一种触摸屏的多点触摸定位方法及触摸屏装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及触摸屏领域，特别是涉及了一种投射电容触摸屏的多点触摸定位方法 及投射电容触摸屏装置。
【背景技术】
[0002] 触摸屏（touch screen)是一种可接收触头等输入讯号的感应式信息输入装置，当 手指接触了屏幕表面时，触摸屏可以识别触摸，并对触摸动作和手势进行识别。将触摸屏与 显示屏（如LCD屏）上下叠加，形成一个紧凑的触摸输入，视觉反馈的人机交互系统，从而 实现对系统GUI (图形用户接口）进行直观操作的目的。采用触摸屏作为输入设备的设备， 体积小，操作直观，易于使用。投射电容触摸屏不仅具备触摸屏的一系列优点，而且具备多 点触摸和复杂手势识别能力，这使得触摸屏的应用范围大幅度扩展，大大提升了用户的使 用感受。投射电容触摸屏过去的几年在消费电子领域取得了巨大的成功，并且正在被广泛 应用到工业控制、公共信息查询、医学、金融等各个领域。投射电容触摸屏是一种特殊的位 置传感器，为了实现位置感应，需要将触点的位置信息映射到一个二维直角坐标系上，以获 取二维坐标信息。触摸屏在设计时通过在水平方向和垂直方向分别设计若干条宽度相等的 平行电极，从而模仿二维直角坐标系的X轴向和Y轴向的定标方法，将投射电容屏表面几何 区域映射到一个按照触摸电极宽度为单位进行刻度划分的二维直角坐标装置中。
[0003] 图1是一个传统的具有菱形电极的投射电容触摸屏的顶视图。左上角是该触摸屏 投射坐标系的原点位置，标识为Xl，X2, X3和Yl，Y2, Y3的电极分表代表X轴向和Y轴向的 定标尺度和方向。具有投射二维直角坐标系的电容屏在制造时通常都会遇到X方向电极和 Y方向电极垂直交叉的问题，为了保持两个方向电极的电气绝缘性，制造时一般会采用三明 治结构的三层结构设计，X方向电极和Y方向电极会被制造在不同的导电层，并且中间会使 用绝缘层隔开。为保持投射电容屏良好的透光特性，导电层电极材料一般采用IT0,而绝缘 层一般使用玻璃。如图1所示的电容屏，存在两种类型的电容寄生效应，即导电ITO电极之 间的寄生互电容效应和导电ITO电极的自电容效应。互电容是两个相互靠近的导体之间由 于存在电场作用而存在的寄生电容效应，图1所不电容屏的X电极与Y电极仅使用一个很 薄的绝缘层进行电气隔离，在电极交叉的位置彼此非常靠近，形成交叉电极相互间的寄生 互电容。自电容效应是导电ITO电极相对于地的电容，任何存在于地球附近的导体都具有 相对于地的自电容。ITO电极通常会被设计成特定形状（如图1的菱形），以使得电场能够 最大限度的向周围空间辐射，当手指或导体接近电极或电极交叉点时，导体间的空间辐射 电场会受到影响，从而造成电极自电容或电极交叉点处寄生互电容的变化。
[0004] 图2是具有M条横向电极和N条纵向电极的电容触摸屏面板的等效电路图。Cm代 表任意两条电极交叉点处寄生互电容，M条横向电极和N条纵向电极共形成M*N个交叉点， 且每个交叉点在二维坐标装置中有唯一的坐标。当手指靠近图2中的任何位置时，就会导 致触摸点位置附近的数个电极交叉点处的寄生互电容值发生变化，且这种变化强度沿触摸 手指中心向外扩展的数个电极交叉点满足高斯分布。
[0005] 投射电容触摸屏装置经过专门的设计，能够顺序扫描图2所示触摸屏面板上的每 一个电极交叉点，并精确测量每一个交叉点处的电容权重值，进而获取整个触摸屏面板的 互电容图像（电容图像每个元素对应触摸屏上对应坐标处电极交叉点互电容量化值）。一 般的电容屏装置，为了保证响应速度，要求的互电容图像帧扫描频率在20?200Hz之间。多 点触摸屏装置按照设定的帧率不断采集整个触摸屏面板的互电容图像帧，并对图像进行处 理，以确定是否触摸及触摸的数量及位置信息，具体可见引用文献1。
[0006] 图3是引用文献2中描述的一个传统的多点触摸屏装置框图。在该装置中，X方向 电极和Y方向电极被固定划分为驱动电极和感应电极。测量时顺序在每一个驱动电极施加 驱动信号，N条感应电极与N个电荷放大器连接，电荷放大器用于将驱动信号变化时的电荷 变化情况线性转换成电压波动，并使用ADC电路依次将每个电荷放大器输出电压波动转化 成数字量。当M条驱动电极被顺序的驱动一次后，就完成了对触摸屏面板上N*M个电极交 叉点的互电容测量，从而得到了整个触摸屏的N*M点阵互电容图像（单帧互电容图像）。装 置中的主处理器用于对采集到的电容图像进行实时处理，检测触摸，计算触摸中心坐标等。
