電阻式觸摸屏在消費設備中的運用相當普遍，主要用于基本的觸摸按鍵切換功能或其它簡單的虛擬用戶界面元素(如滾動條控制)。這種技術可實現一種情景式用戶界面方案，有助于減小設備單元的尺寸和外部復雜性，并提供新的工業設計選擇。不過，電阻式觸摸屏的光學性能較差，又存在可靠性問題，支持手勢輸入的效用性相當有限，而且解釋兩個或更多個同時觸摸點的能力也很低，這些不足之處都限制了電阻式觸摸屏的使用，致使其迅速讓位于電容式觸摸屏。
過去幾年間，電容式觸摸屏技術已迅速發展成熟，它結合了在低成本硬件上運行的先進算法和成熟完善的材料技術，創建出高度可靠且穩健的用戶界面。但早期的電容式觸摸屏技術，以至目前市面上較低端產品的分辨率都很低，又存在LCD或其它噪聲源的系統級干擾問題，致使性能嚴重降低。
圖1 典型的觸摸屏系統
(說明)
前面板
傳感器膜
顯示層
控制器板
投射電容式觸摸屏可以在目標(如手指)接近或接觸到屏幕表面時檢測到電容的細小變化。當一根手指或多根手指接觸屏幕時，有多種方法對觸摸屏表面的電容變化進行測量和解釋。電容-數字轉換技術(capacitive to digital conversion, CDC)與用于電荷收集的電極結構的空間排列(通常是顯示屏表面的一層透明的傳感器膜)，二者都對所達到的總體性能和簡易配置能力都有著重大的影響。
對于投射電容式觸摸屏的電容變化，有兩種基本的排列和測量方法：自電容和互電容。互電容測量法具有按正交矩陣排列的發射和接收電極，這是電容式觸摸屏可靠地報告和跟蹤多個并發觸摸點的唯一方式。為簡單起見，可假設該技術由許多較小的觸摸屏組成，這些小觸摸屏又是通過電極結構的幾何排列而形成，整個裝置被視為一個完整的觸摸屏表面。只要能夠識別每個“小”觸摸屏內的多個觸摸點，便能夠實現這功能。由于可分別測得矩陣中每個點的電容耦合，故完全能夠確定多個觸摸點的位置坐標。
基于自電容的觸摸屏卻與之相反。自電容方案是對整行或整列的電容變化進行測量(與互電容方案中測量一行和一列的交叉點截然不同)。若用戶壓觸兩個地方，這種方法會導致位置不明確。雖然利用軟件有可能對觸摸位置進行某種程度的重建，但總是存在一定的模糊性，因而被解釋的觸摸點會產生“鬼點”位置，繼而導致無意的行為被報告給系統主機。該方案還存在一種有害的副作用，即當兩個觸摸點共享同一行或同一列電極時，報告的坐標往往‘突跳’到有關電極，形成存在嚴重非線性現象。在實踐中，自電容只用于單觸摸點或極有限的雙觸摸點應用。
圖2 用于多點觸摸應用的自電容和互電容觸摸屏測量之比較
在基于互電容的系統中，每個觸摸點都由一對(x,y)坐標來表示；而在自電容系統中，觸摸點 x 和 y 坐標的檢測是彼此獨立的。在互電容系統中，如果出現兩個觸摸點，檢測結果由(x1,y3) 和 (x2,y0),表示，但在自電容系統中，是由(x1,x2,y0,y3)表示。因此在自電容系統是無法確定(x1,y0)、(x2,y0)、 (x1,y3) 和 (x2,y3)這些觸摸點中哪一個是正確的。
CDC測量的基礎方法也對電容式觸摸屏的工作方式有著重要的影響。有多種技術可用于信號捕獲，例如弛張振蕩器、CSA、Sigma Delta轉換器等，并各有其優勢和缺陷。所有這些技術在其它資料中均有詳細描述。從互電容測量的角度來看，它們都有一個會嚴重限制效用性的主要缺點：在測量周期中，矩陣里芯片和互連之間的布線仍然對觸摸(熱點)很敏感。因為傳感器的邊緣布線會影響計算位置的信號，這種情況將導致測量中的位置錯誤，對測量極為不利。它還使得從傳感器到驅動器芯片的布線連接幾乎只限于幾厘米之內。上述問題中有一些可以通過精心的設計折衷而得到部分解決，但總體性能卻受到嚴重影響。
