Hvordan er et billigere berøringskontrolsystem designet

Kapacitive touchskærmeer i stigende grad blevet mainstream og er ikke længere en nyhed. Deres adoption fortsætter med at vokse, efterhånden som enheder som smartphones og tablets sendes i millioner. Men nu hvor de er allestedsnærværende, er forbrugerne mere tilbageholdende med at betale en højere præmie for teknologien.

For at opretholde fortjenstmargener i dette konkurrenceprægede miljø skal OEM'er reducere enhedsomkostningerne - og touchscreen-modulet er en af ​​de dyreste komponenter i touchscreen-drevne enheder. Ved at bruge de rigtige panelstack-ups og mønstre, skærme, materialer, routing og controller, kan designere reducere deres systemomkostninger.

Dækobjektiv og berøringsskærmsensor

Et standard berøringsskærmsystem omfatter en projiceret kapacitiv berøringsskærmssensor lamineret til et beskyttende dækglas, et bundet fleksibelt trykt kredsløb (FPC) med berøringsskærmscontrolleren monteret på det, og et display. FPC'en forbinder touchscreen-controlleren til værtsprocessoren. Displayet sidder under touchscreen-sensoren og er normalt adskilt af en luftspalte eller er direkte lamineret.

1. Et standard kapacitivt berøringsskærmsystem omfatter en projiceret kapacitiv berøringsskærmssensor lamineret til et beskyttende dækglas, en bundet FPC med berøringsskærmscontrolleren monteret på den, og displayet.

Dæklinsen er det øverste fysiske lag af touchscreen-systemet. Dets omkostninger kan variere meget afhængigt af materialetype (glas eller polymethylmethacrylat eller PMMA), specielle belægninger (oleofobe, hydrofobiske), dekorative blæk eller antallet af borehuller til kameraer eller sensorer. PMMA, et billigere, lettere og brudsikkert alternativ til den mere holdbare og optisk transmissive glasmulighed, kan reducere disse omkostninger med op til 50 %.

PMMA-sensorer kan dog lide af lavere signalfølsomhed. Desuden er PMMA mere fleksibel end glas, så det kan udvise problemer med panelbøjning, når en finger eller en anden genstand trykker ned med betydelig kraft. Panelbøjning kan forårsage falsk og unøjagtig berøringsrapportering. Alligevel kan et glassubstrat eller et ekstra skjoldlag i touchscreen-sensoren forhindre panelbøjning. Derfor skal dækglasmaterialet nøje overvejes til enhver berøringsskærmssensoropbygning(Fig. 2).

2. Moderne touch-produkter bruger flere typer sensor-stack-ups.

Touchscreen-sensorer er komplekse strukturer. De er bygget ved at sputtere indiumtinoxid (ITO) på et glas- eller polyethylenterephthalat(PET)-substrat og derefter ætse et proprietært mønster ind i ITO'en. Mønstrene og strukturerne, der udgør hvert sensorlag, er tilpasset systemets designbehov.

Standard berøringsskærmdesigns bruger typisk to-lags ITO berøringsskærmssensorer såsom MH3 og diamantsensorer i figur 2 for at opnå god nøjagtighed, linearitet og multi-touch ydeevne. To-lags sensordesign bruger enten glas eller polyethylenterephthalat (PET) substrater. PET er billigere og giver bedre skærmstøjimmunitet, men vil lide under en lille forringelse af optisk klarhed. I sidste ende er den mest effektive metode til at sænke omkostningerne til touchscreen-sensorer at reducere antallet af stable-up-lag.

Ved at integrere enkeltlagssensorer kan systemdesignere reducere sensoromkostningerne med op til 50 %. Færre lag – substrat, ITO, optisk klar klæbemiddel (OCA) – hjælper berøringspanelleverandører med at trimme materiale- og værktøjsomkostninger. Håndtering af færre lag forbedrer også produktionsudbyttet. Lavpris enkeltlagsberøringsskærme bruger et enkelt PET-substrat med et forenklet proprietært mønster med god optisk transmissivitet.

