電容式觸摸屏設(shè)備日益成為主流，不再是什么新奇的產(chǎn)品。隨著數(shù)以百萬計(jì)的設(shè)備(如智能手機(jī)和平板電腦等)上市銷售，此項(xiàng)技術(shù)的普及率與日俱增。然而，隨著電容式觸摸屏技術(shù)的廣泛普及，消費(fèi)者越來越不愿意為此技術(shù)支付更多的費(fèi)用。為了保持利潤，OEM廠商必須降低設(shè)備的成本。在觸摸屏設(shè)備中，觸摸屏模塊是價(jià)格最昂貴的組件之一。本文介紹了多種可通過智能設(shè)計(jì)方法降低觸摸屏模塊系統(tǒng)成本的方法。主題包含面板層疊和圖樣、顯示屏、材料、路由選擇以及觸摸屏控制器等。
采用投射電容式觸摸屏技術(shù)的智能手機(jī)和平板電腦目前已成為主流。然而，觸摸屏產(chǎn)品日趨普及以及OEM廠商之間的激烈競爭拉低了產(chǎn)品價(jià)格。為了抵消價(jià)格壓力，OEM廠商正在尋找既可降低成本同時(shí)又能提高利潤的創(chuàng)新途徑。觸摸屏系統(tǒng)是智能手機(jī)或平板電腦中最昂貴的模塊之一，其設(shè)計(jì)成本可以進(jìn)一步降低，從而幫助OEM廠商提高利潤率?！ ?/p>
標(biāo)準(zhǔn)的觸摸屏系統(tǒng)(圖1)包含投射電容式觸摸屏傳感器(層壓在保護(hù)性蓋板(cover lens)內(nèi))、貼裝有觸摸屏控制器的粘合型柔性印刷電路板(FPC)，以及顯示屏。FPC可將觸摸屏控制器連接至主機(jī)處理器。顯示屏位于觸摸屏傳感器下方，并通常由氣隙隔開或直接層壓。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)了解每個(gè)組件的集成對系統(tǒng)的性價(jià)比有什么樣的影響，而我們通過智能設(shè)計(jì)方法可以同時(shí)優(yōu)化這兩方面。
蓋板和觸摸屏傳感器
蓋板是觸摸屏系統(tǒng)最頂端的物理層。蓋板的成本變化范圍很大，主要取決于材料類型(玻璃或PMMA)、特殊涂層(疏油、疏水類)、裝飾性顏料，或者相機(jī)或傳感器的鉆孔數(shù)量。使用聚甲基丙烯酸甲酯材料(PMMA)可以使蓋板成本銳降50%，這種材料更經(jīng)濟(jì)、更輕巧且不易破碎，是耐用型透光玻璃選件的替代品。但是， PMMA傳感器可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)靈敏度低的情況。此外，由于PMMA比玻璃更有韌性，因而當(dāng)手指或其他觸摸物體用力下壓時(shí)可以顯示出面板彎曲情況。面板彎曲可能導(dǎo)致錯(cuò)誤或不準(zhǔn)確的觸摸報(bào)告信息。但是，如果觸摸屏傳感器包含玻璃基板或其他屏蔽層，則可以避免面板彎曲。因此，對于觸摸屏傳感器層疊所用的蓋板材料必須經(jīng)過精細(xì)的考量(圖2)。
觸摸屏傳感器的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。通過將氧化銦錫(ITO)濺射在玻璃或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)基板上，然后在ITO上蝕刻出相應(yīng)的圖案。構(gòu)成每個(gè)傳感器層的圖案和結(jié)構(gòu)都是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求自定義而成。標(biāo)準(zhǔn)的觸摸屏設(shè)計(jì)通常使用雙層ITO觸摸屏傳感器(例如圖2中的賽普拉斯MH3和Diamonds傳感器)，以取得良好的準(zhǔn)確度、線性度以及多點(diǎn)觸摸性能。雙層傳感器設(shè)計(jì)使用玻璃或PET基板。PET較便宜且具有較好的抗顯示噪點(diǎn)性能，但透光性會(huì)略微降低。從根本上講，降低觸摸屏傳感器成本最有效的方法是減少層疊的層數(shù)。
