电容触摸从手持到家电遍地开花,技术各异

2008-08-08 14:33:24来源: 互联网 关键字:电容感应  厂商  触摸按键  触摸板  变化检测  集成驱动  模拟数字转换器  电阻薄膜

  当苹果公司将电容触摸感应技术从笔记本电脑引用到iPod后,电容触摸感应热浪正席卷几乎所有电子产品,从笔记本电脑、智能电话、PDA、游戏机等手持设备,到LCD TV、DVD等消费电子产品,再到洗衣机、空调、冰箱、热水器、电磁炉以及咖啡壳等大小家电,无不以加入电容触摸感应为新的卖点。甚至有厂商已向《国际电子商情》透露他们准备在工业仪表上也采用电容触摸感应技术。

  面对席卷而来的应用浪潮,电容触摸传感器/控制器半导体厂商队伍也在迅速扩大。从最早的笔记本电脑电容触摸感应IC厂商新思科技(Synaptics)和义隆电子,至后来的Cypress、韩国ATLab以及英国Quantum Research Group新三足鼎立,再到新近强势加入的意法半导体和飞思卡尔两家半导体巨头,这一市场已变成群雄逐鹿。再进一步,LCD驱动IC领先厂商Leadis即将以集成驱动IC与传感器的高集成度电容触摸方案加入,据悉,TI也将凭借其MPS430微控器闯入,这市场变得更加热闹了。还有,一些本地厂商也在凭借其低成本的ASIC方案进入,比如上海的启攀微电子。电容触摸感应市场正在进入一个全新的战国时代,它也成为半导体厂商新一轮的利润增长点——当主芯片正变得雷同而缺少竞争性时,差异化的外围就成为新一轮竞争的焦点。

  那么,我们如何面对这众多的半导体厂商和方案,他们之间有何不同?其实,虽同为电容触摸感应技术,但各种应用的需求是有差异的,而各半导体厂商也专注在不同的应用领域,策略各异。《国际电子商情》记者通过采访以上的多家公司,我们认为新思科技、义隆电子以及即将推出电容触摸IC的Leadis基本是专注于笔记本电脑和便携消费电子领域,它要求电容触摸感应技术的特点是具有高的分辨率,甚至可手写输入,高背光、不仅能实现触摸按键功能,还能实现全屏触摸功能,并可实现多指触控等先进功能。而Cypress、ATLab、Quantum、意法、启攀微电子等厂商的方案则更广泛,他们既有针对便携消费电子的方案,也有针对少按键家电产品的方案。与新思科技、义隆等不同,这几家公司的方案主要针对触摸按键/滑条/滑轮,而少用于全触摸屏,目前这几家都没有多指触控方案,均表示多指触控方案正待开发中。但是他们能应对家电产品所需的抗静电、抗水以及电磁干扰要求等。

  在专利方面,新思科技、Cypress、ATLab、Quantum四家公司都拥有不同的核心专利,比如新思科技拥有XY向2D专利、Cypress拥有表面电容感应专利、Quantum拥有电荷转移电容感应专利、而ATLab公司拥有阻抗变化检测引擎技术专利。其它公司进入该市场,需要与这些公司购买专利。不过,新进入的本地IC公司启攀微电子则表示他们拥有自己的专利,没有采用以上几家公司的专利。

  在方案实现上,电容触摸感应可分为全ASIC方案和基于MCU的方案。其中新思科技是ASIC方案的代表;而Cypress和义隆、Quantum则采用基于MCU的方案;意法的方案中既有MCU结构(由Quantum援权)也有全硬件结构(ATlab授权)的产品;Leadis则很可能走集成更高的ASIC方案。

  全屏触摸、触摸按键以及笔记电脑、便携设备与家电等不同应用需求是不是样的,以下让我们看看不同应用对电容触摸感需求有何不同。

  不同应用对触摸感应器件的需求差异

  意法半导体大中国区模拟、电源、微机电产品事业部市场部经理JS Park对三类主要应用的差异化需求分析如下:

