電容觸摸屏在智能手機(jī)和平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用非常普遍。傳統(tǒng)觸摸屏測(cè)試主要集中在功能測(cè)試，通過操作員的手指直接進(jìn)行功能測(cè)試評(píng)估，通常不包含性能和一致性測(cè)試。本文提出的解決方案可用來解決此問題，用于提高觸摸屏生產(chǎn)制造中的可靠性和一致性，實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模制造中的品質(zhì)控制。該方案探討了在大規(guī)模生產(chǎn)中如何測(cè)量觸摸屏電容值，以及如何在貼裝IC驅(qū)動(dòng)芯片之前發(fā)現(xiàn)有缺陷的觸摸屏。此外，快速測(cè)試和高靈敏度測(cè)量是制造測(cè)試中的兩個(gè)主要目標(biāo)。在這個(gè)應(yīng)用里面相對(duì)精度比起絕對(duì)精度來更加重要一些。不斷提高的觸摸屏產(chǎn)量，迫切需要能夠節(jié)省大量時(shí)間和人工成本的自動(dòng)化測(cè)試解決方案。

觸摸屏技術(shù)介紹

了解觸摸屏技術(shù)有助于理解下一章節(jié)中的測(cè)試方法和系統(tǒng)框圖。電容觸摸屏技術(shù)主要有兩種：自容屏和互容屏，如圖1所示。

圖1.兩種不同類型觸摸屏

在觸摸屏應(yīng)用中，互容屏更受歡迎一些，原因是與自容屏相比，互容屏可以真正意義上支持多點(diǎn)觸控。

圖2.互電容屏結(jié)構(gòu)

大部分消費(fèi)級(jí)觸摸屏使用ITO(銦錫氧化物)材料，有導(dǎo)電且透光的特性，透光率通常大于90%。圖2是其中一種鉆石型互電容物理結(jié)構(gòu)。X列ITO和Y行ITO位于不同層上，它們的交叉節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的微弱電容就是我們想要測(cè)量的互電容CX。當(dāng)手指靠近它時(shí)，如右圖所示，由于電場(chǎng)的改變，等效CX會(huì)隨之減小。

我們來創(chuàng)建一個(gè)待測(cè)物(DUT)分析模型以獲得精確測(cè)量結(jié)果，如圖3所示。

圖3.DUT分析模型

CX：每個(gè)節(jié)點(diǎn)大約是1pF至10pF，這是我們想要測(cè)量的互電容。有數(shù)百至數(shù)千個(gè)這樣的互電容節(jié)點(diǎn)需要測(cè)量。

LITO：ITO細(xì)線引起的寄生電感，1nH至20nH；在這個(gè)應(yīng)用里面我們可以忽略它，因?yàn)樵谛∮?MHz時(shí)其阻抗非常低。

RITO：ITO導(dǎo)線電阻，k?級(jí)別，這取決于ITO線長(zhǎng)、線寬和材料成分。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的RITO可能都不同。

Cg：相對(duì)于參考電平GND的寄生電容，pF級(jí)別，這取決于相對(duì)參考GND平面的距離和工廠中的實(shí)際夾具環(huán)境。

生產(chǎn)測(cè)試需求

該解決方案涉及4個(gè)測(cè)試項(xiàng)目：

1)單節(jié)點(diǎn)電容測(cè)試測(cè)量所有矩陣節(jié)點(diǎn)，大致10pF左右；需要fF級(jí)別的高精度。

2)相鄰行電容測(cè)試對(duì)X1施加一個(gè)信號(hào)，從相鄰的X2進(jìn)行測(cè)量；這不是單個(gè)節(jié)點(diǎn)測(cè)試，所以測(cè)量結(jié)果通常為幾十到數(shù)百pF級(jí)別。

3)相鄰ITO線的開路/短路測(cè)試在制造過程中，ITO鉆石型架構(gòu)有時(shí)會(huì)引起相鄰線路短路，所以需要對(duì)此進(jìn)行測(cè)試。

