CN102073425A - 触摸屏的触控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种触摸屏控制系统，包括触摸屏、触摸感应电路、取样保持电路、多路器、模数转换器和控制器，所述触摸屏的输出信号经过电荷感应电路感应，输出缓冲到取样保持电路中，取样保持电路对该信号进行取样处理，通过模拟多路器将储存的信号依次供应给ADC转换器，转换后的数字输出被发送到MCU控制器进行数字处理。

Description

触摸屏的触控系统

技术领域

本发明涉及触控技术领域，更具体地，本发明涉及一种触摸屏及其触控系统。

背景技术

投射式电容式触摸屏是苹果公司于2007年发布的技术，其移动蜂窝电话iPhone是首个采用投射式电容式触摸面板的工业应用。通过进一步提高投射式电容式触摸面板的耐久性、可靠性和整体性能，投射式电容式触摸面板正日益加快触摸面板行业的成长。

投射式电容式触控技术包括自电容和互电容。其中，自电容也称为绝对电容或者杂散电容，从工程角度，自电容被认为是连接物体与大地的寄生电容。大多数自电容传感器通过探测自电容的容量的变化来发挥功用，电容传感器通常具有导电物质制造的感应电极，通过从内部发出小量的电荷来探测电极的电容。当人类触摸体接近传感器时，人体触摸体的电容与传感电极的耦合电容会改变传感电极的自电容。通过感测电极的自电容与原始的自电容的比较，可确定触摸面板是否有人体接触。

图1示出现有技术的一种自电容触摸面板的电极分布和结构。玻璃衬底上方是透明的传感电极，这些电极位于同一平面上并且彼此孤立。每一个电极有一个尾巴与自电容的传感器相连。感应器芯片的数量与接触点的数量成正比。在触摸面板应用中，由于直接感应的成本高，所以通常其不被采用。

互电容也称为传导电容，互电容触摸面板基于感应它们电极之间的耦合电容或互电容的变化来运行。如图2所示，互电容触摸面板的电极是由驱动线路和感应线路组成。这些线处于两个互相垂直的隔离层中，并且在这两层之间夹杂绝缘物质。正常操作中，激活驱动线，在相邻的电极之间建立电容耦合。当感应物体接触到从一个电极投射到另一个电极的场力线时，可以探测到互电容的变化并且确定接触点位置。互电容触摸面板具有良好的光学外观和传感稳定性，但是现有实现方法的制造成本高，工艺复杂。

对于现有技术中的其它触摸面板，电阻式触摸面板技术存在光学透明度和耐久性的问题，表面电容触屏技术存在均匀性的问题，SAW和IR技术难以应用于便携式设备。虽然投射电容触控面板较之其它效果较好，但是触摸屏以多层组成，外围电路多，制造成本高，技术实现复杂。

发明内容

为克服现有触屏技术中的上述多个缺陷，本发明提出一种触摸屏及其触控系统。

根据本发明的一个方面，提出了一种触摸屏控制系统，包括触摸屏、触摸感应电路、取样保持电路、多路器、模数转换器和控制器，所述触摸屏的输出信号经过电荷感应电路感应，输出缓冲到取样保持电路中，取样保持电路对该信号进行取样处理，通过模拟多路器将储存的信号依次供应给ADC转换器，转换后的数字输出被发送到MCU控制器进行数字处理。所述触摸屏控制系统结构简单、成本低，适用于任何投射式电容式触摸面板。

附图说明

图1是现有技术的自电容触摸面板结构示意图；

图2是现有技术的互电容触摸面板结构示意图；

图3是根据本发明实施例的接触面板的结构示意图；

图4是根据本发明实施例的直接驱动的电极示意图；

图5是不同尺寸的传感器对应电容的测量结果图；

图6是根据本发明实施例的多点设计的电极分布图；

图7是根据本发明实施例的触摸感应区单元的3D示意图；

图8是根据本发明实施例的触摸感应单元在无手指触摸时的结构图；

图9是根据本发明实施例在手指触摸时分流模式的感应单元示意图；

图10是在手指近距离触摸时传输模式的感应单元示意图；

图11是电荷放大器的电路图；

图12是根据本发明实施例的触摸控制系统的结构框图；

图13是示意两根手指触摸面板的结果图；

图14是示意单根手指触摸压力的颜色代码，其中色度越深表示越强；

图15是手指触摸不同位置的结果示意图；

图16是手指在不同压力下触摸的结果示意图；

图17是多点触摸探测的捕获示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种触摸屏及其控制系统进行详细描述。

