触摸未来：投射电容式触摸屏引领新市场
John Feland
(新思国际，美国加利福尼亚圣克拉拉市)
摘要：在苹果iPhone和LG普拉达手机触摸屏成功运用的激励下，投射电容式触摸屏可以很好地被各种应用所采用。下文是这项技术的概述以及在您的产品中如何决定用哪种类型的投射电容式触摸屏。
关键词：投射电容式触摸屏；电容式触摸屏；触摸屏
中图分类号：TNl41 文献标识码：A
2007年3月LG普拉达手机(见图1)以及随后2007年6月的苹果iPhone、2007年9月的iPOD触摸屏、2007年10月的三星Yepp YP—P2等产品(见图1))的发行向世界传递了一个信号，即透明投射电容式触摸屏已经做好被大量应用的准备。在2007年之前，透明投射电容式技术只是一项具有很小影响力的小生境技术。
图1 LG普拉达手机(a)和三星Yepp YP—P2媒体播放机(b)是采用投射电容式触摸屏的首批消费类电子产品中的两个
据估计2006年投射电容式触摸屏在全世界的总销售额低于2，000万美元；但是随着此类触摸屏技术的发展，逐渐开辟出了通向各种平台的道路，消费类电子厂商通过多媒体市场采用这项技术，来改变终端用户的体验，使得2008年销售额增为原来的5倍。
在各公司探索这项日渐成熟的技术，并应用于他们产品的时候，一些问题也产生了，例如：哪种投射电容式传感器适合我的应用，什么是玻璃和塑料衬底之间的交替使用。以上这些问题，还有一些其它问题将在下文进行介绍。
1 电容触摸屏
主要有两种类型的触摸屏采用电容传感作为主要输入方法：表面式电容和投射式电容。表面电容触摸屏采用一层铟锡氧化物(ITO)，外围至少有四个电极。当一个接地的物体靠近时，例如手指，这些电极能够感应表面电容的变化。3M微触公司(3MMicro—Touch)作为该技术的最主要供应商之一，这种方法很长一段时间被用在信息亭触摸屏上。
但是表面电容式触摸屏有一些局限性，它只能识别一个手指或者一次触摸。另外，考虑到电极的尺寸，对于小尺寸屏幕(如那些用在手持式平台上的屏幕)是不切实际的。
传感器利用触摸屏电极发射出的静电场线称为投射电容式触摸屏。一般用于投射电容传感技术的电容类型有两种：自我电容和交互电容。
自我电容又称绝对电容，是最广为采用的一种方法。它把被感觉的物体作为电容的另一个极板。该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，从而被感觉到。所测量的电荷存储在结果电容耦合中。图2表示了上述原则是如何工作的。
图2 自我电容触摸屏工作过程示意图
交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容。当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变被感觉到，从而报告出位置。在汽车应用中交互电容传感器作为传导性传感器被广泛用作汽油调节。
数百万种自我电容方法在人们日常生活的位置传感中被采用。例如当今的笔记本电脑上触摸输入板到处存在。最典型的笔记本电脑触摸输入板采用X×Y的传感电极阵列形成一个传感格子。当手指靠近触摸输入板时，在手指和传感电极之间产生～个小量电荷。采用特定的运算法则处理来自行、列传感器的信号来确定被传感物体(此处指的就是手指)的位置。
在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法设计，以便在任何给定时间内都可以探测到触摸，该触摸不仅局限于一根手指，也可以是多根手指。
不透明投射电容式传感器可以用在很多设备上，如触摸输入板和投射电容式触摸屏，其操作的基本原理是一样的。其不同之处在于传感器电极的材料、传感器衬底、制造方法，以及方法堆栈中的很多问题。触摸输入板可以用不透明材料制造，如采用金属或者传领域的碳基电极。投射电容式触摸屏，必须是透明的，因此，经常用与基于电阻式触摸屏的透明导体相同的材料来制造，例如ITO。
但是，与电阻式触摸屏不同，投射电容式触摸屏不需要层与层之间的空气间隔，或者不需要令任何层变形，因此，传感器可以采用坚硬的玻璃或者塑料衬底。投射电容式和电阻式触摸屏构造的关键不同之处是有关ITO的要求，投射电容式触摸屏的ITO是作为后一层定型在前一层上，而不是像电阻式触摸屏一样采用连续的膜淀积。虽然增加了工艺复杂程度，但是考虑到采用投射电容式触摸屏的好处，还是非常值得的。
例如，Synaptics在媒体播放器的清除键传感器上采用新奇的金刚石模式。X轴方向的传感器形成一层，Y轴方向的传感器形成另外一层，然后加上接2 控制器是关键地层或者保护层来完成，如图3所示。
图3 Synaptics用于清除键传感器上的金刚石模式
