摘要：電容式觸摸屏的三維結(jié)構(gòu)和電路原理決定了其優(yōu)化設(shè)計的唯一途徑是多元數(shù)值仿真。本文介紹了由Cypress Semiconductor和Ansoft共同研發(fā)的參數(shù)化CAD設(shè)計流程。該流程通過將三維結(jié)構(gòu)參數(shù)化，極大的提高了運算效率，使得真正意義上的系統(tǒng)優(yōu)化成為可能。
關(guān)鍵詞: ITO, 觸摸屏，touch screen, Q3D, 電容式觸摸技術(shù)，capacitive sensing
iPhone 極具創(chuàng)意的界面設(shè)計預(yù)示著多點電容式觸摸屏技術(shù)將成為今后幾年消費電子技術(shù)中的一大亮點，尤其是手機，MP3，MP4 播放器和汽車GPS 等等應(yīng)用領(lǐng)域。
同是源于電容式觸摸原理，觸摸屏相對于TouchPad 鼠標(biāo)的難度在于觸摸屏采用了高阻抗高透明度的ITO (Indium Tin Oxide, 銦錫氧化物) 材料，每條sensor 的電阻通常在10K 歐姆左右甚至更高，而TouchPad 是電阻只有幾個歐姆的copper/PCB。
電容式觸摸屏三維結(jié)構(gòu)
觸摸屏設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)就是優(yōu)化每一條sensor 的電阻和電容。要了解這個問題，需要先知道ITO 的工藝結(jié)構(gòu)和sensor 平面版圖。
圖1. 抽象化的電容觸摸屏工藝結(jié)構(gòu)示意圖
圖１是常見的抽象化的雙層ITO 工藝概圖。從上到下分別是：
? 覆蓋層 (overlay)：大多是鋼化玻璃(0.4～1mm)，也有可能是PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)。PET 的優(yōu)勢在于觸摸屏可以做到更薄，而且比現(xiàn)有的塑料和玻璃材質(zhì)更加便宜；
? 絕緣層（isolation）1/2/3：玻璃（0.4~1mm），有機薄膜（10~100um)，粘合劑，空氣層；
? ITO：典型厚度50~100nm, 其方塊電阻大約100~300 歐姆范圍；
工藝三維結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到觸摸屏的２個重要電容參數(shù)：感應(yīng)電容（手指與上層ITO）和寄生電容（上下層ITO 之間，下層ITO 與LCD 之間）。 ITO 的厚度決定了其電阻率。
圖2.電容觸摸屏平面菱形版圖（Cypress 專利）
圖2. 是Cypress 的專利技術(shù)ITO 菱形圖形。藍色是上層ITO，黃色是下層ITO。這里面包含的主要關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)是：縱向sensor 與橫向sensor 之間的寄生電容；sensor的電阻值。Sensor 的電阻值取決于菱形塊的大小，以及菱形之間的過橋?qū)挾取?
參數(shù)化設(shè)計思想
觸摸屏設(shè)計的目標(biāo)就是盡量減小電阻和寄生電容，并同時增加感應(yīng)電容。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化和版圖優(yōu)化，涉及到十幾個物理和電學(xué)變量。由于缺少解析表達式，復(fù)雜邊界條件下的MAXWELL 方程組數(shù)值模擬幾乎成為唯一的選擇。 絕大多數(shù)數(shù)值計算軟件需要直接輸入三維結(jié)構(gòu)圖，有的甚至要求對邊界的數(shù)值描述文件。另外，這種結(jié)構(gòu)絕緣層以及ITO 極薄的厚度也會給仿真軟件帶來非常巨大的計算難度，甚至無法準確計算電學(xué)寄生參數(shù)。由于一系列困難，使得優(yōu)化仿真的前端工作變得龐大，使整個優(yōu)化設(shè)計變得幾乎不可能。
針對這一設(shè)計瓶頸，Cypress Semiconductor Corp. 和Ansoft Corp. 探討了一套設(shè)計流程，簡單地講就是利用Ansoft/Q3D 對版圖和結(jié)構(gòu)參數(shù)化，達到快速自動仿真優(yōu)化的