传统的互电容接触面板由两层氧化铟锡(Indium Tim Oxide，ITO)电极组成，实现复杂且成本高。本发明披露一种制作多点单层接触面板的方法，触摸面板仅由沉积在玻璃衬底上的一个透明ITO电极薄层组成。

图3是根据本发明实施例的触摸屏的结构示意图。如图3所示，触摸屏包括接触面板和LCD单元。接触面板位于LCD单元的上方，接触面板仅由沉积在玻璃衬底上的一层ITO电极组成。对于触摸屏的应用，接触面板可以层压在LCD单元上。ITO电极朝下，位于玻璃衬底和LCD单元之间。玻璃衬底可以为接触面板提供保护，不受刮伤，并且提高设计的耐用性。ITO布图采用标准的光刻。实践中，可以添加黏合层和屏蔽层。

更加详细地，其中，如图3所示，接触面板制作过程包括：1)、在玻璃衬底(例如，厚度为1.1mm)中，将其中一面涂覆ITO层(例如，厚度为1500埃)；2)、为照相平版印(photolithography)准备电极的图案，电极之间的最少间距为100um；3)、以照相平版印(photolithography)方式，将玻璃片的ITO层制成电极的模样。在接触面板和LCD单元的玻璃衬底之间布置偏光器。

本发明的ITO电极层采用互电容，包括驱动线和感应线。对于像键盘或控制器设备这样的应用，触摸区域对于技术人员是明确的，其可以采用直接驱动。如图4所示，ITO电极层的感应器包括驱动电极和感应电极，其中，感应电极位于中间，驱动电极围绕感应电极。

通常，电极的尺寸会影响电容耦合的结果，通过测试不同尺寸触摸感应器在手指触摸下的电容变化来确定优选尺寸。使用HP4284A(惠普/安捷伦4284A精密LCR表，测量两极之间的电容)来测量驱动电极和感应电极之间的不同尺寸的互电容。如图5，示出对应于不同外部面积的电容变化，图中分别示出外部面积为2x2，4x4，6x6和8x8(mm²)所对应的电容变化的测量结果。

当手指接近传感器时，电容值会下降，这一电容下降值与被分流的电场量成正比。当传感器的尺寸加大时，互电容也随之增加。但是，有效的电容下降值因为手指的接近而达到饱和，并且表现出下降的趋势。这是因为手指和触摸面板之间的接触面积不再足以涵盖传感器的整个周界。因此，如果传感器的尺寸太小，则会导致耦合电容不能够提供最好的差值来响应触摸动作。考虑到这两个因素，互电容传感器的尺寸在4-6mm这个范围应该是最适合的。

图6示出多点触摸面板的整个ITO电极分布，图6中右边部分视图和左边总体视图不对应，右边的斜线填充仅在左边的下方，其并不是均匀分布。如右侧小图所示，左斜是驱动，右斜是感应，填充方格的是结合垫，在这个图中触摸感应区单元被放大显示。每个触摸感应单元中，一个感应区被2个驱动区域夹杂在中间。每个驱动区域有一条独立引线与外部连接。在图6中，有一些以高亮显示的驱动区域设置，他们代表了面板上的8个水平虚拟“驱动线”之一，外部连接在一起。因此，一共有8个柱形的感应线和8列虚拟的驱动线。

关于多点驱动方法，首先运用虚拟驱动线的第一列，而其它未使用的驱动线对地耦合。通过扫描每个感应线而采集到8组数据。通过依次扫描每一组驱动线，重复这些步骤8次，最后，获得整个面板的64组数据图。