  一是便携电子应用。它要求触摸屏具有很高的精度和三维接口,不能出现功能故障。同时,它还要求宽的动态范围、防划伤、背光能力和低功耗。

  二是消费电子如家电类应用。它要求防噪声,三维接口、高亮转换、强抗环境变化、抗划伤以及低成本等需求。

  三是笔记本电脑。笔记本图像触摸要求同时在屏幕上跟踪多个目标,并且立即给出图形接口信息。此外,高分辨率也是非常重要。

  与传统的电阻触摸相比,电容感应触摸具有以下四点优势:一是多触点能力,二是光传输性较好,因此可以做出鲜艳和诱人的触摸屏,三是耐用性和可靠性较强,因为可用玻璃代替可变形的电阻薄膜,四是具有自校准能力,可以实现更加无缝的用户体验。新思科技有限公司上海代表处总经理(中国)陈元指出:“传统电阻触摸屏的故障率高,反修率也高,而电容触摸感应则要可靠得多。”

  陈元很形象地解释了电容触摸感应在便携消费电子市场受欢迎的原因,他解释道:机械输入只能根据具体按键上面的图标提供有限的功能描述,与此不同的是,触摸屏可以利用软件编程为给定的应用带来优化控制互动过程。例如,智能手机用户想打电话的时候,屏幕屏就可以呈现键盘布局;如果用户使用智能手机播放音乐,就可以重新设置触摸屏用于音乐播放器控制。这种适应性的用户界面极大地改善了设备和可用性,并缩短用户学习使用设备的时间。随着相关产品的功能越来越多,这点特别重要。

  他继续解释,触摸屏还能提供大量工业设计和机械设计优点。通过利用触摸屏来使用显示面积进行输入,设计师就能保持非常大的屏幕尺寸,同时利用全部显示面积进行用户互动。

  义隆电子处长邱延诚补充道,作为全屏触摸显示还需支持很高的分辨率。“iPhone有一个美中不足的地方,就是不能支持手写输入,因其采用的电容传感器只有较低的分辨率感应,无法提供手写辨识。”他说道。

  除高分辨率外,JS Park也认为多手指触摸是未来的发展方向,虽然目前意法的方案暂不能支持该功能。他说道:“多手指触摸可以产生强烈的交互式操作感,还可以同时支持多个用户操作,特别适合用于大型的交互式环境比如交互式墙和桌面。我们正在开发这一技术。”

  Leadis在即将推出的传感器中支持多手指触控。Leadis副总裁兼触摸技术总经理Alvin Wong说道:“电容触摸允许多触点应用,而电阻感应方式则不能。多触点可以实现独特的和差异化的U/I体验。”

  Alvin Wong最后指出:“每种应用在所需的传感器输入、是否需要多触点支持、定位及定标算法复杂程度等方面,都有不同的要求。还有其它一些要求也需因应用的不同而变化。相对而言,面向按键/滑条/滑轮的电容触摸技术比全触摸屏控制器更容易设计。”

  此外,陈元也提示,目前虽然苹果的iPhone采用了电容感应的全屏触摸,但是其价格也是非常昂贵,一般的厂商负担不起。他分析道:“现在全球能生产电容触摸屏的厂商仅有一、两家,所以生产成本非常高。理论上LCD厂商可以生产此类电容触摸屏,但是现在全球的小屏LCD都在短缺,所以他们短时间内不会投入资金来生产这种具有高风险的触摸屏了。”因此,电容触摸感应在智能手机上的应用是以触摸按键/滑条为主,高端机才会采用全屏触摸。“中国大陆很多智能手机厂商都在与我们合作,包括中兴、华为的手机上都会采用我的触摸按键方案。”陈元称。

  在另一个市场——家电市场,触摸按键风潮并不弱于便携市场。对于电容触摸感应席卷大小家电市场的原因,Cypress亚太区国际市场部区域市场经理李凡对《国际电子商情》记者解释道:“电容触摸按键/滑条与传统的机械按键、薄膜按键相比,具有时尚、耐磨的特点,使其特别适用于白色家电等长寿命、高使用频率的应用,还可降低厂商的售后维护成本。”