設(shè)計目的。Ansoft/Q3D 通過采用多種先進的數(shù)值方法，能夠得到基于物理參數(shù)的非常直觀的標(biāo)準RLGC 參數(shù)矩陣。對于設(shè)計者而言，RLGC 參數(shù)矩陣直接描述物理結(jié)構(gòu)，因此更容易解設(shè)計的問題出處和關(guān)鍵所在，能非常方便的指引設(shè)計者設(shè)計的方向。同時，Ansoft/Q3D 提供了強大的參數(shù)化功能和參數(shù)優(yōu)化功能，可以大大提高設(shè)計者的工作效率。
圖3. Ansoft Q3D 生成的可參數(shù)化三維圖形
圖3 是ITO 觸摸屏的一個單元。這個單元的所有2D 和3D 參數(shù)可以通過Ansoft 的Q3D進行參數(shù)化，包括ITO 的厚度，雙層ITO 之間的間隔，以及菱形結(jié)構(gòu)之間的間距和過橋?qū)挾取＝Y(jié)構(gòu)參數(shù)化之后，設(shè)計人員可以根據(jù)不同情況對其中的一個或多個物理結(jié)構(gòu)參數(shù)進行掃描式仿真；同時設(shè)計者可以使用Ansoft/Q3D 內(nèi)嵌的優(yōu)化算法，根據(jù)設(shè)計要求，自定義優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)，得到接近最優(yōu)的物理結(jié)構(gòu)參數(shù)。對于更為復(fù)雜的3D 結(jié)構(gòu)，Ansoft/Q3D 也可以采用同樣的參數(shù)化方法進行建立模型。可以想象，有了這樣的一種先進的參數(shù)化CAD 設(shè)計流程，整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計可行性變得水到渠成。
設(shè)計流程
在我們給出的設(shè)計舉例中，限于篇幅，僅僅列舉出電容參數(shù)矩陣。在Q3D 的計算中，電阻矩陣的計算相對容易，消耗較小的計算機內(nèi)存；而電容參數(shù)的計算，不僅僅是影響設(shè)計的關(guān)鍵因素，而且在Q3D 的仿真中消耗較多的計算機內(nèi)存。下面只是列出電容計算的結(jié)果（1 和2 表示單元菱形結(jié)構(gòu)編號，其實C[1,1]和C[2,2]是1 和2 兩個菱形的自電容參數(shù)，C[1,2]和C[2,1]表示互電容）。
首先，假定其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，通過Q3D 計算電容矩陣參數(shù)隨著ITO 厚度的變化。從下面結(jié)果可以看到，ITO 的厚度對于電容參數(shù)的影響很小。
對于絕緣層厚度也是設(shè)計中需要考慮到重要因素，因此我們計算ITO 之間絕緣層厚度對于電容參數(shù)的影響。從Q3D 計算的結(jié)果果可以看到，電容參數(shù)隨著絕緣層的厚度成近似正比例增長。其實從平板電容的角度思考，這些結(jié)果是能夠自洽的。
并且，我們計算了上下菱形之間縫隙尺寸對于電容參數(shù)的影響。這個部分也是計算中最難確定的一部分。可以看到Q3D 可以準確的給出縫隙對于電容參數(shù)的影響。
以上數(shù)據(jù)給設(shè)計者提供了設(shè)計方向，更重要的是能夠幫助設(shè)計者得到準確的電學(xué)參數(shù)。通過這些最優(yōu)單元電學(xué)參數(shù)的計算，并結(jié)合使用Ansoft 的另外一個工具Designer，就可以完成整版的電學(xué)參數(shù)計算，并在Designer 里面計算驅(qū)動端到任何一個節(jié)點單元之間電學(xué)參數(shù)以及電路響應(yīng)。驅(qū)動端讀取這些電學(xué)參數(shù)，就可以實現(xiàn)觸摸屏的響應(yīng)。
最后，我們給出一個利用Ansoft/Q3D 實現(xiàn)設(shè)計的典型流程。
上面的流程整個觸摸屏設(shè)計制造的一部分，是設(shè)計觸摸屏的性能是否能夠達到要求的最重要的部分。這個CAD 流程的使用者可以是觸摸屏生產(chǎn)商，也可以是提供解決方案的芯片供應(yīng)商。其關(guān)鍵價值在于極大的縮短了從結(jié)構(gòu)到版圖設(shè)計優(yōu)化的整個流程。