以下详细讨论互电容触摸面板的工作原理。首先，参考图7，图7示出图6的触摸感应区单元的电路模型，在触摸感应区单元里，如图6和7所示，有驱动点和感应点，也就是对应于图6的驱动区和感应区。二者之间形成了2个互电容(C_DS)以及各自的自电容(C_D，C_S)。

图7的电路模型可以被描述成一个原理图，如8图所示。图8中，驱动点和感应点之间连接有互电容，驱动点和感应点分别通过各自的自电容接地，感应点通过电阻器连接到电荷感应电路，驱动点串联电阻器和电流计，电流计的另一端接地。当驱动点受激，电子场被投射到感应点。当感应器没有感应到对象时，C_DS中的电容耦合点保持相对稳定。

另一方面，当一个物体如手指接近到传感器，此时相当于形成图9的电路，上部虚线内表示手指带来的等效电路，如图9所示，会扰乱C_DS的电场。手指可以被认为一个点连接到虚拟场。在这种情况下，电场从一个较高的电位点流到一个较低的手指点。手指将部分电场有效的分流到地面，因此电场与感应电极连接的量减少，即C_DS落下的电容，这个操作称之为“分流模式”。

如图10，手指越靠近时，物体与电极(C_DF and C_SF)之间的电容大幅度增加。来自驱动电极电容耦合物体的电场，作为整个物体电场的发射者。电场获知感应电极的增加和有效时，C_DS增加。这种现象叫做“传输模式”或“人类传输效应”。

事实上，分流模式和传输模式都是同时发生的，但是触摸主要依靠分流原理。为了确保触摸面板操作稳定，必须阻止传输模式来控制触摸。在这种情况下，ITO电极与手指(C_DF & C_DS)之间的电容，与C_DS比较起来必须要小，这样人类传输效应可以被忽略。因此，

C_DS＞＞C_DF & C_SF        (6.1)

并且

$C_{\mathrm{SF}}\≈C_{\mathrm{DF}}={\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{\left(\mathrm{glass}\right)}\frac{A}{d}---\left(6.2\right)$

这里的A和d分别表示相互重叠区面积和手指与电极层间的距离。

为了确保触摸面板的操作稳定，必须保证分流模式的操作，而不是人类传输模式。可以计算维持分流模式操作所需的手指与ITO层之间的临界分离距离。方程式(6.1)和(6.2)，如果C_DS＝2pF，ε_(glass)＝4并且手指与电极相互重叠区面积A_MAX＝1.96x10^-5m^-2(即r＝2.5mm)。临界分离距离D_MIN是0.1mm，因此保护玻璃的厚度通常已足够阻止传输模式成为主导。

探测方法

现有的探测方法都比本申请的方式精密和复杂，一般都会用上ASIC控制器。本申请中，触摸可通过探测C_DS电容的下降值，使用两种方法来探测这种变化。第一种方法是测量电压耦合的感应点，它要求感应电路有高的输出电阻。感应点的电压可以通过公式(6.3)获得。

ΔVs＝(1+C_S/C_DS)^-1ΔV_D       (6.3)

因此，在感应点(ΔV_S)，C_DS与所测的交流分量成正比。因为通过这个方法获得的信号是很小的且瞬间的，并且精准控制C_DS和杂散电容C_S是很难实现的，所以该方法使用便捷度较差。

第二种方法，将感应线与电荷放大器连接起来，或者每个感应线都连有一个电荷放大器，例如，运算放大器合成器如图11所示。电容耦合产生的小量电荷，电荷被迫流向上通道，储存在反馈电容器C中，并且转变成易读的电压输出Vout，因此触摸可以被认为是电荷流的减少。这种检测方法产生了一个更好的输出驱动力，在电荷放大器电路里，输出信号增益可以通过改变反馈电容来更改。

控制系统

图12所示为控制系统的框图。该系统包括触摸屏、电荷感应电路、取样保持电路、多路器、模数转换器和控制器。接触面板的输出信号经过电荷感应电路，通过如上的感应获取之后，将输出信号缓冲到取样保持电路中，取样保持电路对该信号进行取样处理，并且通过模拟多路器将储存的信号依次供应给ADC转换器，转换后的数字输出被发送到MCU控制器进行数字处理。