愛特梅爾的maXTouch™ 采用電荷轉移技術來進行CDC測量，能夠在電荷捕獲過程中有效地保持接收線路零電勢，因此只需在主要傳感器區域中目標點上的發射電極X和接收電極Y之間轉移電荷。該技術還有一個優點，即可把觸摸屏附近乃至觸摸屏表面上的局部濕氣或其它潛在導電材料的影響降至最小。
總括而言：基于電極陣列中互電容測量的觸摸屏解決方案不足以實現可靠的解決方案。它必須結合采用了電荷轉移技術的穩健的CDC，這是迄今最好的選擇。
傳感器設計選擇
觸摸屏中的傳感器由透明基板材料(一般是PET或玻璃)上的一層或多層圖樣化透明導體構成。傳感器位于顯示屏之上。為了構建能夠透過玻璃或塑料前面板識別一個或多個手指觸摸的傳感器，必需精心設計電極正交網絡。
圖3 典型的傳感器圖樣
圖樣化導體(電極)一般是由被稱為銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)的高度透明材料經過圖樣蝕刻制成。這種材料具有良好的光學透明度，同時仍保持較低的歐姆電阻率。低電阻率十分重要，因為這樣一來，就有可能對數以10個皮法級(picofarad, 10-12 法拉)背景電容上出現的數以10個毫微微法拉級(femtofarad, 10-15 法拉)的微小變化進行快速測量。愛特梅爾的QMatrix™ 采用電荷轉移技術，它具有一項基本特性，即可以采用具有良好光學性質的常用 ITO 來制作真正的矩陣傳感器，這里，對觸摸敏感的唯一區域是行、列電極互相耦合的緊鄰地帶。
這種局部耦合意味著行、列電極的所有其它區域大部分都是對觸摸不靈敏的。沒有這種特性，就不可能實現真正的多點觸控觸摸屏，而只可能通過重大的折衷妥協來滿足部分要求。其它CDC技術都試圖仿效真正的矩陣，不過為此需要限制性更強的ITO材料：必須有更低的其電阻率和更出色的光學特性。這種更低的電阻率可降低行、列交叉點上的電壓降，減小其固有觸摸靈敏度。不過，由于沒有采用電荷轉移技術，它們仍然對觸摸具有一定的靈敏性，但這也是一種折衷妥協，就是會導致較差的多點觸摸性能，并在傳感器邊緣附近產生嚴重的不良影響。
PET是最常用的兩種基板材料之一，它在成本上比玻璃稍具優勢，但一般需要兩個分離層來實現正交網格。另一方面，玻璃雖然貴一點，卻允許單層設計，可采用微型交叉結構來橋接共面兩層結構中的圖樣交叉點。玻璃傳感器的機械穩定性也比 PET 好得多，因此適合于淀積非常薄的金屬化跡線，其寬度僅為數十微米。PET 技術雖然在這方面進步迅速，現在一般仍使用數百微米寬的絲網印刷跡線。而總體目標是是傳感器邊緣布線尺寸要盡可能地小，因為空間彌足珍貴，尤其是對小型便攜式設備而言。
分辨率
傳感器設計的下一個考慮事項是終端應用所需的分辨率。利用插補法(interpolation)，可以相當準確地確定單觸摸點的中心位置所在。不過，當需要分別識別幾個鄰近觸摸點時，就有困難了。這需要很高的電極密度。
這種情況下，高電極密度意味著行、列間距應該在 5mm 左右或更小――這個要求源于對大拇指和食指指尖之間的距離進行測量，然后除以2。廣泛的用戶界面試驗顯示，從10 mm 到 11mm的間距是空間分辨率和不斷增加的傳感器復雜性之間的最佳折衷。對于單觸摸點應用，在某些情況下，把間距增加到5mm以上也是可以接受的，但有強大的論據顯示，為了實現真正出色的單觸摸點電容式觸摸屏，在其核心需要完全的多點觸摸功能，以跟蹤和拒絕無意觸摸點。