  继续道:“更进一步,带主控功能的电容触摸方案还可与电脑联网,比如在橱房里一边烧菜一边上网查询一些信息。伊莱克斯正在其新一代冰箱上设计这方面的应用。再看未来,它还可与条型码配合,消费者可以方便地检测冰箱中食品的保质期。”李凡对《国际电子商情》记者介绍道。

  而对于家电市场,应用更复杂。不同的家电产品具有其独特的要求:比如洗衣机需要极强的抗震能力和防潮能力、电磁炉需要极强的抗静电和防水能力、风扇则需要抗蜂鸣能力、热水器需要抗高温和防潮能力等等,他们的共性则是需要更低的价格和设计更简单。

  不同的应用具有不同的需求,因而IC厂商关注的领域也各不相同,以下是对主要方案厂商策略与技术分析。

  新思科技:藉iPod名杨触摸市场,全ASIC方案集成度高

  

陈元:我们为用户提供全套模组和生产测试,使客户能快速推出产品。

  电容触摸的旗帜便携产品iPod就是采用新思科技的方案。新思科技基于全ASIC架构的方案,具有高集成度的特点。新思科技有限公司上海代表处总经理陈元表示:“我们公司高度集成的ASIC使客户仅需一两个片子就能实现电容触摸功能。并且我们为用户提供全套模组和生产测试,使客户能快速推出产品,这是一些基于MCU方案厂商不能提供的。”他解释,新思科技针对笔记本电脑、MP3以及智能手机等细分市场推出了不同系列的ASIC方案,适用面广,A厂商不用,可以给B厂商用,因此呆料少,供货快。“并且,我们是直接服务客户,不像有些厂商是通过代理商间接服务客户,这样的好处是我们直接提供客户包括模组和测试在内的全套方案;而一些基于MCU方案的厂商会由代理商帮助他们为客户设计方案,困难多。同时,如果一个MCU为某一个客户定制后,烧死的MCU不能再为其它厂商采用,有时会造成一些呆料。”陈元称。

  他表示,新思科技藉iPod走红后,现在已获得众多手机厂商、PDA以及MP3/MP4厂商的欢迎。“LG的巧克力手机现在已开始采用我们的方案。”他说,同时他透露,当初苹果设计iPhone时也找过他们,是他们拒绝了苹果,“因为给苹果定制后,就不能给其它智能手机厂商做生意了,而智能电话市场很大,我们不想失去更多的客户。我们已经通过iPod成名了。”

  新思科技高度集成的ClearPad可以层压在手机的摄相镜头下方,与传统“电阻”触摸板相比,可以实现平滑纤薄的工业设计,以及超强的耐用性。陈元表示,他们还有一个优势是基于新思科技同一种电容感应技术ClearPad,已为全球3亿多个电子产品所采用,产品稳定可靠。“新思科技为大批量便携消费产品提供输入技术,已有10多年的经验,我们基本上将所有的功能需求都已考虑进去了。”他总结说。

  Cypress:可编程CapSense提供极强的灵活性

  Cypress的CapSense方案所有I/O都由一个PSoC控制、并集成可编程的ADC、DAC、I2C、UAI、USB等通讯接口,集成度非常高,适应性强,“它可适合于各种尺寸的按键/滑条,从几厘米至几十厘米。”Cypress亚太区国际市场部区域市场经理李凡对《国际电子商情》记者称,“且不受环境影响,非常适合家电产品。”

  李凡表示,Cypress的CapSense独特可编程动态配置特点,使其除了实现触摸按键外,其CapSense上的I/O口还可以动态配置实现许多其它功能,比如马达控制、LCD背光、LED驱动、SPI/I2C接口、扬声器/蜂鸣器控制、压力/电流传感器等多种功能等。很多情况下,可以省掉家电原来控制面板中的MCU,只用一个CapSense就可以了,从而进一步节省了成本。