MCU发送脉冲信号以驱动触摸屏，触摸屏返回感应信号到电荷感应电路，电荷放大器(图中未示)将信号放大。

结果

本申请的触摸面板扫描率可达到100Hz，相应的响应时间为10ms。这对于触摸面板操作或跟踪面板上的移动物体是足够快的。光学透明度也是此设计的一个优点，因为面板结构包括仅有ITO单层。透明度主要取决于ITO层的厚度。在此原型上，ITO涂层为700A，所测的透光率为91％。理论上，面板透光率最高可达到95％。

图13示出将2根手指放在触摸面板上的示例。根据手指压力的不同，皮肤覆盖的面积不同，通常单个触摸可覆盖1到4个传感器。手指压力能通过的电荷放大器输出的减少幅度反映出来。这个电荷放大器输出通过ADC数字化并且在屏幕上显示前调节到几个深度水平。图14显示为手指压力水平的色彩代码。越深越强，越浅越弱。

根据校准的数据可以定位热点，图像可以做到实时处理提高分辨率，一些DSP算法，如已经报道的子像素插入。在这个阶段，可以应用双线性插值来增加面板的分辨率，从硬件分辨率8x8到虚拟分辨率15x15。把两个相邻数据进行平分，把平分得出的新数值插入成新数据，用以增加分辨率。

图15到图17所示分别为手指触摸在不同位置，手指不同的压力以及多点探测结果图。合成的图像在提高分辨率后显示更多精确的热点图像以及触摸后更准确的坐标。

总结和比较

总之，所提议的单层投射式电容式触摸面板设计拥有结构简单、耐久性强、高透明度、多点触摸电容以及成本低的优点，它不受表面污点影响。单层结构也可以用于弯曲基板，不过，设计的I/O连接的数量是2x(NxM)，假设分辨率为NxM。

所提的设计没有像其它两种技术那样复杂，但是单层互电容方法具有其它技术没有的优点，它拥有单层的结构，并且相对于双层互电容来说拥有较好的光学透明度。它利用多样扫描的方法，减少所需传感器芯片的数量。量度互电容是透过检测电荷，而非直接量度自电容，这样消除了使用玻璃芯片与传感器芯片结合的必要性。所有这些优点以致集成过程更加简单并且成本更低。因此，单层互电容是投射式电容触摸技术的替代品，以实现功能，性能以及成本的平衡。

通过应用本发明的单层投射式电容式触摸面板，使得设计结构简单，耐久性高，透明度高，多点触摸电容并且成本低，并且不受表面污点影响，单层结构也使得其可以用于弯曲基板。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制。

Claims (7)

1.一种触摸屏控制系统，包括触摸屏、触摸感应电路、取样保持电路、多路器、模数转换器和控制器，所述触摸屏的输出信号经过电荷感应电路感应，输出缓冲到取样保持电路中，取样保持电路对该信号进行取样处理，通过模拟多路器将储存的信号依次供应给ADC转换器，转换后的数字输出被发送到MCU控制器进行数字处理，所述触摸感应电路包括驱动点和感应点，二者之间连接互电容，驱动点和感应点分别通过各自的自电容接地，感应点通过电阻器连接到电荷感应电路，驱动点串联电阻器和电流计，电流计的另一端接地。

2.权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器发送脉冲信号以驱动触摸屏。

3.权利要求1所述的系统，其特征在于，当驱动点受激，电子场被投射到感应点。

4.权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电荷感应电路包括电荷放大器，电荷放大器并联反馈电容器。

5.权利要求4所述的系统，其特征在于，所述每个感应点都连有一个电荷放大器。

6.权利要求4所述的系统，其特征在于，所述感应点耦合产生的小量电荷被迫上流，储存在反馈电容器中，并且转变成易读取的电压输出。

7.权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电压输出的增益通过改变反馈电容器的电容量来改变。

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