還值得一提的是傳感器的分辨率與每個軸向的電極數目直接相關，故只要增加更多的行或列，可把間距減小到5mm以下，這樣一來，即使傳感器的制作比較復雜，也是很有益的。更多的通道同時意味著更高的信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)。
高電極密度還能夠實現另一項重要特性――無源傳導性手寫筆(stylus)的使用。通過正確的傳感器設計，結合最佳CDC方法和超先進的觸摸跟蹤算法，有可能采用尖端尺寸只有3-5 mm的簡單無源傳導性手寫筆。這種功能讓用戶使用短指甲也能夠操作電容式觸摸用戶界面，并能提供比普通指尖按觸更精確的定位設備。如此一來，擴大了使用電容式觸摸屏作為主要輸入源的設備的應用范圍。
圖4 手寫筆輸入
觸摸屏驅動器芯片
良好的ITO傳感器的設計固然至關重要，而一個真正的矩陣 CDC也可為良好的多點觸摸設備奠定基礎。不過，實現這一切的基礎芯片和軟件技術，是任何觸摸傳感器系統得以成功的關鍵所在。
與任何其它設計一樣，觸摸屏驅動器芯片必須具備所有的芯片常規特性――高集成度、最小占位面積，以及近似于零的功耗和支持廣大范圍的傳感器設計與實施環境的靈活性。提供最佳的速度、功耗和靈活性組合，必須非常認真地考慮。控制器芯片能否在典型的低系統Vdd電源下工作？更高的Vdd意味著SNR更好，但同時也會致使功耗升高。電平轉換器是否需要連接主機？通信協議可否在未來擴展而無需完全重寫驅動程序？
圖5 系統模塊示意圖
maXTouch在片上集成了整個電容式感測電路，提供了完整的解決方案，無需外部組件支持電容式感測，并可最大限度地減小成本和 PCB 占位面積要求。該器件前端是一個定制電容式觸摸引擎(Capacitive Touch Engine, CTE)，完全能夠對傳感器的原始數據進行不同的數字信號處理(DSP)工作，因此，只需在觸摸被確認和必須執行更先進的算法時才喚醒主AVR® CPU。這樣一來確保了功耗最小化，使系統的大部分都能在大多數時間內處于超低功耗工作模式下。
maXTouch器件都包含有系統內自編程閃存，故可提供最大的靈活性。在整個工作電壓范圍上，maXTouch器件均能夠通過常規通信端口進行系統內升級，無需額外的引腳或電路。
器件的布局靈活性是一項很重要的設計參數。一個好的矩陣CDC應該不受到ITO連接的觸摸靈敏性(也稱為熱點跟蹤)的影響。從靈活性的角度來看，這無疑是一大優勢。它意味著芯片的位置既可以靠近傳感器，比如象柔性芯片(chip-on-flex)那樣，也可以遠離，設置于一塊完全獨立的電路板上。在后一種選擇中，可以采用無源柔性材料來連接 ITO和芯片，二者間距離可達100mm或更遠。
構建最佳觸摸屏的另一個關鍵因素是響應時間。筆跡識別需要 70 Hz 到 120 Hz 的 XY 更新頻率。其它情況，比如使用虛擬鍵盤手指/大拇指同時鍵入，需要在不到100ms 的時間內向用戶提供積極反饋以實現準確輸入。這乍看起來似乎很簡單，但若考慮到各種不同的系統延時，通常就意味著觸摸屏必需在15ms內報告首個確定的觸摸位置。除非精心設計感測電路，否則這可能會導致功耗過大，從而縮短電池壽命。
還有一點值得注意的是，對于最好的CDC方法，ITO連接線路上因柔性連接而產生的寄生電容僅僅產生次要影響。若選擇了錯誤的CDC方法，芯片會因測量到無用的背景寄生電容而削弱能力，損及觸摸屏上的觸摸效果，從而降低 SNR 和分辨率。
多點觸摸