  “同时,它能实现多按键,一颗CapSense还可以同时实现铵键、滑条和滑轮功能,基于ASIC的方案可能做不到。”他称。

  但是,有些家电产品对按键数的要求并不多,这时采用CapSense就会缺少成本竞争力了。为此,Cypress即将推出针对少按键市场的CapSense LITE方案,它省去了CapSense中的MCU,是一个从设备,通过I2C与主系统连接。CapSense LITE支持最多10个可配置的I/O,理想状况下可支持10个按键,同时还具有LED驱动、输入中断、唤醒等功能,既可做按键也可做滑条。此类系列型号为CY8C201xx,具有性价比优势。

  此外,Cypress最新推出的CSD(Sigma Delta 调制电容感应方式)技术,具有更强的防水、抗干扰特性。其防水特性是以前的CSA(逐次逼近技术)和CSR(脉冲检测技术)不可比的。

  他解释,CSD增加了保护电极,使得由于表面潮湿或水对计算数值的影响最小。此外,对于静电干扰(ESD),CSD专门在Firmware里作了设计,可以减小或消除静电干扰,这对静电干扰强的电磁炉非常重要。CSD还增加了伪随机时钟PRS,从而可以有良好的抗中频噪声性能。因此,CSD方案特别适应于有较厚覆盖物、接近似感应、需要有EMC/EMI/ESD认证、以及需要抗电源噪声干扰的应用。

  此外,Cypress的方案可以给客户最原始的干扰信号数据,厂商在设计时可拿手指电容与干扰电容进行比较,从而不断调整基准值,这可以应对许多设计中的问题,比如电磁炉溢水或长时间按在按键上使灵敏度下降的问题。“其它一些厂商的方案是依靠工程师自己来估值。”李凡说。

  在便携消费电子市场,Cypress的方案最早用于LG的巧克力手机上。“CapSense方案做成滑动键时可以实现1000dpi高灵敏度的分辨率,它会用于未来更多新兴的便携消费电子产品上,比如电脑滑鼠和手机‘KeyMat’——即可在手机的整个触摸按键板上实现手写输入功能。“这个功能对手机厂商具有非常大的吸引力,不少手机厂商正在与我们洽谈合作的事项。”李凡向《国际电子商》〉记者表示,实现KayMate功能成本也不高,量产后整个触摸按键板的成本可以控制在2美元以下。

  义隆电子:着重于中小尺寸手持产品

  “目前义隆电子透明的电容式触控屏方案主要是着重于中小尺寸的手持式产品(4.3英寸以下,2.4英寸以上的手持产品),如智能电话、PDA、GPS、DSC、PMP、MP3和数码相框等产品。”义隆电子处长邱延诚对《国际电子商情》记者表示。义隆的电容触摸方案可提供分辨率300dpi以上,支持手写辨识能力和多手指操控功能,满足各种领域产品之需求。

  义隆采用的技术为表面电容感应技术。它采用精简指令(RISC)MCU配合多级模拟过滤器过滤噪声,配合模拟数字转换器,计算及处理复杂的数字信号,以感应手指接触面板所造成的电容微小变化,并且能防止外来噪声的干扰,如手机产生之RF信号。

  义隆电子eFinger电容触摸感应器采用2D 矩阵传感排列的感应方式,除了分辨率可高达300dpi以上外,还能提供多手指操作, 其中包含多手指感应侦测技术能提供敲击动作、移动、放大缩小、旋转等等多种功能。义隆电子亦拥有上述多手指相关技术的多篇多国专利。

  “义隆电子所使用eFingerTM(即是指多指触控)电容感应技术已超过十年以上, 已成功应用于笔记本、移动电话以及GPS等多项产品中, 独特高分辨率及多手指触控功能可提供使用者更方便触控面板输入。”邱延诚表示。

