摘要：電容式觸摸屏的三維結構和電路原理決定了其優化設計的唯一途徑是多元數值仿真。本文介紹了由Cypress Semiconductor和Ansoft共同研發的參數化CAD設計流程。該流程通過將三維結構參數化，極大的提高了運算效率，使得真正意義上的系統優化成為可能。
關鍵詞: ITO, 觸摸屏，touch screen, Q3D, 電容式觸摸技術，capacitive sensing
iPhone 極具創意的界面設計預示著多點電容式觸摸屏技術將成為今后幾年消費電子技術中的一大亮點，尤其是手機，MP3，MP4 播放器和汽車GPS 等等應用領域。
同是源于電容式觸摸原理，觸摸屏相對于TouchPad 鼠標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構
觸摸屏設計最重要的環節就是優化每一條sensor 的電阻和電容。要了解這個問題，需要先知道ITO 的工藝結構和sensor 平面版圖。
圖1. 抽象化的電容觸摸屏工藝結構示意圖
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 的優勢在于觸摸屏可以做到更薄，而且比現有的塑料和玻璃材質更加便宜；
? 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；
工藝三維結構直接關系到觸摸屏的２個重要電容參數：感應電容（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鍵電學參數是：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寬度。
參數化設計思想
觸摸屏設計的目標就是盡量減小電阻和寄生電容，并同時增加感應電容。系統優化設計包括結構優化和版圖優化，涉及到十幾個物理和電學變量。由于缺少解析表達式，復雜邊界條件下的MAXWELL 方程組數值模擬幾乎成為唯一的選擇。 絕大多數數值計算軟件需要直接輸入三維結構圖，有的甚至要求對邊界的數值描述文件。另外，這種結構絕緣層以及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寄生參數。由于一系列困難，使得優化仿真的前端工作變得龐大，使整個優化設計變得幾乎不可能。
針對這一設計瓶頸，Cypress Semiconductor Corp. 和Ansoft Corp. 探討了一套設計流程，簡單地講就是利用Ansoft/Q3D 對版圖和結構參數化，達到快速自動仿真優化的
設計目的。Ansoft/Q3D 通過采用多種先進的數值方法，能夠得到基于物理參數的非常直觀的標準RLGC 參數矩陣。對于設計者而言，RLGC 參數矩陣直接描述物理結構，因此更容易解設計的問題出處和關鍵所在，能非常方便的指引設計者設計的方向。同時，Ansoft/Q3D 提供了強大的參數化功能和參數優化功能，可以大大提高設計者的工作效率。
圖3. Ansoft Q3D 生成的可參數化三維圖形
圖3 是ITO 觸摸屏的一個單元。這個單元的所有2D 和3D 參數可以通過Ansoft 的Q3D進行參數化，包括ITO 的厚度，雙層ITO 之間的間隔，以及菱形結構之間的間距和過橋寬度。結構參數化之后，設計人員可以根據不同情況對其中的一個或多個物理結構參數進行掃描式仿真；同時設計者可以使用Ansoft/Q3D 內嵌的優化算法，根據設計要求，自定義優化的目標參數，得到接近最優的物理結構參數。對于更為復雜的3D 結構，Ansoft/Q3D 也可以采用同樣的參數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化CAD 設計流程，整個系統的優化設計可行性變得水到渠成。
設計流程
在我們給出的設計舉例中，限于篇幅，僅僅列舉出電容參數矩陣。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存；而電容參數的計算，不僅僅是影響設計的關鍵因素，而且在Q3D 的仿真中消耗較多的計算機內存。下面只是列出電容計算的結果（1 和2 表示單元菱形結構編號，其實C[1,1]和C[2,2]是1 和2 兩個菱形的自電容參數，C[1,2]和C[2,1]表示互電容）。
首先，假定其他結構參數不變，通過Q3D 計算電容矩陣參數隨著ITO 厚度的變化。從下面結果可以看到，ITO 的厚度對于電容參數的影響很小。
對于絕緣層厚度也是設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的影響。從Q3D 計算的結果果可以看到，電容參數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的影響。
以上數據給設計者提供了設計方向，更重要的是能夠幫助設計者得到準確的電學參數。通過這些最優單元電學參數的計算，并結合使用Ansoft 的另外一個工具Designer，就可以完成整版的電學參數計算，并在Designer 里面計算驅動端到任何一個節點單元之間電學參數以及電路響應。驅動端讀取這些電學參數，就可以實現觸摸屏的響應。
最后，我們給出一個利用Ansoft/Q3D 實現設計的典型流程。
上面的流程整個觸摸屏設計制造的一部分，是設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商，也可以是提供解決方案的芯片供應商。其關鍵價值在于極大的縮短了從結構到版圖設計優化的整個流程。