4)ITO電阻(可選)這是一個(gè)可選測(cè)試項(xiàng)目，用于評(píng)估ITO線是否符合標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試時(shí)間通常在ms級(jí)。矩陣節(jié)點(diǎn)的數(shù)量取決于屏幕尺寸，從數(shù)百到數(shù)千不等。

ADI公司解決方案

阻抗測(cè)量

測(cè)試項(xiàng)目涉及不同類型的阻抗(電阻和電容)，所以需要一個(gè)阻抗測(cè)量設(shè)備。此類測(cè)量可通過自平衡電橋電路來完成，如圖4所示。它含有一個(gè)由已知阻抗(RTIA)和未知阻抗ZX的電路組成。與傳統(tǒng)分壓法的比例測(cè)量不同，一個(gè)有源運(yùn)放電路A2用于控制L_CUR點(diǎn)的電壓，使其保持恒定電位(本例中為地)，而VS向H_CUR點(diǎn)施加一個(gè)固定頻率的信號(hào)。A2輸出端的相反信號(hào)與流過ZX的電流IX直接相關(guān)。為了避免受到電纜和開關(guān)寄生效應(yīng)的影響，第二個(gè)放大器A1用于直接檢測(cè)ZX上產(chǎn)生的電壓。節(jié)點(diǎn)POT和CUR產(chǎn)生的波形分別代表被測(cè)阻抗(ZX)上的電壓和電流信號(hào)，因而可通過模擬或數(shù)字方法來計(jì)算阻抗。

圖4.用于阻抗測(cè)量的自動(dòng)平衡電橋

未知阻抗ZX可利用公式計(jì)算：ZX=VPOT/VCUR×ZPATH，其中VPOT為電壓矢量信號(hào)，VCUR為電流矢量信號(hào)，ZPATH為測(cè)量路徑上的整體增益和相位偏移的總校準(zhǔn)系數(shù)。

觸摸屏測(cè)試系統(tǒng)框圖

對(duì)自平衡電橋做一些電路上的補(bǔ)充就可以實(shí)現(xiàn)觸摸屏測(cè)試需求。如圖5所示。

圖5.觸摸屏測(cè)試系統(tǒng)框圖

信號(hào)激勵(lì)源是一個(gè)高速DAC或DDS，產(chǎn)生50kHz至200kHz波形用于電容測(cè)試和ITO電阻測(cè)試。它還能產(chǎn)生可編程直流電壓信號(hào)用于相鄰線路的開路/短路測(cè)試。AMP1在該電路中有兩個(gè)作用：差分到單端轉(zhuǎn)換和電平搬移到雙電源信號(hào)模式。幅度調(diào)整可以放在該放大器、DAC數(shù)字域或DDS滿量程控制端口處完成。

電壓測(cè)量路徑利用一個(gè)差分輸入放大器AMP3來實(shí)現(xiàn)，并且由一個(gè)SARADC數(shù)字化采樣。電流測(cè)量路徑由一個(gè)可編程增益阻抗放大器(用于將電流轉(zhuǎn)換為電壓)和一個(gè)附加放大器AMP5(用于調(diào)整增益)組成。注意，務(wù)必慎重考慮用以實(shí)現(xiàn)可編程增益阻抗放大器的開關(guān)配置，以使其寄生效應(yīng)的影響最小化2。兩個(gè)測(cè)量路徑中的信號(hào)均需要通過AMP6和AMP7進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和單端到差分轉(zhuǎn)換，以滿足ADC輸入的需要。

就ITO開路/短路測(cè)試而言，由于全部測(cè)量路徑都是直流耦合，所以只需將一個(gè)直流信號(hào)施加于一條線路，然后從相鄰線路測(cè)量回路電流。如果此電流大于預(yù)設(shè)閾值，則意味著這兩條線短路。ITO電阻只能通過節(jié)點(diǎn)間的耦合測(cè)量，因此需要施加一個(gè)正弦波，以獲得其值并測(cè)量容性節(jié)點(diǎn)。