  意法半导体:发展两条不同的产品线

  意法半导体于前不久分别从量研公司(Quantum Research Group)和韩国ATLab获得电容触摸感应技术的授权,因此,它将同时发展两条不同的产品线。现阶段,该公司的电容感应产品主要针对触摸按键市场,而对于触摸屏市场仍采用电阻感应技术。“我们能提供非常具竞争力的功耗、敏感度和易用模式,以及非常强的抗环境变化能力和成本结构。”意法半导体大中国区模拟、电源、微机电产品事业部市场部经理JS Park表示。

  基于量研科技授权技术开发的是Q意法系列产品。采用Q意法实现封闭的背光感应表面十分容易,制造商可以大幅度降低触摸板的成本,同时还以设计新颖、时尚的用户界面。Q意法108是意法的Q意法系列电容触摸传感器的首款产品,它采用一个纯数字的基于固件的解决方案,实现了量研公司经过验证的QProx电荷转移电容专利技术,提供一个能够对用户触摸做出响应的单片智能控制界面。

  Q意法108允许客户用普通或挠性印刷电路板设计8键电容触摸板。感应电极可以设计在印刷电路板布局内,甚至可以用导电墨印刷在电路板上,这种方法的电极大小和形状都很灵活。Q意法108可以利用不导电材料(玻璃或塑料)制成的面板后面的电极来检测手指触摸。外部组件需求量很低,每个通道只需一个采样电容器和一个电阻器。

  Q意法芯片无需生产线或用户校准。为确保最大的可用性和控制一致性,这些产品集成了复杂的漂移补偿、自动校准、噪声过滤功能和相邻按键抑制算法(AK意法M)。这些产品的配置允许制造商灵活地设计触摸板的厚度,他们可以设计从极薄的塑料板到10mm的玻璃板。此外,量研首创的并获得专利的各种触摸板结构方法还为Q意法用户带来好处,意法的客户可以获得这些方法。

  意法的另一条产品线——S-Touch系列传感器采用了韩国公司ATLab的电容触摸传感技术,具有超低功耗特点,且不需要片上MCU。该系列产品的目标应用是便携设备如手机、PDA、笔记本电脑和媒体播放器以及价格敏感的白色家电市场。这项技术基于全数字架构,控制对用户触摸做出响应的操作界面,无需片上微控制器、存储器或固件。该系列的首批产品是8通道和12通道的传感器。

  “这个硬连线的触摸传感器系列产品是对意法基于微控制器的'Q意法'系列产品的补充,具有优质性价比。比较复杂的应用通过Q意法系列能够实现智能触摸传感控制界面,且片上微控制器还可以在较简单的产品中控制多个辅助功能。意法同时拥有两大系列传感器产品组合,是半导体市场上唯一一个能够提供完整的传感器解决方案的厂商,能够满足不同工业的应用要求和条件。”JS Park表示。

  他进一步解释,意法在S-Touch系列传感器的内核实现了硬连线的有限状态,功耗是普通触摸传感器解决方案的大约五分之一到十分之一,睡眠模式的功耗仅为1微安。连接传感器和应用设备触摸板的线路无需外部阻容网络,而其它传感器解决方案通常需要阻容网络。这些传感器的尺寸非常小,8路输入产品采用2.6×1.8mm QFN16封装,尺寸比现有等效解决方案缩小大约80%,而且价格竞争力非常高。该系列传感器的采样时间为2毫秒。

  未来产品还将集成意法新的Xpander系列逻辑产品中的专利技术,通过把I/O密集任务分配给超低功耗的Xpander逻辑IC,此项技术有助于克服在基于MCU的嵌入式系统中输入输出端口数量受到限制的问题。这项技术让现有系统处理器通过一个快速I2C接口可以使用各种附加智能功能,包括支持多达96个键的键盘控制器以及GHO意法键、多键和热键处理功能、通过PWM(脉宽调制)控制器控制LED亮度功能。

