自 2007 年推出 iPhone? 以來，投射電容式觸摸屏技術已被越來越多的應用所采用。然而，將投射電容式觸摸傳感器集成到觸摸屏設備中仍然是一個具有挑戰性的問題，特別是在LCD顯示器、外圍設備和環境產生的噪聲方面。最有前途的解決方案之一是利用高信噪比（SNR）觸摸屏控制器來解決噪聲問題。高SNR控制器還具有本文探討的許多其他優點。

SNR定義為信號（有意義的信息）和背景噪聲（不需要的信號）之間的功率比。如果在同一阻抗上測量信號和噪聲，則可以通過計算均方根（RMS）幅度值的平方來獲得SNR。功率值的數值比值（PS/PN） 通常非常大，最好使用對數分貝 （dB） 刻度來描述。因此，信噪比可以表示為：

SNRdB = 10log10(PS/PN) = 10log10(RMSS/RMSN)2 = 20log10(RMSS/RMSN)

較高的SNR值表示相對于背景噪聲測量的信號強度較高。

整體觸控性能

從高層次來看，有兩個主要組件決定了整體觸摸性能：觸摸傳感器設計和觸摸控制器集成電路。存在各種觸摸傳感器圖案設計，通常以指示圖案形狀或構造的名稱來指代，例如三角形、菱形、雪花、街道和小巷以及電線桿。例如，“菱形”是菱形（菱形）結構的網格，而“街道和小巷”是類似于城市布局的相交行和列的網格。一些模式使用單層ITO，而其他模式則需要兩層或三層，具體取決于所需的系統性能和觸摸控制器集成電路的架構。

通常，觸摸傳感器模式和層結構（“堆疊”）是根據觸摸控制器架構量身定制的，以最大限度地提高SNR。例如，在具有交叉（短路橋）的單層互電容菱形圖案中，從觸摸表面到ITO的X層和Y層的距離是相同的。這減少了增益誤差，并使行和列的SNR水平相似。但是，這種設計可能需要屏蔽層，以防止接收傳感器從LCD下方拾取噪聲。使用具有高SNR的觸摸控制器可以通過放寬對設計的限制來降低觸摸傳感器成本，從而可以使用更廣泛的圖案和層結構。本應用筆記稍后將討論，像MAX11871這樣的高SNR觸摸控制器可以提供額外的優勢，例如更容易找到觸摸的質心，降低觸摸屏對環境噪聲的敏感性，以及允許使用手套和小尖端導電手寫筆。

控制器架構

兩種主要的競爭投射電容觸摸技術是自電容和互電容[1]。以下是每個方法的簡要摘要。

自電容

早期的procap方法至今仍在使用

通常僅限于一次觸摸，或兩次重影觸摸（與預期觸摸位置相關的錯誤觸摸）

鉆石圖案最常見

更低的液晶抗噪能力

更簡單、成本更低的控制器

互電容

新一代設計獲得市場份額

真正的多點觸控，具有兩個或多個明確的觸摸

更好的觸摸精度

在傳感器模式設計中具有更大的靈活性，有助于最大限度地提高 SNR

更好的抗噪能力

更復雜、成本更高的控制器

許多應用只需要一兩次觸摸，因此自電容解決方案可能很有吸引力，特別是如果可以控制用戶界面中的觸摸位置以消除重影。雖然使用自電容系統可以實現超過30dB的典型SNR，但這通常需要在LCD和傳感器底部觸摸層之間有一個屏蔽層，這會增加成本并降低顯示器亮度。

其他技術可以應用于自電容解決方案，以進一步提高SNR。這些措施包括（a）增加每個通道的采樣數量，（b）增加傳感器驅動電壓，這在存在固定背景噪聲（例如來自LCD的噪聲）的情況下增加信號幅度，以及（c）在不同頻率下采樣以避免固定頻率干擾，例如60Hz（這稱為“頻率抖動”）。然而，這些技術通常也會降低幀速率并增加功耗，這兩者都通常是不可取的。

為了最大化SNR并支持兩個或多個明確的觸摸，很明顯，最理想的觸摸系統架構依賴于互電容。圖1中的系統框圖示出了將激勵信號施加到其中一個觸摸傳感器電容板的廣義互電容實現方案。另一個觸摸傳感器電容板連接到觸摸控制器的模擬前端（AFE）。AFE輸出被轉換為數字形式，并在數字信號處理器（DSP）中進一步處理。

