touch panel 驱动原理内部资料.ppt

,觸控面板相關介紹及應用,部門:研發部作成者:黃俊霖提出日期:2008/9/10,outline,t/p發展趨勢及種類應用介紹t/p相關原理介紹(電阻式、電容式、聲波式、紅外線式、彎曲波式觸控面板)電容式t/p相關製程介紹itopattern及metaltrace介紹(bycypress)t/picsense原理介紹投射式電容式t/p觸控方法(bycypress),觸控式面板觸動新商機,在iphone手機掀起觸控面板應用風潮下，觸控面板作為人機介面的應用產品將日益廣泛，除了個人攜帶的小型電子商品（主要為pda、手機、筆記型電腦、手機、數位相機）日益風行外，觸控面板將逐漸深入商業化及公共應用市場。這些市場產品包括影印機、印表機，或是工業上使用的機台控制面板，醫療應用的電子血壓計、監測系統，娛樂領域的賭博機台、遊樂器等，公用市場包括atm提款機、公共資訊資詢站、自動售票機，應用領域可說是日益廣泛，商機無限。,中小尺寸觸控面板未來需求強勁,現有的觸控式電子產品應用範圍廣泛,筆電觸控滑軌,數位相機觸控螢幕,手機觸控螢幕,pda觸控螢幕,遙控器觸控螢幕,mp3player觸控螢幕,家庭式住宅中央控制系統,觸控式開關系統可控制燈光、家電等設備,outline,t/p發展趨勢及種類應用介紹t/p相關原理介紹(電阻式、電容式、聲波式、紅外線式、彎曲波式觸控面板)電容式t/p相關製程介紹itopattern及metaltrace介紹(bycypress)t/picsense原理介紹投射式電容式t/p觸控方法(bycypress),touchpanel原理,電阻式touchpanel電容式touchpanel聲波式touchpanel紅外線式touchpanel彎曲波式touchpanel,電阻式touchpanel,電阻式觸控面板，是利用氧化銦錫導電玻璃（itoglass）及導電薄膜（itofilm）為主要材料，同時在上層的導電薄膜與下層的導電玻璃間設有撐開空間的點隔片（dotspacer），當手指、觸控筆或其他介質對上層的導電薄膜施加壓力，使上下層電極導通並產生電位差，由sensoric進一步計算施壓介質的座標位置並顯示於螢幕，其特色為靠壓力感應，對於觸控媒介沒有限制，不論手、鉛筆、木棒等均可操作，所以，即使戴上手套亦可動作，電阻式觸控面板示意圖如下頁圖示,觸控面板內層結構示意圖及作動原理,工作原理：電阻式觸控面板由itofilm和itoglass所組成，中間由dot所隔開，在itofilm和itoglass之間通入5v的電壓，藉由手指或觸控筆去觸碰itofilm形成凹陷然後下層的itoglass接觸而產生電壓的變化，再經由a/d控制器轉為數位訊號讓電腦做運算處理取得(x,y)軸位置，進而達到定位的目地,電阻式觸控輸入裝置,一般電阻式觸控輸入裝置，其構造是由上、下二層ito(透明金屬導電膜)電阻膜構成(圖1.1)，即x層與y層，在x層電阻膜上，以x軸方向分佈有一對由ito電阻膜連接之電極，分別在x層電阻膜之最外側兩端是為x+與x-電極；在y層電阻膜上，以y軸方向分佈也有一對由ito電阻膜連接之電極，分別在y層電阻膜之最外側兩端是為y+與y-電極；在x+阻電阻膜上施加5v，x-接地，觸壓表面上任一點，再經由非通電之另一側電極y+測得x軸電壓值，讀取後則切換為y+加5v,y-接地，此時x+則不通電，可由x+測得y軸電壓值，經a/dconverter後即得出一座標值,圖1.1,四線式電阻touchpanel工作原理,設計主要又可區分為四線式、五線式、八線式。各個工作原理不盡相同，以下將簡略介紹四線式touchpanel結構組成包括一片氧化銦錫導電玻璃itoglass，以及一片itofilm導電薄膜，一般而言，itoglass與itofilm導電後均使用+5v的電壓（亦有廠商使用不同於+5v的電壓）。在這兩層導電體的中間以隔球spacer將itoglass與itofilm區隔開分開，其目的在避免無觸摸時造成短路而產生誤動作，如下圖所示,四線式電阻touchpanel工作原理,四線式主要工作原理為將上部及下部各視為負責x軸及y軸座標的工作。在itoglass與itofilm的四週邊緣各加裝兩條導電線路，同時於兩端各設定一固定電壓，使其成為一個均勻的電場。如以上層為x軸，（x+,x-）送出（5,0）v的電壓。由於在上下部間dotspacer為阻隔，使上下兩層絕緣。,四線式電阻touchpanel工作原理,若以手指、筆或其他介質對面板觸壓，便可使上下層接觸造成短路，產生壓降，由y軸負責傳送（此時僅x軸導電，y軸並未導電僅負責傳輸），y軸導電層所量測的電壓值由x軸負責傳送（此時僅y軸導電，x軸並未導電僅負責傳輸），如此迅速交替將所測得的類比信號之座標位置經由控制器轉換成數位信號，再將數位信號的座標值傳送至host端，便可得知觸壓點進而對主機進行存取的動作,五線式電阻touchpanel工作原理,五線式touchpanel主要組成方式與四線式大致相同，將itoglass與itofilm分成上下兩層導電層，導電後亦使用+5v的電壓。