低成本電容式觸摸屏技術(shù)

電容式觸摸屏技術(shù)在廚房設(shè)備中的應(yīng)用已經(jīng)有幾年了，例如在烤箱和煎鍋的不透明玻璃面板后面采用分離按鍵實(shí)現(xiàn)。這些觸摸屏控制鍵逐漸替代了機(jī)械按鍵，因?yàn)楹笳呔哂惺褂脡勖獭⒉粔蛐l(wèi)生等方面的問(wèn)題，而且還有在面板上開孔安裝按鍵的相關(guān)成本。

電容式感應(yīng)技術(shù)由于具有耐用、易于低成本實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，而逐漸成為觸摸屏控制的首選技術(shù)。此外，由于具有可擴(kuò)展性，該技術(shù)還可以提供其它技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的用戶功能。在顯示屏上以軟按鍵方式提供用戶界面，這通常被稱為觸摸屏。量研科技(Quantum Research)公司在觸摸屏技術(shù)方面的發(fā)展為新設(shè)備的設(shè)計(jì)打開了大門，并將日益成為市場(chǎng)主流。

圖1：“電荷轉(zhuǎn)移”技術(shù)原理示意圖。

采用量研的電容式觸摸屏感應(yīng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的設(shè)備用戶輸入功能和應(yīng)用范圍包括：按鍵數(shù)量較少(最多10個(gè))的分離觸摸屏按鍵應(yīng)用，一般用作簡(jiǎn)單的開關(guān)功能按鍵，但也可以定制提供“手勢(shì)”類的輸入，例如滑動(dòng)-打開功能以減少意外操作;針對(duì)多按鍵應(yīng)用的矩陣觸摸屏按鍵(最多48個(gè))，一般用在需要很多用戶功能按鍵的應(yīng)用中，也可以用于開發(fā)低分辨率的滾動(dòng)功能器件;空間維度控制器件，如線性滑動(dòng)鍵或轉(zhuǎn)盤;用于增加/減少溫度或時(shí)間設(shè)置，可以使用絕對(duì)器件 (一次觸摸屏來(lái)設(shè)置特定值)，或者相對(duì)器件(感測(cè)手指的移動(dòng)來(lái)增加或減少一個(gè)設(shè)置點(diǎn));用于軟按鍵的固定按鍵觸摸屏;在顯示器上提供透明的固定位置/尺寸按鍵。可以按透明/非透明按鍵組合形式實(shí)現(xiàn)，由一個(gè)芯片驅(qū)動(dòng);用于完全可重配置軟按鍵的模擬觸摸屏，顯示屏上完全可重配置按鍵(大小和位置)報(bào)告x-y方向上的觸摸位置，用于主控制器后續(xù)處理。

圖2：使用QT240芯片的典型分離按鍵實(shí)現(xiàn)原理圖。

本文將主要介紹電容式觸摸屏的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，此外，還介紹了傳統(tǒng)的電容式觸摸屏功能。

技術(shù)背景

很多電容感應(yīng)技術(shù)在不同程度上取得成功應(yīng)用，量研科技的電容式感應(yīng)技術(shù)是基于“電荷轉(zhuǎn)移”技術(shù)。這種技術(shù)提供了非常高的魯棒性，全數(shù)字感應(yīng)非常適合廚房環(huán)境，因?yàn)樗哂性诒尘霸肼曋斜孀R(shí)信號(hào)的優(yōu)越辨識(shí)能力。這意味著即使對(duì)于非常厚的前面板，電荷轉(zhuǎn)移感應(yīng)技術(shù)的工作性能也非常好。