  ATLab的阻抗变化检测引擎技术

  S-Touch采用ATLab的阻抗变化检测引擎(ICDE)技术,此项技术能够检测最小60fF(fF=pF的千分之一)的电容变化。这个传感器的动态变化范围6pF,可以分成100个步进,每步60fF。ICDE将检测引起时延的电容变化,是市场唯一的每个传感器只需一个引脚且在传感器线路上无需阻容网络(普通工业解决方案都需一个阻容网络)的解决方案。因为独有的自动校准技术,S-Touch承受组装、PCB板变化、EMC干扰和水薄膜的能力极强。

  研量公司的电荷转移电容感应技术

  QProx技术是给一个导电感应电极充电,然后把这个电荷转移到一个数值固定的采样电容器。通常情况下,感应电极是印刷电路板上的一个铜区域。通过微控制器控制的I/O晶体管的开关操作,电荷以突发模式转移。任何物体如手指产生并存在的外部电容会影响电荷流动,因此影响电容读取,这样就可以检测到物体。这个开关过程是现有的唯一的纯数字过程,可靠性和抗扰性极强,同时成本也非常低廉,即便按键很多,成本也同样很低。

  Leadis:将走驱动IC与触摸控制集成之路

  Alvin Wong:电容触摸领域目前集成解决方案有限,Leadis拥有可靠的集成策略。

  Leadis科技副总裁兼触摸技术总经理Alvin Wong向《国际电子商情》透露:“Leadis 科技将在年底前推出它的首款触摸产品,支持电容技术并针对移动领域,我们认为该领域具有最热门的触摸应用。首款产品将支持触摸按键/滑条/滑轮接口,随后不久将支持全屏幕触摸应用。”

  他接着表示:“在移动领域,创新与集成将是取得长期成功的关键。由于电容触摸技术进入移动领域的时间很短,目前集成解决方案有限。Leadis拥有可靠的集成策略,我们相信对于移动终端厂商会有吸引力。当我们在第四季末推出我们的首款产品的时候,你将看到该产品策略的第一阶段。随着后续产品的推出,我们的产品策略将继续进化。”

  由于Leadis在LCD和LED驱动市场的领先地位,我们猜测它很有可能集成驱动IC与触摸控制IC,走有别于竞争对手的集成之路。

  启攀微电子:自主专利为OEM省去专利费烦恼

  “我们专注于电容触摸感应技术。”启攀微电子市场总监吕成昌向《国际电子商情》表示。该公司产品的特点是基于全硬件的ASIC方案,成本低,且吕成昌特别指出:“我们没有采用Cypress,ATLab以及研量科技的专利,公司具有自主创新、自主设计、多项技术正在申请中国和境外的专利,因此对国内整机生产出口是个极大的利好,不存在专利授权费等问题。”

  该公司的触摸按键IC产品支持单点触发、多点触发,并有邻键抑制(可配)功能,预防误出发。用户可根据自己产品的应用要求,随意设定。吕成昌特别提示:“电容性触摸感产品的应用是一个软件与硬件协同的系统设计,我们原厂的IC设计工程师和系统应用工程师将会及时、全面的对用户进行技术服务,并帮助用户及时完成系统方案的确定。此外,我们的公司总部位于上海,可提供及时周到的货期保障。”

  产品主要特性:8/12路电容性触摸检测;支持扫描速率:2ms@正常模式,100ms @省电模式,触摸响应时间仅为10~15ms。此外,具有高电容分辨度,且分辨率可调,典型分辨率为0.02pF。

  支持4/3线SPI接口和2线I2C接口输出,12-bit GPIO接口可用作触摸状态输出或外部MCU扩展口。“它还具有长时间按键自动再校验、能自动补偿温度、湿度、电源电压等因素引起的漂移,这些功能一些竞争对手不能提供。”吕成昌表示。

  该公司的产品已开始在移动多媒体播放器、LCD TV、各类小家电、白色家电和家用厨房电器等系统设备上进入批量使用,“并得到了国内诸多品牌厂家的认可。”他向《国际电子商情》记者说道。

 

关键字:电容感应  厂商  触摸按键  触摸板  变化检测  集成驱动  模拟数字转换器  电阻薄膜

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2008/0808/article_1241.html
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