[0007] 获取的电容图像数据，需要进行必要的背景噪声滤波，且对滤波后数据使用聚类 算法进行触点识别。由于触摸屏在设计时，电极宽度一般在5mm?IOmm之间，所以理论上 仅可以实现5_?IOmm尺度的分辨精度，而显示装置的像素单元可能仅有几十微米宽度， 为了将触摸坐标最终映射到显示装置的像素单元分辨精度水平，触摸屏装置一般都会使用 基于量化权重值的插值算法，对测量坐标进行插值，以实现更高精度的坐标映射。通过前面 的噪声滤波，聚类和插值等一系列运算，就可以实现精确的触摸点定位，具体可见引用文献 3、4〇
[0008] 传统的投射电容多点触摸屏装置基于对触摸屏电容图像采集和处理的方法来实 现多触点检测和触点中心坐标的计算。基于N*M点阵互电容图像采集和处理的传统电容触 摸屏装置，理论上可以实现无限多数量的触点检测和坐标计算，但缺点是数据采集量和处 理量较大，而且由于触摸点数量相对于电容图像元素数量具有稀疏性，即大量的采集和处 理数据中均不包含对于触点检测和中心坐标计算有价值的信息，这些无价值的数据将会被 装置采集、处理，确定无价值时丢弃，造成大量装置资源浪费（采集和处理无价值信息的装 置资源消耗）。随着触摸屏尺寸的不断增大，触摸点数量相对于电容图像元素数量稀疏性不 断提高，触摸屏装置的资源浪费会越来越严重，且效率不断下降。按照互电容图像采集和处 理方法设计的电容触摸屏装置效率低，成本高，功耗高。
[0009] 一般的，对于单用户触摸屏装置，设计时支持的总触点数目最多为10个（不超过 人手指数目总和）；多用户触摸屏装置，一般交互应用时主要面向双人交互应用，故支持的 总触点数目最多为20个；面向移动电子应用的触摸屏装置，基于单手操作习惯而设计，需 要支持的总触点数目最多为5个。
[0010] 以图1所示的N*M点阵触摸屏为例，如果采用传统方法实现多点检测，每一个电容 图像帧需要采集N*M个交叉点的数据，且噪声滤波算法，聚类算法和插值算法运行时均需 要处理N*M个图像元素。数据的采集量和处理量仅与电容屏的尺寸相关（与触摸点数目无 关），且电容屏尺寸越大，数据的采集量和处理量越大。假设N和M值增加一倍，数据的采集 量和处理量就要增加4倍。为了不降低帧扫描频率，就需要提高触摸屏装置的信号采集和 处理的速度。为了达到这个目的，就需要设计性能更加优异或并行度更高的信号采集电路； 处理器的速度也必须大幅度提升，以提高数据处理速度；存储器容量也需要进一步增加，已 满足大量数据处理的空间要求；同时也需要设计更加复杂和性能更好的信号处理软件，以 实现大规模数据处理对性能的要求。以上的种种改进会大幅度提升触摸屏装置的成本和功 耗。同时，触摸屏尺寸增大时，为了不降低帧扫描频率，增加大量的触摸屏装置资源用于提 高采集和处理硬件的速度和设计更高性能的软件，大大提高了触摸屏装置成本，但增加的 资源主要被消耗在采集和处理不包含有价值信息的无效图像数据上，造成了触摸屏装置资 源的极大浪费，且效率大大降低。
[0011] 引用文献：
[0012] I. G. Barret and R. Omote, aProjected-capacitive touch technology, Inf. Display, vol. 26, no. 3, pp. 16 - 21, Mar. 2010.
[0013] 2. Tong-Hun Hwang，Wen-Hai Cui，Ik-seok Yang，Oh-Kyong Kwon，"A Highly Area-Efficient Controller for Capacitive Touch Screen Panel Systems" IEEE Transactions on Consumer Electronics，Volume:56,Issue:2,2010,page:1115-1122.
[0014] 3. XiaolingWuj BangWonLeej ChulyongJoung ；SeeunJang, uTouchware:A Software based I mplementation for HighResolution Multi-touch Applications"，Computer and Information Technology (CIT)j 20IOIEEE IOth International Conference on，2010, Page (s) :1703 - 1710.
[0015] 4.Baharav and R. KakaralajuCapacitive