Fra et præstationssynspunkt har enkeltlagssensorer nedsat nøjagtighed og linearitet og begrænser antallet af understøttede fingerberøringer (normalt kun en finger eller to fingre). Disse billige enkeltlags-sensorløsninger er ideelle til smarte smartphones og feature-telefoner.

Systemdesignere, der tidligere brugte resistive berøringsskærme eller ingen berøringsskærme, bør finde denne stack-up-mulighed velegnet til deres design- og budgetbehov. Sammenlignet med resistive berøringsskærme tilbyder kapacitive enkeltlags berøringsskærme markante fordele, herunder forbedret optisk klarhed, lavere effekt, øget holdbarhed og forbedret brugeroplevelse.

Enkeltlags multi-touch-løsninger som Cypress's SLIM (Single-Layer Independent Multi-touch) kan reducere omkostningerne så meget som 40 % sammenlignet med dobbeltlags sensorer. Enkeltlagssensorer giver en let nedsat ydeevne, men udmærker sig ved at understøtte de tyndeste formfaktorer. Enkeltlags multi-touch-sensorer understøtter også tynde eller kantløse berøringsskærmssensorer, hvilket gør det muligt at udvide berøringsskærmens aktive område. Designere, der er interesserede i at reducere både omkostninger og tykkelse, kan overveje enkeltlagssensorer som en levedygtig mulighed.

Mindre skærmstørrelser er betydeligt mere økonomiske. Størrelsen af ​​det aktive område vil påvirke berøringsskærmomkostningerne. Det er klart, at systemdesignere skal overveje alle veje for at optimere paneldesign og valg.

FPC design

En anden mulighed for at reducere enhedsomkostningerne er gennem FPC-design. FPC'en forbinder individuel sense-input/output (I/O'er) fra touchscreen-panelet til touchscreen-controlleren og fra touchscreen-controlleren til værtsprocessoren.

FPC'er kan være aktive eller passive. I aktive FPC'er er touchscreen-controlleren og eventuelle andre nødvendige eksterne komponenter såsom modstande og kondensatorer monteret på selve FPC'en. I passive FPC'er inkluderer FPC'en kun routingspor og touchscreen-controlleren, og eksterne komponenter er monteret på et printkort (PCB).

Uanset om de er aktive eller passive, kan FPC'er dirigeres på flere måder. Jo mere effektiv og alsidig routing, jo lettere er det for andre hardwarekomponenter at blive integreret. Husk dog, at omkostningerne stiger med antallet af lag, der kræves til routing. Gennemtænkt routing på et enkelt lag vil hjælpe med at minimere FPC-omkostninger. Enkeltlags routing har også betydelige fordele for både signalintegritet og kompakt FPC-design.

Viser

I et touchscreen-system sidder den projicerede kapacitive touchscreen-sensor oven på skærmen. Skærme er i sagens natur støjende, hvilket kan forårsage, at skærmstøj kobles direkte til berøringsskærmssensoren(Fig. 3). Dette mindsker berøringsfølsomheden og frembringer falsk berøringsaktivering. Gode ​​designvalg kan afbøde skærmstøj og have en væsentlig indvirkning på ydeevne og omkostninger.

3. Skærme er i sagens natur støjende. Støj fra skærme kan kapacitivt kobles til berøringsskærmen og mindske berøringsydelsen.

For at blokere displaystøj implementerer industrien traditionelt et ekstra ITO "skjold"-lag mellem displayet og touchscreen-sensoren. Selvom det er effektivt, tilføjer skjoldlaget omkostninger og øger tykkelsen af ​​berøringsskærmmodulet. Et alternativ er at bruge en lille luftspalte, typisk mellem {{0}},2 mm og 0,5 mm, til at adskille skærmen fra touchscreen-sensoren.

En luftspalte er mere omkostningseffektiv end et skjoldlag, men det øger også berøringsskærmens modultykkelse, hvilket er ved at blive uønsket for OEM'er, der ønsker at bygge slankere og tyndere enheder. Et vigtigere designvalg vil være valget af selve displayet.

