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电容式触摸屏系统设计中需要实际考虑的问题

作者：Cypress半导体公司 Yi Hang Wang

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随着消费移动通信设备越来越多地采用数字方式和集成更多的功能，对于设备的设计来说，开发直观的创新型用户接口(UI)方案变得更为重要。作为用户接口设计的一部分，投射式电容触摸屏有助于应对这一挑战。

要设计一款成功的投射式电容触摸屏系统，需要仔细考虑设备的机械设计、基底选择和用户接口，另外，在设计过程的所有阶段都不能忘记在成本和技术之间进行折衷。

与电阻式触摸屏技术不同，投射式电容触摸屏更易于处理手指的动作，特别是多点触摸的用户输入。电阻技术需要依靠手指压力使触摸屏的多个机械层产生电气接触。

这种操作方法会影响手指滑动的流畅性和手势操作的灵巧性。另外，电阻式触摸屏的多层机械结构易于因重复使用而较早产生磨损。

用投射式触摸屏实现的几种常见的多点触摸手势包括手指的张合、缩放、双指的滑动和旋转。它们可以快速方便地处理数据、内容和用户参数。便携游戏和文本/电子邮件应用也可以利用多点触摸技术。在一个多指触摸过程中，多触点APA(全点可寻址)模式可以精确地测定每个手指所按压的坐标位置。

不用先按Shift更换字符集然后再输入实际字符，多点触摸可以同时点击Shift+实际字符。多点触摸方式在GPS导航中也有广泛的应用。不用输入起始地和目的地，APA可在屏幕上实现目标位置的选择，让人们更快地到达目的地。图1演示了多点触摸操作可能出现的一些情况。

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图1. 多点触摸屏可以接受用户的多种手势

要评价一个设备的机械设计，必须解决几个关键问题：

1. 防护层(触摸表面)是平面还是曲面？

通常建议把电容式触摸屏安装在平板式触摸表面上。曲面会增加复杂性。要实现鲁棒的电容式触摸设计，透明的触摸传感器必须整齐地夹在防护层的下面。因压合不均匀而产生的任何气泡都会降低触摸性能并影响产品的美观。

曲面防护层只能以PET(聚脂)作为触摸传感器的基底。塑料传感器可通过弯曲来适应防护层的外形。如果必须使用曲面的防护层，从反射的角度看，建议曲率不超过45度。曲率增大会增加压合工艺的难度，并可能损坏ITO(氧化铟锡)图案，进而可能会影响成品率。

使用压敏粘合剂(PSA)来实现压合较为便宜，但它不能用于曲面防护层。要保证更好的压合完整性，可能须使用更为昂贵的UV固化粘合剂。UV粘合剂价格昂贵，但使用方便、粘合层薄，并具有非常高的光学品质(透明度大于95%)。

2．防护层非工作区(不透明区)的边沿宽度为多少？

对尺寸小于4英寸(10厘米)的触摸屏，触摸屏的边沿宽度，在触摸传感器尾线一侧应不窄于10mm，与尾线侧毗邻的两侧应不窄于3mm。这个边沿空间用于隐藏把透明的ITO图案链接到控制电路的非透明银质箔线并隐藏控制电路本身。对于使用玻璃基底的触摸屏，边沿的宽度或许可以做得更窄，但仍建议使用上述指导原则。图2 描述了这些指导原则。

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图2：对触摸屏非工作边沿区的要求

3．保护层使用什么材料？

在触摸屏工作区域内，保护层和任何装饰品都不能使用导电性材料。

因为使用导电性材料会屏蔽电容传感器的电场，并极大地降低传感性能。保护层的厚度应为1mm或更薄。

4．保护层底面与液晶显示模块(LCM)之间的距离是多少？

由于便携通信设备外形纤巧，液晶模块(LCM)与保护层之间的间距需要重点考虑。必须有足够大的空间来安装薄的触摸屏传感器，另外还需要有足够大的气隙来避免触摸传感器受到来自LCM的电磁干扰。建议在触摸传感器基底和LCM之间至少留0.5mm的间隙。

5．如何处理静电放电(ESD)?

为防止在触摸表面上发生静电放电事件，必须设置一条贯穿整个设备的低阻抗接地路经。应使用放置在防护层非工作边界区中的接地环来保护触摸传感器。

接地环可以是简单的金属箔。必须保证在接地环和设备的系统地之间存在可靠连接。

在完成了机械评估之后，必须为触摸屏选择一个合适的基底。图3 显示了投射式电容触摸屏的一个典型ITO图案。

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图3：典型的ITO图案(红蓝表示两个不同的层)

投射式电容触摸屏基底的两种主要材料是玻璃和PET(聚酯)。这两种材料各有优点，如果设备的机械设计对基底选择没有特殊要求，则应根据你的营销策略选择最适合你的产品的基底。表1给出了两种基底的特性对比。