中間亦以spacer將上下兩個導電層分開。其最大的不同在於四線式上下層分別控制x軸與y軸各兩條導電線。但五線式則由下部導電層來控制x軸與y軸的四條線。,五線式電阻touchpanel工作原理,上層則全權負責量測將x軸與y軸所觸壓的電伏。所偵測到的電壓值傳送給控制器後取得座標，經轉換後將數位信號傳送至主機。由於上層為一個均勻的導電層的，任何一個點都可以負責傳輸電壓的工作，故較四線式的產品耐用度高，在稍惡劣的環境下亦能維持一貫的靈敏度與準確性，如右圖所示,八線式電阻touchpanel工作原理,嚴格來說八線式產品其實是四線式產品的延伸，為了避免因受環境的影響或其他週邊設備導致電壓的的讀取值有所誤差，於是除上下導電層的4條引線外各再增加一條參考線，共計8條。其目的在於做電壓校準，能讀取更實際的電壓值以提升操作的精準度,xleft,xright,ylower,yupper,touchpanel原理,電阻式touchpanel電容式touchpanel聲波式touchpanel紅外線式touchpanel彎曲波式touchpanel,電容式touchpanel,電容式觸控面板電容式觸控面板，跟電阻式比較，則是一個截然不同的技術，是以人體靜電感應為原理之觸控技術。純玻璃材質，表面電鍍一層特殊防刮保護層，足以對抗惡劣環境中之各種干擾源；其透光率最高可達95%，但僅能使用手指或專用筆觸控，以應用原理不同可區分為表面電容式及投射式觸控結構，以下個別介紹,表面電容式觸控裝置作動原理,於觸控屏的四個角落放置電極sensor,電極sensor散發出電壓在觸控面板表面，形成一均勻電場，當手指碰觸時會由四個邊界引發電流依觸碰點對四個邊界不同的距離，而有不同的電流強度，控制器由電流流量，計算出手指碰觸的位置，並產生一個電壓差，觸到電極的距離決定了這個電流/電壓的大小。,四角輸入法計算原理及公式,人與觸控面板沒有接觸時，各種電極（electrode）是同電位的，觸控面板沒有上沒有電流(electriccurrent）通過。當與觸控面板接觸時，人體內的靜電流入地面而產生微弱電流通過。檢測電極依電流值變化，可以算出接觸的位置。玻璃表面上氧化銻錫薄膜（ato）層有電阻係數，為了得到一樣電場所以在其週邊安裝電極，電流從四個角輸入如下圖,舉例來說，假設觸控面板位置中心為0，x軸與y軸位置可以下面方程式計算出：x軸：l1l4l2l3l1l2l3l4y軸：l3l4l1l2l1l2l3l4,投射式觸控螢幕,投影式觸控屏自從被iphone採用了以後又再一次成為焦點。從結構上來說，它包括了一個感應網格（sensearray/sensingarrangment），這個網格夾在兩個玻璃保護層之間，通常最外層為防護層（最大18mm），如下圖3.1所示它的定位原理是利用感應網格上的靜電電場的變化來確定接觸點的位置，具體的，當手指觸摸螢幕的時候，手指和網格之間形成一個電容（或者網格本身具有電容結構），控制器利用網格電氣參數的變化量來計算接觸點的座標位置。,投射式觸控面板作動圖,投射式觸控面板結構圖,投射式電容結構如下圖所示包含表面玻璃、感測格子、底面玻璃，投射電容方式的阻抗膜卻不是通過觸控領域，而是捕捉手指靠近時產生電極之間的電容變化。整體而言，幾乎可說是觸控切換器在使用電容感測方式時的二次元擴充版。投射電容方式不須類似阻抗膜方式的電極變形，距離觸控面板表面10毫米也能夠感測,touchpanel原理,電阻式touchpanel電容式touchpanel聲波式touchpanel紅外線式touchpanel彎曲波式touchpanel,聲波式touchpanel,工作原理:表面聲波式觸控面板利用傳送轉能器、接收轉能器、反射板及控制器所組成。音波式觸控面板構成及感應原理，為在玻璃的x、y兩軸上及其對邊各安裝傳送轉能器和反射板、接收轉能器（見圖3.1），再加上控制器組成音波式觸控面板。感應動作方式先由控制器傳送出5mhz的電子訊號到傳送轉能器，經由傳送轉能器轉換成超音波，並直接傳送過觸控面板的表面，到達反射板陣列，在對角的反射板接收到超音波之後，收集音波後送到接收轉能器轉換成電子信號，再傳到控制器儲存正常狀態的信號資訊。當使用觸控面板時，接觸指標物會吸收超音波造成衰減，所以接收時的信號已與未動作時不同，經由控制器比對使用前後的衰減量並計算後得出精確位置特點：基本上音波式觸控面板是為了改善電容式觸控面板的缺點而發展出來的，電容式觸控面板有易受雜訊和靜電干擾的特性，且雖然表面硬化處理達到7h，可是sio2為了不隔絕掉ito的表面電流，所以會鍍的非常薄，當施加在電容式的外力過大時，依然會有傷到ito的可能而造成故障，所以發展出來了音波式觸控面板,聲波式touchpanel,圖3.1,音波式觸控裝置作動原理,其優點防火性佳，防水、防污、耐刮性差，適合大尺寸，一般應用在kiosk或自動售票機的使用上,touchpanel原理,電阻式touchpanel電容式touchpanel聲波式touchpanel紅外線式touchpanel彎曲波式touchpanel,光學式touchpanel,工作原理:光學式觸控面板的工作方式是由四周圍的紅外線發射器和接收器所組成的，x軸和y軸所產生的紅外線形成矩陣式排列，當不透明物體遮斷其中的光線之後自然就定位出x軸和y軸了。