至此，在有關多點觸摸的討論中，并沒有重點提及 2個觸摸點以上的用戶案例的重要性。我們已經熟悉了隨 iPhone 而大為流行的放大和縮小手勢。事實上，在iPhone面世之前很久，這類手勢就已開始用于更大的多點觸摸界面了。不過，3、4乃至更多的觸摸點又怎么樣呢？問題不僅僅是設想什么手勢或應用可使用這種功能，還在于控制器芯片如何能夠利用這種豐富的信息來實現一個更好的解決方案。
此類運用的一個例子是跟蹤觸摸屏邊緣附近的多個觸摸點，并將之歸類為禁止。這種功能可讓用戶隨意舒適地手拿小型產品，即使手指和屏幕有少許重疊也不影響觸摸屏繼續正常工作。不過，這里暗藏微妙之處。必須對這些被禁止的觸摸點進行跟蹤并使其保持被禁止狀態，即使它們誤入工作區域。這意味著控制器必須能夠同時唯一且明確地識別、歸類和跟蹤許多個觸摸點。
基本的多點觸摸數據的另一個潛在用途是利用結構化方法來識別觸摸屏表面上的形狀。這一功能可帶來各種可能有用的觸摸界面提升。識別鼻子、臉頰甚至耳朵的基本形狀，可進一步避免真實環境中可能導致觸摸屏錯誤觸發的無意觸摸。
不過，隨著更多的觸摸點可被唯一地識別并報告給主機，應用將開始利用多個觸摸點數據。
圖6 同時多點觸摸的實例
噪聲和系統問題
如前所述，電容式觸摸屏控制器可測量出行、列耦合電容上的極小變化。控制器的測量方法對于控制器的外部噪聲易感性有著很大影響。
觸摸屏常遇到的噪聲源之一是LCD本身。它在數微秒的上升/下降時間內測得的瞬態電壓常常達到數伏特――這是極具挑戰性的環境。有些不錯的方法可以抑制控制器芯片中的這種噪聲。比如采用適當的CDC(電荷轉移)方法，就有可能從源頭上抑制大部分噪聲。第二種方案是在傳感器上增加一個屏蔽層，把噪聲隔離在電極之外。這種方法可能造成傳感器過厚、過于昂貴。第三種也是更好的方法是采用一種新穎的傳感器電極圖樣，帶有兩個ITO層，并且自我后向屏蔽。這種方法非常有用，因為若前面板因觸摸壓力向接地板(比如 LCD的前表面)彎曲，它能使傳感器具有抗電容變化的能力。
隨著顯示屏技術的發展，OLED顯示屏等設備能夠提供噪聲小得多的環境，并非常適于采用電容式觸摸屏技術。OLED顯示屏適合于單層或雙層傳感器設計。LCD技術也在不斷演進，適用性逐漸提高。第二大棘手噪聲源是‘不固定的’開關模式電源。當置于觸摸屏設備鄰近時，其常常把相對于接地的數百伏特的50/60 Hz失真波形電容式耦合到整個觸摸屏設備中。當用戶觸摸設備時，傳感器高效地變為電容式分壓器的一部分，產生大量低頻噪聲，影響測量結果。此外，通過巧妙的芯片設計，可以從源頭基本上消除這種影響，并消除片上DSP功能帶來的剩余噪聲。
總結
總而言之，利用基于一流 DSP和微處理器的技術，可以實現高性能的電容式觸摸傳感器陣列，當用戶觸摸時，其能夠產生表面電荷變化的圖像。
通過使用基于合適的CDC (電荷轉移)和互電容(QMatrix)組合的傳感器結構和信號捕獲技術，系統能夠具備抵抗系統干擾和背景加載有害源影響的強大能力。
在獲得電荷圖像時，就可采用高效的微處理器技術(AVR)來處理數據，提供多個觸摸點位置數據，或進行更高水平的處理，拒絕無意觸摸點，或者解釋觸摸屏表面上一個或多個手指移動所代表的手勢，這些手勢可用于簡化許多應用中的用戶界面。
完全可編程芯片中的系統內可建編程閃存解決方案包含了微處理器和DSP功能，以及廣泛的可擴展通信協議，可為這類系統提供盡可能高的靈活性。
通過適當而高效地處理數據的捕獲、處理和報告，可以在極低的功率預算中實現上述所有功能，適用于要求最嚴苛的電池供電應用。