表1：玻璃基底和PET基底的特性对比
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玻璃基底通常用于对光学性能和环境耐受力要求高的应用系统。在大多数应用中，玻璃基底触摸传感器与反射系数接近的钢化玻璃保护层搭配使用。另外，通常用防炫目、防反射和防划擦涂层对保护层进行处理，降低反射量并进一步提高光学性能。透明度用于定义通过某种材料的光线量。反射系数用于度量光线反射量。

所有投射式触摸屏都包含图案状的透明ITO导体。理想情况下，ITO图案的反射率等于没有ITO图案的箔线间隙的反射率，这样能保证导电的ITO箔线不可见。玻璃触摸传感器和保护层也可以通过化学处理来提高抗跌落冲击的能力。同PET相比，玻璃基底的投射式电容系统通常更昂贵。

使用PET基底的主要好处是薄、压合成品率高且结构更轻。当然，PET触摸屏系统的成本大大低于类似的玻璃基底方案。薄膜基底通常与相对便宜的PMMA保护膜配合，这种保护膜强度低，表面易于被划伤。

为了了解在PET和玻璃触摸传感器之间的成本差异，有必要考察两者在不同制造阶段的成品率。在触摸传感器的制造过程中，ITO被喷覆在玻璃/PET基底上，在基底表面形成细密的ITO沉积薄层。然后，需要制造一个用于生成ITO图案的光掩膜，为下一个处理阶段做准备。

在蚀刻工艺中使用光掩膜来清除不要的ITO，产生所要求的ITO图案。对于双基底投射式电容触摸屏来说，最坏情况下的制造成品率由下列方程给出。

成品率投射式=喷覆成品率x蚀刻(X)成品率x喷覆成品率x蚀刻(Y) 成品率+压合成品率

生产经验表明：

喷覆成品率(PET)>喷覆成品率(玻璃)
蚀刻成品率(PET)>蚀刻成品率(玻璃)
压合成品率(PET)>压合成品率(玻璃)

另外，为提高玻璃触摸传感器的机械强度而进行的化学处理工艺也将潜在地影响其成品率，而基于PET的方案则不涉及这个问题。

对投射式电容触摸屏设计而言，另一个非常重要的考虑因素是用户接口。电容式触摸屏不太适合使用触摸笔。人们目前正在研究两种新型的电容触摸笔，一种采用导电橡皮，另一种采用导电电介质，但这两种方案是否能提供结实、易用且便宜的触摸笔，前景还不太明朗。

另外，电容触摸将受到手指和触摸屏之间接触面积的影响。尖头的触摸笔不能产生手指的电容性信号。电容性触摸屏大多是为实现手指操作而设计的。利用电容触摸进行网页浏览是一种要求手指准确选择的应用。在网页中，许多链接紧密地排列在一起，似乎很难准确选择想要的链接。

接口设计的一种方法是允许用户依次滚过链接选项，在滚动过程中每个链接被交错放大以便能容易的进行触摸选择。用户可以方便地触摸放大后的选项来访问某个链接。

另一种方法是放大靠近手指触摸点的所有链接，这样用户可以从放大的链接集中选择需要的链接。总之，用户接口设计应考虑与手指大小、移动及定位有关的不确定性。

人手重复按压的精度通常为3-4mm，产生偏差的部分原因是眼睛和手指之间的视差和人的灵巧性差别。图标/按钮的直径最好大于5mm。按钮也应该充分分开以改善可用性(最少5-10mm)。如果打算用拇指来操作按钮，按钮应更大一些，间距也应更远一些。另外，应适当地向用户提供某种形式的视觉、听觉或触觉反馈，以指示选择是否正确。反馈不及时将降低用户输入的准确性。

触觉反馈型触摸屏对固态触摸屏上的手指按压行为产生触觉反馈。它使用振动电机(执行器)向用户提供反馈。在移动设备中，最常见的执行器是偏心旋转质量执行器(Eccentric Rotating Mass Actuator)和线性谐振执行器。对于一个触摸行为，投射式电容触摸屏的表面将振动，指示已经检测到一个输入。可依据输入反馈的类型调节振动的强度和持续时间。

对于用户接口，最基本的设计要求是简单，让用户只需进行很少的几次屏幕点击就可完成常见任务。这不仅可以产生更愉快的用户体验，也可以降低初学难度。

对于投射式电容触摸屏系统，机械评估、基底选择和用户接口设计都是非常重要的考量因素。理解这些机械约束可为基底选择提供依据，并保证触摸屏提供最高的性能。基底选择是一个在成本、鲁棒性和光学性能之间进行折衷的问题。简单、直观及手指选择图标的尺寸恰当是保证用户接口易用的基本条件。周密地考虑触摸屏设计的各个方面可保证终端产品的成功，并极大地降低开发风险。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/24/2008)


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