通過集成賽普拉斯的低成本傳感器(LCS)解決方案等單層傳感器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可將傳感器成本銳降50%。較少的層數(shù)(基板、ITO、OCA)有助于觸摸面板廠商精減材料和加工成本;此外，處理較少的層數(shù)還能進(jìn)一步提升制造良率。低成本的單層觸摸屏采用一個(gè)單PET基板和一個(gè)簡化的專用圖案，并具有良好的透光性。在性能方面，單層傳感器具有較低的準(zhǔn)確性和線性，并且支持的手指觸摸數(shù)量有限(通常僅為一或兩個(gè)手指)。這些低成本的單層傳感器解決方案非常適用于低端智能手機(jī)和功能電話。之前使用的電阻式觸摸屏或無觸摸屏設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)這種層疊方法非常適合他們的設(shè)計(jì)和預(yù)算需求。與電阻式觸摸屏相比較，單層電容式觸摸屏具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其中包括能提高透光性、降低功耗、增強(qiáng)耐用性，以及提升用戶體驗(yàn)等。
與雙層傳感器相比，諸如賽普拉斯單層獨(dú)立多點(diǎn)觸摸(SLIM®)解決方案等單層多點(diǎn)觸摸解決方案可將成本降低40%。單層傳感器的性能雖然略微降低，但卻可以實(shí)現(xiàn)最纖薄的外形。此外，利用單層多點(diǎn)觸摸傳感器還可以創(chuàng)建薄邊或無邊的觸摸屏傳感器，從而進(jìn)一步擴(kuò)展觸摸屏的工作區(qū)域。期望降低設(shè)備成本和厚度的設(shè)計(jì)人員可以考慮選用單層傳感器。
更小的屏幕尺寸可以顯著節(jié)約成本;而且觸摸屏成本也受觸摸屏工作區(qū)域大小的影響。顯然，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮所有可優(yōu)化面板設(shè)計(jì)和選擇的途徑。
FPC設(shè)計(jì)
另一個(gè)降低設(shè)備成本的途徑是采用FPC設(shè)計(jì)。FPC可將單個(gè)傳感輸入/輸出(I/O)從觸摸屏面板連接至觸摸屏控制器，然后再從觸摸屏控制器連接至主機(jī)處理器。
FPC可以為有源也可以為無源。有源即觸摸屏控制器及其他所需的外部組件(如電阻和電容)安裝在FPC自身上;而無源則是FPC僅包含路由線跡，而觸摸屏控制器和外部組件安裝在印刷電路板(PCB)上。無論是有源還是無源FPC都可以以多種方式進(jìn)行路由。路由選擇越有效、越多樣化，其他硬件組件就越容易與之集成。但是，請切記，成本一定會(huì)隨著路由所需層數(shù)的增加而相應(yīng)增加。在單層上進(jìn)行合理的路由選擇將有助于保持最低的FPC成本。此外，單層路由選擇還在信號(hào)完整性和緊湊型FPC設(shè)計(jì)方面具有非常大的優(yōu)勢。
顯示屏
在觸摸屏系統(tǒng)中，投射電容式觸摸屏傳感器位于顯示屏的頂部。顯示屏本身具有噪點(diǎn)性，其產(chǎn)生的噪點(diǎn)可直接與觸摸屏傳感器耦合。這樣會(huì)降低觸摸靈敏度，并產(chǎn)生錯(cuò)誤的觸摸激活。良好的設(shè)計(jì)方法可以減少顯示屏噪點(diǎn)，并能從根本上提高性能，降低成本。
為了阻隔顯示屏的噪點(diǎn)，業(yè)界一貫采用在顯示屏和觸摸屏傳感器之間實(shí)施額外的ITO“屏蔽”層。雖然成效顯著，但是屏蔽層也增加了成本和觸摸屏模塊的厚度。另一種方法是采用微小的氣隙，一般在0.2mm到0.5mm之間，可將顯示屏與觸摸屏傳感器分隔開來。氣隙比屏蔽層更節(jié)約成本，但同樣會(huì)增加觸摸屏模塊的厚度，而這并不符合想要制造外型更美觀、厚度更纖薄的OEM設(shè)備廠商的需求。但是，還有一個(gè)更加重要的設(shè)計(jì)要求，那就是顯示屏本身的選擇。
