摘要：电容式触摸屏的三维结构和电路原理决定了其优化设计的唯一途径是多元数值仿真。本文介绍了由Cypress Semiconductor和Ansoft共同研发的参数化CAD设计流程。该流程通过将三维结构参数化，极大的提高了运算效率，使得真正意义上的系统优化成为可能。
关键词: ITO, 触摸屏，touch screen, Q3D, 电容式触摸技术，capacitive sensing
iPhone 极具创意的界面设计预示着多点电容式触摸屏技术将成为今后几年消费电子技术中的一大亮点，尤其是手机，MP3，MP4 播放器和汽车GPS 等等应用领域。
同是源于电容式触摸原理，触摸屏相对于TouchPad 鼠标的难度在于触摸屏采用了高阻抗高透明度的ITO (Indium Tin Oxide, 铟锡氧化物) 材料，每条sensor 的电阻通常在10K 欧姆左右甚至更高，而TouchPad 是电阻只有几个欧姆的copper/PCB。
电容式触摸屏三维结构
触摸屏设计最重要的环节就是优化每一条sensor 的电阻和电容。要了解这个问题，需要先知道ITO 的工艺结构和sensor 平面版图。
图1. 抽象化的电容触摸屏工艺结构示意图
图１是常见的抽象化的双层ITO 工艺概图。从上到下分别是：
• 覆盖层 (overlay)：大多是钢化玻璃(0.4～1mm)，也有可能是PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。PET 的优势在于触摸屏可以做到更薄，而且比现有的塑料和玻璃材质更加便宜；
• 绝缘层（isolation）1/2/3：玻璃（0.4~1mm），有机薄膜（10~100um)，粘合剂，空气层；
• ITO：典型厚度50~100nm, 其方块电阻大约100~300 欧姆范围；
工艺三维结构直接关系到触摸屏的２个重要电容参数：感应电容（手指与上层ITO）和寄生电容（上下层ITO 之间，下层ITO 与LCD 之间）。 ITO 的厚度决定了其电阻率。
图2.电容触摸屏平面菱形版图（Cypress 专利）
图2. 是Cypress 的专利技术ITO 菱形图形。蓝色是上层ITO，黄色是下层ITO。这里面包含的主要关键电学参数是：纵向sensor 与横向sensor 之间的寄生电容；sensor的电阻值。Sensor 的电阻值取决于菱形块的大小，以及菱形之间的过桥宽度。
参数化设计思想
触摸屏设计的目标就是尽量减小电阻和寄生电容，并同时增加感应电容。系统优化设计包括结构优化和版图优化，涉及到十几个物理和电学变量。由于缺少解析表达式，复杂边界条件下的MAXWELL 方程组数值模拟几乎成为唯一的选择。 绝大多数数值计算软件需要直接输入三维结构图，有的甚至要求对边界的数值描述文件。另外，这种结构绝缘层以及ITO 极薄的厚度也会给仿真软件带来非常巨大的计算难度，甚至无法准确计算电学寄生参数。由于一系列困难，使得优化仿真的前端工作变得庞大，使整个优化设计变得几乎不可能。
针对这一设计瓶颈，Cypress Semiconductor Corp. 和Ansoft Corp. 探讨了一套设计流程，简单地讲就是利用Ansoft/Q3D 对版图和结构参数化，达到快速自动仿真优化的
设计目的。Ansoft/Q3D 通过采用多种先进的数值方法，能够得到基于物理参数的非常直观的标准RLGC 参数矩阵。对于设计者而言，RLGC 参数矩阵直接描述物理结构，因此更容易解设计的问题出处和关键所在，能非常方便的指引设计者设计的方向。同时，Ansoft/Q3D 提供了强大的参数化功能和参数优化功能，可以大大提高设计者的工作效率。
图3. Ansoft Q3D 生成的可参数化三维图形
图3 是ITO 触摸屏的一个单元。这个单元的所有2D 和3D 参数可以通过Ansoft 的Q3D进行参数化，包括ITO 的厚度，双层ITO 之间的间隔，以及菱形结构之间的间距和过桥宽度。结构参数化之后，设计人员可以根据不同情况对其中的一个或多个物理结构参数进行扫描式仿真；同时设计者可以使用Ansoft/Q3D 内嵌的优化算法，根据设计要求，自定义优化的目标参数，得到接近最优的物理结构参数。对于更为复杂的3D 结构，Ansoft/Q3D 也可以采用同样的参数化方法进行建立模型。可以想象，有了这样的一种先进的参数化CAD 设计流程，整个系统的优化设计可行性变得水到渠成。
设计流程
在我们给出的设计举例中，限于篇幅，仅仅列举出电容参数矩阵。在Q3D 的计算中，电阻矩阵的计算相对容易，消耗较小的计算机内存；而电容参数的计算，不仅仅是影响设计的关键因素，而且在Q3D 的仿真中消耗较多的计算机内存。下面只是列出电容计算的结果（1 和2 表示单元菱形结构编号，其实C[1,1]和C[2,2]是1 和2 两个菱形的自电容参数，C[1,2]和C[2,1]表示互电容）。
首先，假定其他结构参数不变，通过Q3D 计算电容矩阵参数随着ITO 厚度的变化。从下面结果可以看到，ITO 的厚度对于电容参数的影响很小。
对于绝缘层厚度也是设计中需要考虑到重要因素，因此我们计算ITO 之间绝缘层厚度对于电容参数的影响。从Q3D 计算的结果果可以看到，电容参数随着绝缘层的厚度成近似正比例增长。其实从平板电容的角度思考，这些结果是能够自洽的。
并且，我们计算了上下菱形之间缝隙尺寸对于电容参数的影响。这个部分也是计算中最难确定的一部分。可以看到Q3D 可以准确的给出缝隙对于电容参数的影响。
以上数据给设计者提供了设计方向，更重要的是能够帮助设计者得到准确的电学参数。通过这些最优单元电学参数的计算，并结合使用Ansoft 的另外一个工具Designer，就可以完成整版的电学参数计算，并在Designer 里面计算驱动端到任何一个节点单元之间电学参数以及电路响应。驱动端读取这些电学参数，就可以实现触摸屏的响应。
最后，我们给出一个利用Ansoft/Q3D 实现设计的典型流程。
上面的流程整个触摸屏设计制造的一部分，是设计触摸屏的性能是否能够达到要求的最重要的部分。这个CAD 流程的使用者可以是触摸屏生产商，也可以是提供解决方案的芯片供应商。其关键价值在于极大的缩短了从结构到版图设计优化的整个流程。(end)
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