自容、互容感测并用 电容式触控屏幕抗水性大增

2013-10-14 19:26:30来源: 互联网

电容式触控屏幕防水功能可望大幅精进。电容式触控屏幕一旦遇到水气或液体,精准度就会大幅降低。因此,电容式触控面板与控制器开发商正协力合作,结合自容互容感测层不同的功能特点,以提升电容式触控屏幕的抗水性与湿手指追踪效能。

  抗水性/湿手指追踪功能 两项防水规范渐受重视

  国际标准有许多对防水详细的定义规范,其中国际电工协会(International Electrotechnical Commission, IEC)的IEC-60529标准,就针对防护等级(Ingress Protection, IP)做分级定义,其规范产品最高等级为IP-67,亦即能承受大量的飞尘(防尘等级为6),并能浸入水中达1公尺深(防水等级为7)而不受损。

  然而,很少有消费性行动装置能符合这个等级,且IP等级至今亦还没被广泛运用在电容式触控屏幕的产品规范上。通常触控屏幕的防水需求,系建立在使用者经验及产品在遇到水气时的反应,而非进行破坏性的测试。尽管防水定义尚未正式标准化,但目前逐渐被业界广泛采用的两项防水规范,包含抗水性(Water Rejection)及支援湿手指追踪功能(Wet Finger Tracking)。

  抗水性亦即当触控屏幕上有液体时,系统能排除假性触控,且能在移除液体后,完全回复正常操作功能。例如不小心将咖啡泼洒到手机上,一定不会希望手机因此自动拨出电话或发送简讯,甚至在你急于清理手机时,做出任何动作,并期望手机在擦干后,能回复到以往正常的运作功能。抗水性是防水最常见也很重要的条件因素,因为液体一定会停留在触控屏幕表面,而触控屏幕必须要能回复正常且不产生任何假性触控。然而,抗水性无法支援沾湿的屏幕表面触控,这方面就有赖湿手指追踪功能。

  湿手指追踪功能,能在有水气的触控屏幕上追踪手指的位置。触控屏幕表面上的水气会使电容量测造成误差,进而减损触控的精准度,湿手指追踪功能则能确保提供一个精准值。在有水气的情况下,可容许误差通常为1?2毫米,对于拨打电话或发送电子邮件等关键功能而言,这样的误差足以应付操作需求。

  液体的特性对抗水性与湿手指追踪功能非常重要。触控屏幕表面上会形成的各种液体特性,其一为水气凝结,在高湿度或温度快速变化的环境中,触控屏幕表面上会凝结一层很薄的水气。其次是水滴,雨滴、汗水或任何种类的液体,滴落在触控屏幕表面上。其三是薄水膜,大量的水覆盖在整个触控屏幕表面上,形成一层很薄的液体,如之前提到泼洒出的咖啡就属这类。

  此外,辨识水滴的大小也很重要,小水滴通常指滴落到触控屏幕后直径测量不超过3毫米的大小,而大水滴通常则介于3?18毫米之间。上述的三种液体型态将会产生不同类型的电容误差,触控屏幕控制器必须能加以因应。

  即便是相同类型的液体,对不支援多点触控的自容感测(Self-Cap)与支援真正的多点触控的互容感测(Mutual Cap)也会产生不同的结果。有些触控屏幕控制器会同时使用这两种技术,来解决因液体导致侦测时产生拒斥假性触控所衍生的问题。要想了解这些问题,必须先了解电容感测在遇有水气时所产生的一些基本物理变化。

  使用传导屏蔽 触控屏幕不随水气起舞

  电容感测能运作,是因为人体本身就是导电体,含有杂质的水,如自来水或咖啡也是导体,并会使电容测量造成误差。图1为一个简单的自容物理模型,电场线代表电容。

  

  图1 基本自容物理模型

  自容的原理是侦测一个感测器对电路接地端的电容,使用方法是在感测器(TX)套用一个激发讯号,然后侦测得用多少电荷或电流,才能对含有接收器(RX)的感测器充饱电。在这个模型中,有两个电流可能会经过的回路,其一为透过人体和感测器直接耦合(I2);其二为从感测器到邻近感测器之间形成边际电场耦合(I1)。自容的主要讯号来源为I2,大多来自手指与感测器之间直接的电容耦合(图1中)。