量研的矩陣芯片通過(guò)將電荷吸入到雙電極按鍵的一個(gè)電極來(lái)工作(圖1)。電荷弧產(chǎn)生的電場(chǎng)穿透上面的玻璃面板進(jìn)入到接收電極，該電極將電荷傳送到芯片。當(dāng)接觸玻璃面板的表面時(shí)，一部分電荷被人體吸收，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度降低。這樣當(dāng)出現(xiàn)人體接觸時(shí)，芯片便能很容易地檢測(cè)到。當(dāng)人體接觸時(shí)，水膜具有相反的效應(yīng)，實(shí)際上增加了電極之間的耦合，這是因?yàn)樗み\(yùn)動(dòng)的方向與芯片能檢測(cè)到的方向相反，因此在廚房環(huán)境中常常出現(xiàn)的水效應(yīng)被抑制。

圖3：攪拌機(jī)觸摸屏表面的復(fù)合驅(qū)面效果

電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程通過(guò)一種微處理控制的開關(guān)序列以一種突發(fā)的模式進(jìn)行。擴(kuò)頻調(diào)制大大增加了信噪比，因而功率更低、響應(yīng)時(shí)間更快以及EMC改善顯著。采用這種技術(shù)可以輕易地達(dá)到100V/m的RFI容限。這些器件還不斷地對(duì)在設(shè)備使用壽命內(nèi)環(huán)境條件的改變進(jìn)行補(bǔ)償，使得它們即使在很高的溫度和濕度變化下也能獲得很高的可靠性。

量研在其面向設(shè)備的芯片中集成的一種額外功能，即連續(xù)的FMEA(故障模式和影響分析)感測(cè)及報(bào)告，在這里系統(tǒng)主處理器可以使用QMatrix芯片來(lái)自診斷整個(gè)傳感器模塊的開路或者短路情況。這個(gè)報(bào)告對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的FMEA確認(rèn)都是至關(guān)重要的。

基于量研電容式感應(yīng)技術(shù)的觸摸屏按鍵

在過(guò)去的幾年時(shí)間內(nèi)量研開發(fā)并完善了分離和矩陣按鍵芯片，為在設(shè)備前面板背面實(shí)現(xiàn)觸摸屏按鍵提供了一種便利方法。當(dāng)連接到QProx芯片時(shí)，介電材料背面上的任何導(dǎo)電材料都可以作為一個(gè)傳感器按鍵。QProx板設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，通常是單面板，可以使用像CEM-1或者類似的低成本材料。采用單面板的實(shí)現(xiàn)方式通常是直接將板子粘合到前面板的背面-電極在PCB的反面，通過(guò)PCB、膠合層以及前面板進(jìn)行感測(cè)。

圖4：QWheel旋轉(zhuǎn)觸摸屏傳感器電路布局。

在需要特定的用戶效果時(shí)，可以采用更多有關(guān)的構(gòu)造技術(shù)。一個(gè)較好的例子是Jenn-Air公司的Attrezzi攪拌器。這個(gè)攪拌器的模子內(nèi)部裝飾技術(shù)與一種導(dǎo)電墨一起使用來(lái)在曲面的背面提供一個(gè)感應(yīng)層(圖3)。

采用電容式感測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)器件

觸摸屏輸入滾動(dòng)/指示功能器件，例如iPod音樂(lè)播放器上的點(diǎn)擊式轉(zhuǎn)盤，這類器件在消費(fèi)市場(chǎng)已經(jīng)獲得廣泛的認(rèn)可，正在逐漸出現(xiàn)在消費(fèi)設(shè)備市場(chǎng)。有兩種基本類型的滾動(dòng)器件：第一種是絕對(duì)報(bào)告類型，提供直接位置輸出報(bào)告;另外一種是相對(duì)類型，這類器件提供用來(lái)增加或減少某個(gè)值的直接報(bào)告。

