片，兩者間距離可達100毫米或更遠。

　　建構(gòu)最佳觸控屏幕的另一個關(guān)鍵因素是響應(yīng)時間。筆跡識別需要70～120Hz的XY更新頻率。其它情況，如使用虛擬鍵盤手指/大拇指同時鍵入，需要在不到100毫秒的時間內(nèi)向用戶提供積極回饋以實現(xiàn)準確輸入。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)報告首個確定的觸碰位置。除非精心設(shè)計感測電路，否則可能導致功耗過大，從而縮短電池壽命。

　　值得注意的是，對于最好的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。若選擇錯誤的CDC方法，芯片會因測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。

　　強化兩點以上多點觸控辨識度

　　至此，并沒有提及如iPhone所采用兩個觸控點以上的實例。消費者已經(jīng)熟悉了隨iPhone大為流行的放大和縮小手勢。不過，3、4乃至更多的觸控點又能帶來什么好處？問題不僅僅是設(shè)想什么手勢或應(yīng)用可使用這種功能，還在于控制器芯片如何能夠利用這種豐富的信息來實現(xiàn)一個更好的解決方案。

　　此類運用的一個例子是跟蹤觸控屏幕邊緣附近的多個觸控點，并將之歸類為禁止。這種功能可讓用戶隨意舒適地手拿小型產(chǎn)品，即使手指和屏幕有少許重疊也不影響觸控屏幕繼續(xù)正常工作。不過，這里暗藏微妙之處。必須對這些被禁止的觸控點進行跟蹤并使其保持被禁止狀態(tài)，即使它們誤入工作區(qū)域。這意味著控制器必須能夠同時唯一且明確地識別、歸類和跟蹤許多個觸控點。

　　多點觸控數(shù)據(jù)的另一個潛在用途是利用結(jié)構(gòu)化方法來識別觸控屏幕表面上的形狀。這一功能可帶來各種可能有用的觸控接口提升。識別鼻子、臉頰甚至耳朵的基本形狀，可進一步避免真實環(huán)境中可能由不小心產(chǎn)生的觸碰所造成的觸控屏幕錯誤。隨著更多的觸控點可被唯一地識別并報告給主處理器，設(shè)計人員將可利用多個觸控點數(shù)據(jù)，創(chuàng)造出更多創(chuàng)新應(yīng)用。

　　噪聲和系統(tǒng)問題

　　如前所述，電容式觸控屏幕控制器可測量出行、列耦合電容上的極小變化。控制器的測量方法對于控制器的外部噪聲易感性有著很大影響。

　　觸控屏幕常遇到的噪聲源之一是LCD本身。它在數(shù)微秒的上升/下降時間內(nèi)測得的瞬態(tài)電壓常常達到數(shù)伏特，這是極具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。有些不錯的方法可以抑制控制器芯片中的這種噪聲，如采用適當?shù)腃DC方法，就有可能從源頭上抑制大部分噪聲。第二種方案是在傳感器上增加一個屏蔽層，把噪聲隔離在電極之外。

　　這種方法可能造成傳感器過厚、過于昂貴。第三種也是更好的方法是采用一種新穎的傳感器電極圖樣，帶有兩個ITO層，并且自我向后屏蔽。這種方法非常有用，因為若前面板因觸碰壓力向接地板（比如LCD的前表面）彎曲，它能使傳感器具有抗電容變化的能力。

　　隨著顯示屏技術(shù)的發(fā)展，有機發(fā)光二極管（OLED）顯示屏等設(shè)備噪聲已較先前減小許多，且非常適于采用電容式觸控屏幕技術(shù)，以及單層或雙層傳感器設(shè)計。LCD技術(shù)也在不斷演進，適用性逐漸提高。

　　第二大棘手噪聲源是“不固定的”開關(guān)模式電源。當置于觸控屏幕設(shè)備附近時，其常常把相對于接地的數(shù)百伏特的50/60Hz失真波形電容式耦合到整個觸控屏幕設(shè)備中。當用戶接觸到設(shè)備時，傳感器高效率地變?yōu)殡娙菔椒謮浩鞯囊徊糠?，產(chǎn)生大量低頻噪聲，影響測量結(jié)果。此外，通過巧妙的芯片設(shè)計，可以從源頭基本上消除這種影響，并消除芯片上DSP功能帶來的剩余噪聲。

　　導入先進技術(shù) 電容觸控接口更友善

　　總而言之，以優(yōu)異DSP和微處理器為基礎(chǔ)的技術(shù)，可以實現(xiàn)高性能的電容式觸控傳感器數(shù)組，當用戶觸碰時，其能夠產(chǎn)生表面電荷變化的圖像。

　　通過以合適的CDC和互電容式組合為基礎(chǔ)的傳感器結(jié)構(gòu)和信號擷取技術(shù)，系統(tǒng)能夠具備抵抗系統(tǒng)干擾和背景加載有害源影響的強大能力。當獲得電荷圖像時，就可采用高效率的微處理器技術(shù)來處理數(shù)據(jù)，提供多個觸控點位置數(shù)據(jù)，或進行更高水平的處理，拒絕不小心造成的觸碰，或者解釋觸控屏幕表面上一個或多個手指移動所代表的手勢，這些手勢可用于簡化許多應(yīng)用中的用戶接口。

　　完全可編程芯片中的系統(tǒng)內(nèi)建可編程閃存解決方案包含微處理器和DSP功能及廣泛的可擴展通信協(xié)議，可為這類系統(tǒng)提供最高的靈活性。通過適當而有效地處理數(shù)據(jù)的擷取、處理和報告，可以在極低的功率預算中實現(xiàn)上述所有功能，適用于要求最嚴苛的電池供電應(yīng)用。