  直接电容耦合可利用平行板电容公式C=E0×Er×A/d推算,其中E0是自由空间的介电系数,Er是触控屏幕保护层的相对介电系数,A是手指覆盖的面积,d是手指与感测器之间的距离,中间隔着触控屏幕保护层材料,图1的C1与C2分别是行动装置与人体相对于地面的电容。这些电容通常远高于直接耦合电容,因此所有这些的电容串联会降低直接耦合电容,然而C1通常小到足以降低整体直接电容耦合,尤其是当行动装置完全以电池供电,且没有连结充电器的时候。

  边际电场讯号I1在触控时会增加一些触控讯号,因为手指会吸收这个讯号,并透过人体传导到地面(加到I2)。触控屏幕上没有被触碰到的水气,会对I1产生很大的影响,而这些水气也是电容式触控屏幕产生误差的主要来源,水气会增加邻近感测器之间的边际电场,进而增加电容。端视触控屏幕保护层的厚度与介电系数,可能导致足够的电容变化,如手指轻触,让感测电路将它误判为假性触控。欲解决这个问题,就得使用传导屏蔽(有时称为Guard保护层)(图2)。

  

  图2 屏蔽状态下的基本自容物理模型

  利用复制的TX来驱动邻近感测器,即可消除I1且感测电路不会侦测到任何电容。但若要实际应用此解决方案,触控屏幕控制器必须能机动地切换感测接脚,即时在TX、RX及屏蔽之间切换,进而感测到整个触控屏幕。在传统CapSense按钮上,屏蔽技术也能同样运作。

  图3则是以不同的方式让读者了解I1、I2及感测到的电流IRX如何随触碰、水气等因素,以及在有屏蔽与无屏蔽状态下产生的各种变化。互容的原理是感测两个感测器之间的电容(图4)。

  

  图3 自容电流在不同状态与时间下的变化

  

  图4 屏蔽状态下的基本互容物理模型

此时,TX套用到一个感测器上,而RX则套用到另一个邻近感测器。互容感测的物理原理和自容相同,但手指讯号的主要来源是边际电场而不是直接耦合。手指会吸走电荷,并表现在电流上,而这个电流在正常情况下都是经过边际电场(I1)再透过人体(I2)传到地面,整体效应就是两个感测器之间的互容减少。触控屏幕上没有被手指触碰到的水气,也会产生像自容一样增加边际电场的强度进而提高电容讯号,并增加流到RX的电流。图5为另一种互容感测呈现方式。

  

  图5 互容电流在不同状态与时间下的变化

  自容/互容感测各有所长 两者兼顾设计挑战高

  具传导屏蔽的自容感测,虽然能有较佳的抗水性功能,但却无法支援真正的多点触控。从较高层次的观点来看,互容感测应该也适用于抗水性,因为在触控屏幕表面上增加水气会导致与手指触控相反的磁性改变,但这也意味移除水气和手指触控并无差别。

  具传导屏蔽的自容,虽然能在有水气的情况下运作,但却无法支援多点触控效能。相反的,互容能支援多点触控的效能,但遇到水气时却无法正常运作。对抗水性来说,最可靠稳定的解决方案就是同时使用互容与自容感测,而要实际应用这种解决方案,前提就是触控屏幕控制器必须能在TX、RX及屏蔽之间动态地切换接脚功能。

  然而,结合自容与互容感测,却无法对湿手指追踪功能带来优势,因为当手指触碰到触控屏幕上的水气时,水气就会和手指合为一体成为导体,此时手指会吸走边际电场电流,并传导至地面降低电容。

  不过在拨打电话时,触控表面的触控反应状况,也可能类似当大姆指或脸颊贴近整个屏幕时的反应一样,得视水气多寡及水气在屏幕表面的分布情况决定。若没有运用特别演算法来处理这个大面积的讯号,触控屏幕控制器就会以水气覆盖面的中心点来进行运算,可能会造成距离的误差(图6)。

  

  图6 湿手指追踪触控精准度误差

  尽管可利用讯号中的资讯来改进精准度,但若只想藉电容感测技术,让追踪湿手指的精准度达到和追踪没有水气时正常手指位置的精准度,则较不切实际。

  电容式触控屏幕产业尚未对防水做明确定义,虽有一些通用标准,但大多用于破坏性测试,并未涵盖触控屏幕,因而抗水性与湿手指追踪逐渐受业界注意;此外,了解水气对自容与互容所产生的不同影响,智慧触控屏幕控制器架构加上成熟的智慧财产权,将可解决当前难题。

关键字:自容  互容感  电容式  触控屏幕

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1014/article_19996.html
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