圖1.廣義互電容系統的系統框圖。

設計挑戰

將投射電容式觸摸傳感器集成到配備觸摸屏的設備中時，存在許多技術挑戰。以下段落描述了可以從高 SNR 觸摸控制器中受益的一些最常見情況。

傳感器堆疊：當今觸摸行業中存在各種各樣的觸摸傳感器層結構，由材料考慮、設備厚度目標、性能要求和成本目標驅動。圖 2中顯示了一個示例。單個和多個基板、“面朝上”和“面朝下”結構、X 和 Y 傳感器層厚度的變化、光學透明粘合劑 （OCA） 厚度的變化以及其他因素都會影響傳感器產生的信號電平。高SNR觸摸控制器可以降低這些結構差異的重要性，因為它能夠處理更寬的觸摸傳感器信號的動態范圍。這為設計師在堆疊設計方面提供了更大的自由度。

圖2.許多不同的互電容觸摸傳感器堆疊之一（不按比例縮放）。

厚蓋鏡頭：某些應用（如銀行 ATM）可能需要厚蓋鏡頭來保護顯示器免受破壞。但是，較厚的蓋板會降低手指觸摸檢測的信號強度并降低觸摸位置的準確性，因為手指離觸摸傳感器更遠。這“分散”了電容曲線并降低了峰值，這使得確定預期觸摸的精確位置變得更加困難。戴手套的手也有類似的效果。

LCDVCOM類型：LCD VCOM是指“公共電壓”，即典型LCD的參考背板電壓。驅動背板的技術因系統要求而異。兩種常見的方法是AC VCOM和DC VCOM。AC VCOM 在多個電壓電平之間調制背板，而 DC VCOM 在背板上保持恒定電壓。前一種方法會產生更多的噪音。

觸摸傳感器和蓋板之間的氣隙：觸摸屏設備最終用戶報告的最常見問題之一是蓋板損壞。為了使產品更薄，可以將投射電容式觸摸傳感器層壓到蓋板的背面。但是，在更換損壞的蓋板時，還必須更換觸摸傳感器，這增加了維修成本。為了避免這種成本以及層壓的成本和較低的良率，設備制造商通常用薄墊圈將觸摸傳感器和蓋板分開。

但是，當觸摸傳感器和蓋板之間引入氣隙時，觸摸傳感器檢測手指觸摸變得更加困難，因為空氣的低介電常數會降低手指觸摸的信號強度。解決這個問題的一種方法是提高觸摸系統的靈敏度閾值。然而，這是一個危險的游戲，因為傳感器可以接收到無意的信號，例如LCD噪聲或來自環境的其他環境噪聲，這使得觸摸傳感器更難區分觸摸和噪聲。

工業設計要求：一些設備制造商將觸摸傳感器直接層壓到顯示器上，以實現更薄的整體設計。但這也帶來了巨大的風險，因為觸摸傳感器位于一個重要的噪聲源的頂部。一種解決方案是在觸摸傳感器和顯示器之間添加屏蔽層。然而，添加額外的ITO層會增加整體材料成本，并對光學清晰度產生負面影響。

On-Cell觸摸傳感器：為了降低整體制造成本，LCD制造商越來越多地采用的一種方法是將觸摸傳感器直接放置在濾色玻璃的頂部，偏光片下方。雖然這消除了對外部傳感器和層壓的需求，但觸摸傳感器的位置更靠近顯示器的中心，這進一步增加了傳感器看到的噪音水平。

觸摸控制器位置：投射電容式觸摸控制器最常位于觸摸傳感器電纜（柔性芯片或PCB芯片）上，有時直接位于觸摸傳感器上（玻璃芯片）。但是，為了更容易地測試觸摸傳感器，某些設計要求將觸摸控制器安裝在系統主板上。這種方法可能需要將觸摸傳感器連接到觸摸控制器的長柔性印刷電路（FPC）。長FPC可以充當天線，很容易拾取額外的噪聲，使觸摸控制器更難處理來自觸摸傳感器的模擬信息。

其他噪聲源：移動設備上的主要噪聲源來自LCD顯示屏，LCD逆變器，Wi-Fi?天線，GSM天線以及設備內的各種高速電路。環境噪聲也會對觸摸系統產生重大影響。某些交流電源會產生高水平的噪聲，這些噪聲很容易通過設備的交流適配器傳導。此外，當設備靠近強噪聲源（如桌面熒光燈）放置時，觸摸系統可能會將噪聲誤解為故意觸摸。

對于正常情況下正常大小的手指（> 7mm），高SNR控制器可能比低SNR控制器沒有顯著優勢。當微弱的輸入信號（例如由手寫筆或戴手套的小手指或戴手套的手指產生的信號）與嘈雜的環境相結合時，優勢就顯現出來了。在這種情況下，低SNR控制器無法將信號與基線噪聲區分開來。如果降低檢測閾值以提高觸摸檢測靈敏度，則觸摸系統很容易被噪聲觸發，從而導致意外激活。在實際應用中，絕對不允許意外激活。