目前，手機(jī)和平板電腦最常用的顯示屏仍然是TFT液晶顯示屏。TFT液晶顯示屏通常具有兩種類型：DCVCOM和ACVCOM。其區(qū)別在于驅(qū)動(dòng)常規(guī)電極層(VCOM)的方法。另一種在高端設(shè)備中越來越常用的顯示屏為AMOLED顯示屏，它具有寬闊的視角，更佳的亮度和對比度、更低的功耗和更纖薄的外形。
AMOLED的顯示噪點(diǎn)很少，屬于最安靜的顯示屏之一，但其價(jià)格非常昂貴。此外，DCVCOM顯示屏通常也是比較安靜的，但價(jià)格也較高。對比之下，ACVCOM的噪點(diǎn)較多，但是相對而言比較便宜。顯示屏的選擇很大程度上取決于設(shè)備所針對的終端客戶。目標(biāo)應(yīng)用將決定硬件和性能適用于哪類客戶群。
觸摸屏控制器
雖然觸摸屏控制器沒有顯示屏和觸摸屏面板那么昂貴，但是觸摸屏控制器的選擇在觸摸屏系統(tǒng)性能上會(huì)起到最重要的影響。觸摸屏控制器整合了電容式感應(yīng)和處理技術(shù)，可以分析手指觸摸和手勢，并向主機(jī)處理器報(bào)告其位置和行為信息。當(dāng)手指放在投射電容式觸摸屏上時(shí)，觸摸屏控制器可以檢測到電容變化，并將此信息轉(zhuǎn)換為數(shù)值。通過觸摸屏控制器內(nèi)復(fù)雜的觸摸分辨率算法可進(jìn)一步對該數(shù)字轉(zhuǎn)換進(jìn)行處理，然后再將觸摸坐標(biāo)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)交由主機(jī)處理器。觸摸屏的主要技術(shù)難題是如何處理對噪點(diǎn)敏感的信號(hào)。控制器必須具有高質(zhì)量的模擬前端、內(nèi)置的噪點(diǎn)處理能力，以及復(fù)雜的處理算法。隨著觸摸屏越來越多地成為許多消費(fèi)類電子設(shè)備的用戶界面，因而觸摸屏控制器的質(zhì)量將直接影響最終產(chǎn)品用戶的體驗(yàn)。選擇正確的觸摸屏控制器是實(shí)現(xiàn)上述性價(jià)比優(yōu)勢不可或缺的因素。
具有高信噪比(SNR)和高效率噪點(diǎn)處理能力的控制器可以補(bǔ)償來自噪點(diǎn)源的信號(hào)強(qiáng)度弱化，例如價(jià)格低廉的PMMA蓋板或噪點(diǎn)較多的ACVCOM顯示屏。為了幫助優(yōu)化多點(diǎn)觸摸單層傳感器的性價(jià)比，觸摸屏控制器必須具有兼容的處理算法。另外，只有觸摸屏控制器引出線支持高靈活性的路由選擇設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)單層FPC路由的成本優(yōu)勢。
另外，觸摸屏控制器還能通過一些可支持的高級特性降低系統(tǒng)成本。例如，大多數(shù)觸摸屏控制器會(huì)將觸摸屏上的一滴水視為一個(gè)手指觸點(diǎn)，因?yàn)橐坏嗡幕ル娙萏卣骱鸵粋€(gè)手指觸點(diǎn)的類似。為了解決這個(gè)問題，觸摸屏面板廠商可以在蓋板上添加一個(gè)昂貴的疏水涂層(hydrophobic coating)。當(dāng)水滴落在蓋板上時(shí)，疏水涂層可以將其分解為更小的水滴，使其無法被識(shí)別為觸點(diǎn)。同樣，觸摸屏控制器通過使用其硬件和固件特性自身可實(shí)現(xiàn)防水功能，其可以通過內(nèi)置算法檢測并排斥觸摸屏上的水滴，同時(shí)還可為OEM廠商節(jié)省額外的涂層成本。
明智的設(shè)計(jì)人員會(huì)全面了解觸摸屏系統(tǒng)及其關(guān)鍵組件，并能通過合理地選擇設(shè)計(jì)方法以及蓋板、傳感器材料和層疊、顯示屏類型和FPC路來顯著降低成本。通過選擇高性能的創(chuàng)新型觸摸屏控制器，我們可以在降低成本的同時(shí)不犧牲性能，這是一個(gè)將終端產(chǎn)品銷售置于最重要位置的環(huán)節(jié)。