使用兩組led發射與接收端，當x軸發射端led所發射之紅外線光，不能被接收端之led偵測到時，則表示為x軸觸壓點，反之，y軸得出一點，則可判定此點座標值。,光學式觸控裝置作動原理,touchpanel原理,電阻式touchpanel電容式touchpanel聲波式touchpanel紅外線式touchpanel彎曲波式touchpanel,彎曲波式touchpanel,彎曲波(bending-wave)觸控式螢幕技術，利用聲紋辨識技術(acousticfingerprinting)能夠在觸控式螢幕上更準確的定出敲擊觸控的位置工作原理：指觸碰到玻璃板所產生的聲波會在玻璃板之間傳遞開來，這些聲波會被連結在玻璃板上麥克風形式的壓電傳輸感應器(piezoelectrictransducers，piezos)偵測到，而收集到的訊號會予以數位化後進行觸控位置重建處理。這樣的系統可以放置在液晶顯示器(lcd)前方作為觸控式螢幕(touch-screen)輸入裝置。,彎曲波式touchpanel,彎曲波(bendingwave)，而在機械工程上，以彎曲(bending)一詞來表示承載重量下的樑柱。同樣地，當玻璃板承受筆尖輕輕觸碰時(像是手指按壓一樣)會產生彎曲。在這部份，我們特別專注在觸碰撞擊及移動筆尖之滑動磨擦力所造成的暫態作用力(transientforces)，這些暫態接觸力(transienttouchforces)在玻璃板產生彎曲波,各式touchpanel比較,outline,t/p發展趨勢及種類應用介紹t/p相關原理介紹(電阻式、電容式、聲波式、紅外線式、彎曲波式觸控面板)電容式t/p相關製程介紹itopattern及metaltrace介紹(bycypress)t/picsense原理介紹投射式電容式t/p觸控方法(bycypress),投射電容式觸控面板結構種類,外掛式按鈕式(button式)t/p內嵌式按鈕式(button式)t/p外掛式矩陣式(matrix式)t/p內嵌式矩陣式(matrix式)t/p並列式按鈕式(button式)t/p並列式矩陣式(matrix式)t/p,外掛式按鈕式(button式)t/p,按鈕式touchpanellayout圖,ito導線,itopad,可視區,外掛式電容式觸控面板側視結構圖,lc,topglass,bottomglass,capacitivet/pontopglass,lcd,fpc,內嵌式按鈕式(button式)t/p,lc,bottomglass,topglass,capacitivet/pbuilt-inlcd,內嵌式電容式觸控面板側視結構圖,按鈕式touchpanellayout圖,ito導線,itopad,可視區,lcd,fpc,外掛式矩陣式(matrix式)t/p,matrix式touchpanellayout圖,ito導線,ylayeritopad,可視區,fpc,外掛式電容式觸控面板側視結構圖,lc,topglass,bottomglass,xaxislayert/p,yaxislayert/p,xlayeritopad,capacitivet/pontopglass,lcd,isolationlayer,內嵌式矩陣式(matrix式)t/p,lc,bottomglass,topglass,內嵌式電容式觸控面板側視結構圖,matrix式touchpanellayout圖,ito導線,itopad,可視區,fpc,capacitivet/pbuilt-inlcd,lcd,yaxislayert/p,xaxislayert/p,isolationlayer,並列式按鈕式(button式)t/p,lc,topglass,capacitivet/pbuilt-inglass,bottomglass,lcd,可視區,fpc,ito導線,itopad,並列式內嵌式觸控面板側視結構圖,button式touchpanellayout示意圖,觸控區,觸控區,觸控區,並列式矩陣式(matrix式)t/p,lc,topglass,capacitivet/pbuilt-inglass,bottomglass,lcd,yaxislayert/p,xaxislayert/p,可視區,matrix式touchpanellayout圖,matrix式touchpanellayout示意圖,觸控區域,觸控區,isolationlayer,outline,t/p發展趨勢及種類應用介紹t/p相關原理介紹(電阻式、電容式、聲波式、紅外線式、彎曲波式觸控面板)電容式t/p相關製程介紹itopattern及metaltrace介紹(bycypress)t/picsense原理介紹投射式電容式t/p觸控方法(bycypress),itopatterningformatrixtype,ito(e.g.,)mustbepatternedonelayerforrowsoneforcolumnssamepattern(s)maybeusedforaxisintersectandall-pointsensingpatterningnormallydonewithacidetchlaserablationalsopossiblemanyshapesarepossible,itopatternshapes,itoshapes,avoidshapeswithlongconnectionstoomanysquaresofmaterialbetweenpadshexagonconnectionshowntargetfrom1.5to3squaresforconnectionslongconnections=highresistancehighresistance=longsensetime,itoshapes,diamondismostcommonshapeshortinterconnect(2squares)inuseover20yearsconnectmultipleatverticestomakerow/columnsquareoffendstocompleterow/column,rowsandcolumnsshouldalwayshavewholenumberofdiamondsendofeachrow/columnisalwaysahalfdiamond/triangleifroompermits,extendslightlybeyondviewingangleimprovessensingalongedgesofpanelstretchorshrinkineachaxistofitrequiredareadonotuseincrementsof0.5diamondsforcesatleastonerow/columnthatishalfthewidthnominalpitchforgoodsensingis5mm,itoshapes,row/columnconstruction,start/endeachrow/columnwithahalfdiamondthispreventspartialrows/columnscausesasymmetricsensing,兩者阻值不同,兩者阻值相同,metallization,rows/columnsmustconnecttotouchscreencontrollertracesroutedalongouteredgesonetraceforeachrowandcolumnlongthintracesmustbemetalizeditohastoomuchresistancetracesnormallyroutetoonelocationfortailattach,metallization,normallydoneusingsilver(ag)inksilkscreenorink-jetapplicationtypicaltracewidth/gapis250m(500mpitch)morerows/columns=widerborderse.g.,10columnsrequires5.25mmforroutingspacealsoavailableinphoto-etchedaluminumoftenlimitedtoglasssubstratesallowslinewidths50mconnecttorow/columnacrossfullwidthofpad,tracerouting,forself-capacitancesensingbringallrowandcolumnconnectionsfromsamesideofpanelnecessaryforvalidcentroidcalculationscanusebothsidesofpanelformutual-capsensing,diamondsstructureofprojectedito,matrixedarrayimplementationrows&columnsdiamondsminimizetracelengthtoconnectdiamonds,diamondsstructureofprojectedito,coordinatesarecalculatedwithtwoslidersrowsdeterminey-coordinatecolumnsdeterminex-coordinate,projecteditodesignguidelines,itosheetresistance(rs)20-250/itopatternsize,projecteditodesignguidelines,interconnectdimensions2squaresorlessmoreifcpislimitingfactor,projecteditodesignguidelines,#ofsquaresperdiamondassumesadiamondwithequalsides#s=4/pi*ln(hsensepad/winterconnect)0.1221example:5mmx5mmpadw/0.4mmgap#s=4/pi*ln(7.07/0.566)0.1221#s=3.1s,projecteditodesignguidelines,totalsensorresistancesquarediamondw/5mmsidesbestperformancewhen10k,maxof15kexample:r=(9diamonds+8interconnects)*150/=(9*3.1+8*2)*150/=30.3sq*150/=6.6k,projecteditodesignguidelines,metalizedsignaltracesinkjetorsilkscreenedsilverconductiveinkallrowsroutedonthesamesideallcolumnsroutedonthesamesidesamesideroutingensuresuniformsignallessthan1mmtracewidthmax500,projectedtracedesignguidelines(cypress),traceresistance,betweenthepsocandanyrowandcolumn,shouldbelimitedto500ohms.forgoodsensing,wewantamaximumresistanceinanyrowandcolumnofaround4kohms,outline,t/p發展趨勢及種類應用介紹t/p相關原理介紹(電阻式、電容式、聲波式、紅外線式、彎曲波式觸控面板)電容式t/p相關製程介紹itopattern及metaltrace介紹(bycypress)t/picsense原理介紹投射式電容式觸控面板觸控方法(bycypress),投射式電容式touchpad基本架構,touchpanel的基本運作示意如右圖所示，當手指接觸panel時產生一類比訊號，經由a/d轉換器轉成數位訊號再送至後端的微控制器(controller及mcu)作處理,touchpanel基本運作示意圖,原理：如下圖所示，當手指靠近pad，會使cm增加，而造成rcdelay效應，其中cr為已知的參考電容，兩邊的訊號經由經由referencedelayline及sensingdelayline電路後，通過比較器的訊號dd_ref及dd_mea比較出差異值delay,微控制器感應sensor電路架構(m公司solution),當手指靠近時會使cm產生改變，而由電路判讀出座標值,1,2,微控制器感應電路公式(m公司solution),如上電路圖所示，因rcdelayeffect造成時間上差異delayfromclktod_ref:tr=r1crln2delayfromclktod_ref:tm=r2cmln2其中cm與cr與分別代表measure&referencecapacitancetr-tm=(r1cr-r1cm)ln2其中tm與tr與分別代表量測與參考訊號d_mea與d_ref由於cm(手指觸摸)的變化，造成timedifference的差異，即量測與參考訊號間的差異，並經由比較器比較出來,華矽開發平台ma81p0xdemokit,開發驗證板,touchsensor測式軟體,華矽開發平台ma81p0xsensoriclayout圖,產品範例3.5”tftlcd+3.5”capacitivet/p(buttontype-12pad),outline,t/p發展趨勢及種類應用介紹t/p相關原理介紹(電阻式、電容式、聲波式、紅外線式、彎曲波式觸控面板)電容式t/p相關製程介紹itopattern及metaltrace介紹(bycypress)t/picsense原理介紹投射式電容式t/p觸控方法(bycypress),projectedcapacitivetouchscreencontrollersolutions,single-touch,multi-touchgesture,multi-touchall-point,onefingertouch/trackingscrollcapabilities,twofingergesturesgrow/shrink,rotate,etc.singleobjectatatime,multi-fingerlocationsall-point-addressable(apa)manipulatemultipleobjectsatonce,icon,icon,icon,icon,icon,icon,multi-touch,usagemodelsscratchpad/charactercaptureicon-baseddesignsscrollingcypresssingle-touchpartscy8ctst100family(4.7”screens)cy8ctst110family(4.5”screens)cy8ctst120family(8.5”screens)cy8ctst200family(q408)developmenttoolsevaluationkit:cy3220-tmg110developmentkit:cy3290-tstxxxsoftwaretools:psocdesignercsd/csausermodulesdesignguide:inquirew/cysales,artisttrack1artisttrack2artisttrack3artisttrack4artisttrack5,b,8,*lowersheetresistance=betterperformance,performancespecs,single-touchforcypressic,usagemodelspictureviewercypressmulti-touchgesturingpartscy8ctmg100/110family(4.7”screens)cy8ctmg120family(8.5”screens)cy8ctmg200family(q408)q2-q3:multi-touchgesturedevicesprovidedaspre-programmedpartsdevelopmenttoolsevaluationkit:cy3220-tmg110developmentkit:cy3290-tmgxxxsoftwaretools:multi-touchgestureumsdesignguide:inquirew/cysales,performancespecs,*lowersheetresistance=betterperformance,multi-touchgesture,axisintersectmatrixismulti-touch,intersectionofcentroids=touchonecentroidperaxis=onetouchtwocentroidsperaxis=twotouches,axisintersectmulti-touchresolveproblem,2touches=4intersectionsaxisintersectxymatrixcandetectpresenceoftwo(ormore)touchescanonlyresolvelocationofsingletouchsecondtouchaddsghostpointsnolongerknowwheretherealtouchesarelocated,axisintersectmulti-touchgestures,axisintersectcansupportmulti-touchgestureslimitedscopeofgestureswaystoremoveghostpointslimitedscoperemainsquiteusefulpan-up/down,left/rightpinch-zoomin/outrotate-left/rightmanyothergesturespossible,axisintersectpinchgesture,operationtwotouchesnotinthesameverticalorhorizontallinedefinesarectanglefingerscometogetherormoveapartdeltaareaofrectanglesetstypeofzoom(in/out)amountofzoomnoneedtoknowexactlocationoftouchesrelativelocationandmotiondeterminegesture,axisintersectrotategesture,operationtwotouchesonefixedtheothermovingmovingfingersweepsanarcintersectionsdefinearectanglechangesorientationbetweenportraitandlandscape,multi-touchghostpointremoval,oftenpossibletoremoveghostpointslogic-basedremovaltimebasedlocationbased(splitscreen)all-pointsensing*time-basedremovalassumestouchesoccursequentiallysmallnumberofmillisecondsneededsecondtouchcreatespairofghostsrealtouchisalwaysdiagonalfromfirsttouch*all-pointsensingdoesnothaveghostpoints,multi-touchlocationbasedremoval,requiressegmentationoftouchmatrixsingletouchscreenmayha