應用挑戰

觸摸精度：觸摸精度是觸摸傳感器設計中的一個重要指標。例如，在虛擬觸摸屏鍵盤應用程序中，字符被緊密地包裝在一個相對較小的區域中。對觸摸的精確響應對于避免錯誤鍵入的字符至關重要。實現高精度的一種方法是在控制器中添加更多傳感器通道，以支持更高的觸摸傳感器網格密度。但這也帶來了成本損失，因為觸摸傳感器和觸摸控制器上都需要更多引腳。此外，更多的傳感器通道需要更多的走線沿著觸摸屏的邊框運行，這可能會增加邊框寬度。

高SNR觸摸控制器提高了觸摸精度，因為它可以從觸摸中讀取更強的信號，并從更大的周圍區域收集樣本數據。較大的區域提供了更多的參考點，從中可以計算出觸摸的精確位置。圖3顯示了觸摸控制器SNR對手持4mm金屬塊的機械臂繪制的線條圖的影響。使用高SNR控制器繪制的線明顯比使用低SNR控制器繪制的線更平滑。請注意，這些測量值是使用相同的觸摸傳感器和相同的后處理軟件記錄的，以確保比較的公平性。

圖3.由手持 4 毫米金屬塊的機器人手臂制作的線條圖。左圖反映了高信噪比觸摸控制器的使用;右邊的那個，一個低信噪比觸摸控制器。

手寫筆：電阻式觸摸屏用戶早已習慣于使用細尖手寫筆。典型的電阻式觸摸屏手寫筆的尖端直徑小于1mm，通常由非導電塑料制成。對于投射電容式觸摸系統來說，檢測如此小的非導電設備一直是一個極其困難的挑戰，因為它對觸摸控制器產生的信號的影響非常微弱。市場上許多現有的觸摸系統都需要大直徑的手寫筆（3mm到9mm），這很難用于繪圖和書寫，因為大筆尖遮擋了正在創建的數字墨水。

高SNR觸摸控制器可以檢測到尖端為1mm的手寫筆，只要手寫筆涂有導電材料（相對較小的犧牲）。圖4顯示了觸摸控制器SNR對檢測尖端為2mm的導電手寫筆的影響。低SNR控制器很難識別背景嘈雜的小手寫筆，尤其是在屏幕最嘈雜的部分。在低SNR情況下，將手寫筆減少到尖端1mm將導致所需信號被隱藏在背景噪聲中，從而使手寫筆無用。

圖4.在 4 英寸顯示屏上 2mm 導電手寫筆的這些電容曲線中，左側的配置文件反映了高 SNR 觸摸控制器的使用;右邊的那個，一個低信噪比觸摸控制器。手寫筆位于綠色圓錐體的頂點;白色表面的高度表示整個顯示器的背景噪聲級別。SNR的大幅增加可有效降低背景噪聲的峰峰值幅度，如左圖所示。如果將右側配置文件中的手寫筆移動到屏幕的左邊緣，則信號將在噪音中消失，手寫筆將停止工作。

懸停檢測：接近檢測正逐漸被觸摸屏應用采用。例如，通過使用電子閱讀器應用程序時提高觸摸系統的靈敏度，用戶可以通過手勢翻頁，而無需物理觸摸屏幕。但是，靈敏度更高的觸摸系統也可能由周圍噪聲觸發。對于設計師來說，尋找最佳平衡，在不引起意外激活的情況下最大化接近距離是一場持續的斗爭。三菱電機公司在這一領域做了一些有趣的研究，因為該公司創建了一個觸摸系統，可以根據觸摸手指是懸停還是實際觸摸來自動調整其靈敏度[2]。

手套操作：在醫療應用中，觸摸屏應適合戴手術手套使用。同樣，汽車中的觸摸屏GPS設備應適合戴手套使用。大多數冬季手套由介電材料制成，這使得觸摸傳感器難以檢測到觸摸。當用戶未戴手套時，增加觸摸控制器的靈敏度可能會導致意外觸發。目前市場上唯一的解決方案要求應用程序（或用戶）根據使用情況選擇不同的靈敏度級別。

結論

高SNR投射電容式觸摸控制器具有許多優勢。它可以適應廣泛的設計和應用要求，例如手寫筆、小手指和手套。它可以提高報告的觸摸位置的準確性，而無需特殊的ITO傳感器圖案或添加更多傳感器通道。它可以適應各種具有各種背光的顯示類型，同時保持良好的觸摸性能。它在傳感器設計和制造要求方面提供了更大的靈活性。它可以在嘈雜的環境中實現觸摸系統操作，并且還能夠減輕設備本身發出的噪聲，例如LCD顯示屏，WiFi天線，GPS天線和AC適配器發出的噪聲。它使設備 OEM 能夠自由地從更廣泛的組件中進行選擇。最后，從性能的角度來看，它提供了精確的觸摸精度。總之，高SNR觸摸控制器可為最終用戶提供強大的體驗。

審核編輯：郭婷