量研開發(fā)出這兩類滾動(dòng)器件，用于設(shè)置時(shí)間(圖5)及溫度等。

最近，電容式電荷轉(zhuǎn)移技術(shù)再次被用來(lái)提供滾動(dòng)器件的信號(hào)采集方案。對(duì)于絕對(duì)器件，滾動(dòng)鍵被做成直線型或者圓形，或者任意其他形狀，這種形狀由阻抗傳感器元件定義，采用三端連接(像直線或弧形這種非封閉形狀可以看成是切開的圓形，圓的兩端作為公共電極)。阻抗元件可以是連接到PCB上焊盤的串聯(lián)電阻，或者采用透明塑料(PET)阻性印制線上的ITO以透明形式實(shí)現(xiàn)。相對(duì)報(bào)告器件使用重復(fù)的按鍵帶，通過(guò)測(cè)量觸摸順序來(lái)確定和報(bào)告方向。

用于廚房環(huán)境的觸摸屏

消費(fèi)電子制造商惠而浦公司第一次引入了一種難以破壞的電容式LCD觸摸屏技術(shù)。實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用的新型感應(yīng)方法為制造商提供了一種開發(fā)清潔、實(shí)用、可靠且令人愉悅的產(chǎn)品的工具，激發(fā)了全新的設(shè)備概念。惠而浦公司的Velos(tm)烤箱就采用了這些新特性，使其工業(yè)設(shè)計(jì)的效果最佳。該公司通過(guò)采用本身包含了觸摸屏LCD和固定觸摸屏按鈕的單個(gè)玻璃烤箱門，在廚房設(shè)備領(lǐng)域開創(chuàng)了新的天地。在他們的設(shè)計(jì)中，常見(jiàn)的固定控制鍵盤正在消失，所有的東西都封在玻璃門里面。

圖5：三星微波爐應(yīng)用QWheel控制技術(shù)。

量研開發(fā)了針對(duì)這種設(shè)計(jì)的新型QField技術(shù)。用于廚房應(yīng)用的主流技術(shù)是基于該公司的電容式矩陣器件，這種器件采用前面介紹的被動(dòng)X-Y掃描來(lái)感測(cè)按鍵觸摸。通過(guò)開發(fā)出成本可接受的感測(cè)薄膜，從而實(shí)現(xiàn)了Velos產(chǎn)品的創(chuàng)新，這種薄膜可以附著在LCD上玻璃面板的背面，而不需要開孔。量研改進(jìn)了其電容式矩陣按鍵掃描芯片(QMatrix)，將按鍵感應(yīng)功能整合到透明的觸摸屏薄膜上，并將其他的觸摸屏按鍵整合到LCD的兩面上，而這些都只需要使用一塊芯片。在Velos產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，量研提供了支持在LCD上的10個(gè)菜單按鍵以及在LCD一側(cè)的22個(gè)固定按鍵的解決方案。

QField技術(shù)具有不易破壞的特性以及高透明度，因此采用該技術(shù)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不容易被尖利的物體、腐蝕性的化學(xué)物品以及洗滌混合物所損傷?；荻止緞?chuàng)新性的LCD觸摸屏可以通過(guò)無(wú)縫的完整曲面玻璃烤箱門來(lái)觀察，玻璃烤箱門本身成為觸摸面。觸摸屏周圍不需要密封，將LCD放置在玻璃的后面，這樣大大節(jié)約了產(chǎn)品的組裝成本，也消除了電阻觸摸屏在應(yīng)用中可能存在的故障。而且，觸摸屏芯片只需要安裝在單面PCB上，這又降低了產(chǎn)品成本。

很明顯的事實(shí)是，盡管電阻式觸摸屏增加了可很多功能特性，但是可能影響整體的設(shè)計(jì)美學(xué)。很多使用電阻式觸摸屏的設(shè)備看起來(lái)好像很便宜，但與其實(shí)際成本并不相符。電阻式觸摸屏在被刮擦和產(chǎn)生裂紋后會(huì)很快老化。

此外，廚房設(shè)備的成本也很關(guān)鍵。QField技術(shù)在實(shí)現(xiàn)上沒(méi)有任何技術(shù)壁壘，因?yàn)樗褂靡活w感測(cè)芯片和低成本的常用材料及構(gòu)造方法。與電阻式觸摸屏相比，QField技術(shù)的整體系統(tǒng)成本更低。