在玻璃和塑料衬底的选择上并没有明显区别。都可以层积在塑料或者玻璃镜头(屏幕保护)上，这些取决于原始设备制造商的产品设计。玻璃相对厚点、重点、贵点，但是整体坚硬些，可以潜在地降低设备其余地方的成本。玻璃比塑料的透射系数高，尽管两种材料都比同尺寸的电阻式触摸屏高。塑料传感器相对薄些，并且比较容易层压在产品镜头上(因为把柔性材料层压在硬性材料层上比层压两层硬性材料容易些)。既然制造方法类似，玻璃和塑料衬底都可以用来制造自我电容触摸屏和交互电容触摸屏。
大部分传感器供应商采用连续同一批溅射工艺在衬底上刻蚀lT0图形。
3M微触摸公司于2007年宣布了卷对卷制造投射电容传感器的可能性。过去，虽然刻蚀这种图形的技术已非常成熟，但是会引起触摸屏表面的反射系数有所不同，当光线划过表面时会造成图形可见。最近获得的反射系数更加匹配，而且传感器图形几乎不可见。
表面电容式触摸屏在小尺寸生产时具有实际的局限性，而投射电容式触摸屏在大尺寸时具有局限性。
传感器电极必须离得足够近，这样手指可以影响至少两个电极的电场线从而确定手指的位置。同样地，伴随着屏幕尺寸的增大传感器电极的数目也需要按照相应的几何比增大。随着投射电容式触摸屏尺寸的增大，需要发送回控制器的传感器电极的数目会迅速增加，同样迫使传感器的非活动边框扩大。有一些窍门可以制造大尺寸投射电容式触摸屏，但是这些设计到目前为止并没有在真实产品中得到验证。
2 控制器是关键
如果没有控制器，传感器只是一片没有作用的塑料或者玻璃。与每一个物品上的(从应用处理机到MP3解码芯片)的电阻式触摸屏控制器的增殖性和综合性相比，投射电容式触摸屏仍然需要专门的芯片来驱动传感器，以及解码一根手指或多根手指在触摸屏上的位置。
Synaptics在市场上接受清理键模块的途径是采用自我电容技术，该技术是从已经使用的数百万笔记本触摸输入板借鉴来的。Synaptics控制器使用的传感设计是这样的，先测验X轴上的每一个传感器轨迹，随后测验Y轴上的每一个感器轨迹，找出每一个轴上的最大电容点。这种技术可以屏蔽同度噪音，如湿度、温度的变化或者外界噪声源(比如60Hz的线性噪声)。
苹果公司在iPhone和iPod触摸屏中采用的是交互电容技术。Apple／Broadcom控制器使用的传感设计是刺激Y轴上的每一条线，一次刺激一条。对于每一条Y轴线，控制器测量该条线和每一条X轴线处的交点电容。结果就是无论什么映像都是正在触摸700X—Y交点处的表面。但是，这种技术相对于自我电容技术对环境噪声非常敏感。到目前为止，以上的控制器供应商名单中并没有用于已发布的产品，所以并不知道他们采用什么技术。
3 丰富的手势调色板
一般来说，要是想推动投射电容式触摸屏被广泛采用，首先要使丰富的手势调色板成为可能。原始设备制造商产品发展组的用户体验和用户界面设计者们非常渴望这种新能力。直觉手势的运用为减少当今用户设备的复杂度提供了巨大希望。
人们常常会问这样一个问题，手势处理会在那里发生呢?手势可以在四个地方进行处理和解码：在触摸屏控制器中，在独立CPU或DPS中，在主机CPU触摸屏驱动器中或者在主机CPU正在运行的应用设备中。在玻璃衬底和塑料衬底的对比问题中，并没有绝对的答案，每一种结构都各有优劣。在苹果iPhone中，触摸屏芯片是由两块独立的芯片组成：一个Broadcom模拟处理器，用来处理从传感器传过来的原始模拟信号，将他们转变成由多个X、Y点坐标值组成的数据流；另一芯片是NXP(飞利浦)ARM一7 CPU用来将数据流解码为相应的手势指示。在苹果iPod触摸屏中，上述两块芯片联合成一片芯片，又叫做改进型Broadcom芯片，包括了模拟和数字内核。苹果公司选择独立CPU处理手势而非主机CPU的一个原因是这样可以确保快速的对手势作出反应。iPhone一共包括五、六个独立的ARM内核。所以很显然整个产品架构是分布式计算。
在三星Yepp YP—P2媒体播放机中Synaptics采用了一种不同的方法。媒体播放机的功能比智能电话简单很多，因此媒体播放机一般只有一个CPU，这样限制了可能的手势处理选择的范围。三星Yepp YP—P2媒体播放机采用SynapticsChiralMotion手势作为仔细寻找各种应用的主要方法。(ChiralMotion是一种智能化虚拟滚动手势，允许用户通过改变手指运动弧线的速度和半径来控制ChiralGesture识别发生在主机CPU正在运行的触摸屏驱动器上。驱动器向用户界面通报用户意图，这样用户界面应用可以满足用户在播放机的其余应用上穿梭触摸，这样不仅美观而且使用简单。
4 结论
对于未来的掌上设备而言，投射电容式触摸屏是最有前途的交互作用方法。更薄，更稳健，比电阻式更清晰，支持多手指手势应用，推动工业设计一体化，这样看来下一代触摸屏很可能会广泛应用。可利用选择自我电容、交互电容、底玻璃，底平板塑料、底曲面塑料等的多种组合为原始设备制造商在如何结合这项日渐成熟的技术方面提供了巨大的弹性。
我们已经看到很多掌上设备制造商关于投射电容式触摸屏的实验，不仅可以通过他的设计来识别，还可以通过用户的体验来识别。我们期待市场上这类成功产品尽快上市。
