投射電容觸摸屏技術分析
目前投射電容式觸摸屏產品在歐美市場已經逐漸成為主流,出貨量不斷攀升。這也在很大程度上促進電容式觸摸屏產業鏈的完善和升級,隨著產業鏈的逐步完善,眾多供應商的加入,新材料、新技術和新工藝的應用,也必將帶來各項成本的下降,從而降低整體模組的價格,增加了產品的競爭力。在整個電容觸摸屏的成本結構中ITO Sensor 玻璃占據一半以上。因此ITO Sensor玻璃的價格走勢將左右電容觸摸屏的價格走勢,直接決定投射電容觸摸屏在觸摸行業中的競爭力。據某些電容觸摸屏模組大廠預測,2011年,觸摸屏ITO Sensor的價格將降到現在價格的一半。因此可以預見,在不遠的將來電容觸摸屏產品,尤其是小尺寸電容觸摸屏的價格將來會有明顯的下降。屆時,投射式電容屏將大幅擠占目前處于壟斷地位的電阻屏的市場,無論品牌機或是山寨機市場,電容屏必將成為主流。
當前市場上有許許多多能夠提供成熟的電容觸摸方案的供應商。其產品應用也五花八門,有觸摸屏,觸摸板,寫字板等。方案商主要分布在歐美,中國,日本,臺灣,韓國等地。在這林林總總的供應商中,各家專注的領域也有所不同,有專注于觸摸板的開發和應用,有在中小尺寸中深耕不止。其中Pixcir是唯一植根于中國,并專注于投射式電容觸摸屏,且產品覆蓋小,中,大尺寸,最大尺寸已經攀升到21.6英寸,且已經量產的的投射電容觸摸IC供應商。
投射式電容方案根據其掃描方式一般分為自電容和互電容兩種:
所謂的自容通常是指掃描電極與地構成的電容。在玻璃表面有用ITO(一種透明的導電材料)制成的橫向與縱向的掃描電極,這些電極和地之間就構成一個電容的兩極。當用手或觸摸筆觸摸的時候就會并聯一個電容到電路中去,從而使在該條掃描線上的總體的電容量有所改變。在掃描的時候,控制IC依次掃描縱向和橫向電極,并根據掃描前后的電容變化來確定觸摸點的坐標位置。自容式掃描的優勢是掃描速度快,掃描完一個掃描周期只需要掃描X+Y(X和Y分別是X軸和Y軸的掃描電極數量)根。其缺點是無法識別鬼點,不能做到真正的Real Touch。
如圖1所示:就是單指觸摸時的掃描原理。X和Y具有唯一性。
圖2: 就是利用自容的掃描方式,對雙指觸摸時的掃描示意圖。在觸摸屏上根據組合方式會有4組坐標,這也就是兩個真實的觸摸點和兩個所謂的鬼點。
這種掃描方式可以完成只需要單指觸摸和手勢縮放的識別功能,也就是說在不需要絕對真實多點坐標的產品,完全可以用自容的掃描方式來完成。
所謂互容,就是指在玻璃表面的橫向和縱向的ITO電極的交叉處形成的電容,如圖3。互容的掃描方式就是掃描每個交叉處的電容變化,來判定觸摸點的位置。當觸摸的時候就會影響到相鄰電極的耦合,從而改變交叉處的電容量,
圖3
互容的掃描方式可以偵測到每個交叉點的電容值,以及觸摸后的電容變化,因此他需要的掃描時間與自容的掃描方式相比相對來講要長一點。需要掃描檢測X* Y個數據。他可以真實的偵測到多點觸摸。
圖4是互容掃描模擬化的示意圖,
自容和互容有各自的應用領域,自容主要應用于只需要單點以及手勢縮放的領域,而互容則應用于需要真實多點的領域。Pixcir卻把兩種不同的掃描方式完美的結合在一起,形成了Pixcir的成熟的投射電容觸摸解決方案。
Pixcir于2008年在蘇州成立,其技術團隊來源于瑞士,擁有10余年的行業經驗。是較早的從事電容觸控技術研究科開發的公司之一。在該領域擁有數十項專利。其獨特的算法融合了自容和互容的優點,并具有優異的抗干擾性和良好的擴展性等優勢。其方案成熟并且經過量產的考驗。
一個成熟的方案應具有以下幾特點:
掃描方式
不論是自容還是互容的掃描方式,他都有各自的優點和缺點,成熟的方案就要把自容和互容的優點結合起來,充分發揮各自的優點,同時又屏蔽掉各自的缺點,
在正常以及單點觸摸的情況下,啟動自容掃描方式,充分發揮其掃描速度快算法簡單的優勢,而在多指觸摸的情況下,則啟動互容的掃描的方式,充分發揮其能夠識別真實多點的優勢。
手掌識別功能