I øjeblikket er de mest populære skærme, der bruges til mobiltelefoner og tablets, stadig tynd-film transistor (TFT) LCD'er, som almindeligvis er tilgængelige i to varianter: DC fælles spænding (DCVCOM) og AC fælles spænding (ACVCOM). Forskellen er den metode, der bruges til at drive det fælles elektrodelag (VCOM). En anden stadig mere populær skærm i avancerede enheder er den aktive matrix organiske LED (AMOLED) med dens brede betragtningsvinkler, forbedret lysstyrke og kontrast, lavere strømforbrug og reduceret tykkelse.

AMOLED'er udsender meget lidt skærmstøj og er blandt de mest støjsvage skærme, men de er dyre.

DCVCOM er også generelt en stille skærm og dyr. I modsætning hertil er ACVCOM højstøj, men relativt billig. Valget af en skærm afhænger i høj grad af enhedens hensigt til slutkunder. Målapplikationen vil vurdere den hardware og ydeevne, der er egnet til sine kunder.

Touchscreen controller

Selvom det ikke er så dyrt som displayet eller touchscreen-panelet, har valget af touchscreen-controlleren størst indflydelse med hensyn til touchscreen-systemets ydeevne. Touchscreen-controlleren inkorporerer kapacitiv sansnings- og behandlingsteknologi til at løse fingerberøringer og bevægelser ved at rapportere deres placering og adfærd til værtsprocessoren.

Når en finger placeres på en projiceret kapacitiv berøringsskærm, registrerer berøringsskærmens controller en ændring i kapacitansen og konverterer denne information til digitale værdier. Denne digitale konvertering behandles yderligere ved hjælp af sofistikerede berøringsopløsningsalgoritmer i touchscreen-controlleren, før berøringskoordinater og andre relevante data videregives til værtsprocessoren.

Støjfølsomme signaler er en stor teknisk udfordring for berøringsskærme. Controllere, der anvender analoge frontends af høj kvalitet, indbyggede støjhåndteringsfunktioner og sofistikerede behandlingsalgoritmer er obligatoriske. Da touch bliver den foretrukne brugergrænseflade for mange elektroniske forbrugere, vil kvaliteten af ​​touchscreen-controllere direkte påvirke slutproduktets brugeroplevelse. At vælge den rigtige touchscreen-controller er en integreret del af opnåelsen af ​​ydeevne og omkostningsfordele.

En controller, der giver et højt signal-til-støj-forhold (SNR) og effektiv støjhåndtering, vil være i stand til at kompensere for den signalstyrkeforringelse, der kommer fra støjkilder, såsom et billigere PMMA-cover-objektiv eller en støjende ACVCOM-skærm. For at hjælpe med at optimere ydeevnen af ​​lavpris- og multi-touch enkeltlagssensorer skal touchscreen-controllere levere kompatible behandlingsalgoritmer. Derudover kan omkostningsfordelene ved enkeltlags FPC-routing kun realiseres, hvis touchscreen-controllerens pinout giver mulighed for fleksibelt routingdesign.

Touchscreen-controllere kan også reducere systemomkostningerne gennem nogle af de avancerede funktioner, de understøtter. For eksempel fortolker de fleste touchscreen-controllere vand på en berøringsskærm som en fingerberøring, fordi de gensidige kapacitanssignaturer for vand og en finger er ens. For at løse dette problem kan leverandører af berøringsskærme tilføje et dyrt lag hydrofobisk belægning til dæklinsen.

Når vanddråber lander på dækglasset, hjælper belægningen med at bryde dem ad i mindre dråber, så de ikke længere registreres som berøringer. Alligevel kan en touchscreen-controller, der muliggør vandafvisning via dens hardware- og firmwarefunktioner, registrere og afvise vand påberøringsskærmmed indbyggede algoritmer og kan spare OEM ekstra coatingomkostninger.

Resumé

Erfarne designere, der grundigt forstårtouchscreen systemog dets nøglekomponenter kan reducere omkostningerne betydeligt gennem intelligente valg i design og valg af dækglas, sensormateriale og opbygning, skærmtype og FPC-ruting. En innovativ og højtydende touchscreen-controller kan opnå omkostningsreduktioner uden at gå på kompromis med ydeevnen, hvilket får slutproduktet til at sælge i første omgang.