由于個人習慣不同,有的人在寫字的時候有手掌放在紙上的習慣,因此就要求方案要具有手掌識別的功能。能夠識別出是手掌還是真正的觸摸。
由于電容觸摸屏的原理所致,當有手掌放在觸摸屏上的時候,也會有所識別。因此就需要方案具有足夠的智慧其識別和區分。
圖6為手掌識別的示意圖
抗干擾能力:
一般情況下電容觸摸屏是和TFT LCD一起配對工作,而且是放置在LCD的上面。
為了防止液晶老化,TFT—LCD在工作的時候,Vcom電壓一直處于翻轉的狀態,由于電容觸摸屏的工作原理所致,這個不停翻轉的電壓會對觸摸屏的正常工作造成影響,使其不能正常的完成工作。因此就需要對這個Vcom電壓進行相應的處理和屏蔽,有的方案是增加屏蔽層進行屏蔽,這也是使用比較多的方案。也有的方案是應用自身的算法和速度來處理和過濾掉Vcom干擾信號。相比較來講,前一種方案會相應的增加成本,而后一種方案則在成本上具有更加明顯的優勢。
圖7為Vcom干擾信號的事宜圖
具有良好的擴展性能
在架構上,目前的方案一般有兩種:一是MCU和Sensor IC集成在一起,另外一種是這兩顆IC相對獨立。前一種只能適應一定尺寸范圍的投射電容觸摸屏,而后一種方案則可以有更好的適應性,可以按照需求進行擴展,小尺寸就外掛一個Sensor IC,中尺寸就掛兩個,三個或者更多。以適應尺寸變化的需求。
接口協議通常有USB,IIC,UART等,如果一顆MCU能夠支持以上3種協議,那么無論是方案商還是代理商亦或是模組廠都會喜歡后一種模式。因為他只需要備兩種貨在自己的倉庫里面,一種是Sensor IC ,一種是MCU,這樣就可以通吃各種尺寸,各種接口協議的觸摸屏產品。這樣可以很好的規避因為備貨而帶來的資金壓力,減少風險。只需要更改不同的F/W,就可以完成花樣繁多的觸摸屏產品。
觸控面板加工的難易
不同的電容觸摸屏方案,有不同的產品結構需求。目前從Sensor玻璃ITO掃描電極的結構上分一般有兩種:一種是兩面結構,即:在玻璃的正面和背面分別有感應電極,一種是單面橋接的結構,即:電極全部在Sensor 玻璃的一側。單單從結構以及加生產加工的難易程度上講,單面的結構具有更廣泛的適應性,因為他完全可以使用目前已有的TFT—LCD的生產線去完成,并不需要任何的設備改造。而雙面Sensor結構產品在加工的時候會存在一些缺陷,在加工A面的時候,B面ITO容易受到傷害,因為在加工A面的時候,B面的ITO玻璃在加工的過程中要經受滾輪,頂針,毛刷等接觸和摩擦,勢必會對掃描電極造成一定的傷害,從而影響良品率,導致成本的上升。
觸控面板材料的廣泛性
目前電容觸摸屏的基材多數使用玻璃,因為玻璃的透過率比較高,加工工藝比較成熟,但是相對來講,成本比較高,而且這種玻璃被少數寡頭壟斷。
除了玻璃之外,另外一種透明的導電基材就是ITO Film(基材為PET),此種材料一直在電阻是觸摸屏的主要材料。使用PET材料來做電容觸摸屏的優勢之一就是材料成本便宜,他的缺點就是透過率稍微差一些,ITO阻抗比較大,而且阻抗的一致性比較差,由于材料的若軟性,給加工造成了一定的難度。從長遠來看,PET結構的材料是一種很好的替代材料,但前提是要有很好的方案能夠適應比較大的ITO阻抗和阻抗的不一致性。另外一個方面就是要盡快的提高PET材料的加工工藝,提高良品率。
綜合性能
以上幾點只是從具體的某個方面來談,一個方案是否具有競爭力,則不能單單從單個指標來衡量,而是需要綜合的去衡量。不能有出現短板的情況。
下圖為Pixcir的綜合性對的圖表
圖10 為1顆Tango(Sensor IC)綜合性能圖表
以上只是從方案的技術,材料以及工藝層面來講述。除此之外還有一個更重要的因素,那就是專利。專利一向是保護自己和遏制競爭對手的有力武器。但也成了行業發展的雙刃劍。
要想在電容觸摸屏行業有做發展和建樹,必須擁有自己的核心專利。可以憑借自身的專利進行專利互換和談判,或者專利共享。然而即使通過專利合縱,有時候還是避免不了被告的命運,專利共享的失敗,也讓寄希望于此來解決多點觸摸專利的廠商望而卻步。