使用高分辨率SARADC的好處是無需模擬域的相位和幅度檢測(cè)，這可以由處理器或FPGA來完成，靈活性更大，性能更好。當(dāng)然，也可以只使用一個(gè)ADC，利用SW1/SW2復(fù)用測(cè)量路徑，但其弊端是測(cè)試時(shí)間會(huì)增加。

與被測(cè)觸摸屏接口

考慮成百上千的通道連接，我們還是建議在此使用模擬開關(guān)，這樣可以節(jié)省很多空間并縮短信號(hào)路徑長(zhǎng)度。為了解它對(duì)測(cè)量的影響需要分析開關(guān)的寄生效應(yīng)。因此，應(yīng)按照?qǐng)D6所示增加兩個(gè)開關(guān)以進(jìn)行分析。

圖6.模擬開關(guān)分析模型

CD/CS：寄生電容，8pF至32pF(ADG1414)，開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)下電容是不同的。矩陣節(jié)點(diǎn)測(cè)試會(huì)連接大量開關(guān)，所以我們必須要考慮這個(gè)寄生電容總和。

CDS：寄生電容，1MHz時(shí)的關(guān)斷狀態(tài)隔離度為–73dB(ADG1414)，所以對(duì)此應(yīng)用可予以忽略。對(duì)于導(dǎo)通狀態(tài)，我們也可予以忽略，因?yàn)镽ON遠(yuǎn)低于ZCDS。

RON：模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻RON，使用ADG1414時(shí)為9.5?。此電阻對(duì)測(cè)量路徑的影響可利用適當(dāng)?shù)拈_爾文連接來消除，但它仍在信號(hào)路徑上，因此需要考慮。

CP：電路板上的其他寄生電容，pF級(jí)，不算是最大問題。

這些寄生效應(yīng)需要在測(cè)試觸摸屏之前予以測(cè)量，以便考慮它對(duì)測(cè)量路徑上的總電容和電阻的影響。補(bǔ)償程序涉及到兩個(gè)測(cè)量：開路和短路補(bǔ)償。開路補(bǔ)償程序是在電纜和夾具連接到測(cè)量電路，但與被測(cè)物斷開的情況下進(jìn)行阻抗測(cè)量。短路補(bǔ)償是將所有端子通過測(cè)試夾具連在一起，然后進(jìn)行阻抗測(cè)量。此補(bǔ)償可利用觸摸屏測(cè)量中使用的模擬開關(guān)來完成。這兩個(gè)補(bǔ)償程序的等效電路如圖7所示。

圖7.測(cè)試夾具寄生效應(yīng)的補(bǔ)償

右圖所示為從開路和短路補(bǔ)償程序得出的完整網(wǎng)絡(luò)模型。獲知開路和短路阻抗值ZOPEN和ZSHORT之后，便可利用下式求出未知阻抗ZX的值。

ZX=ZOPEN×(ZM–ZSHORT)/(ZSHORT+ZOPEN–ZM)

其中ZM為此系統(tǒng)測(cè)得的阻抗。

兩個(gè)主要指標(biāo)

高測(cè)量速度：如果使用100kHz信號(hào)，完整一個(gè)觸摸屏單節(jié)點(diǎn)電容測(cè)試項(xiàng)目(假設(shè)總共512個(gè)節(jié)點(diǎn))約5ms至10ms。這不包括路徑切換和其他設(shè)置時(shí)間。如果考慮更多測(cè)試項(xiàng)目和通信，一個(gè)DUT大概需要500ms至2000ms，具體時(shí)間取決于實(shí)際環(huán)境以及需要對(duì)多少次測(cè)量結(jié)果求均值以獲得穩(wěn)定結(jié)果。

高靈敏度：使用18位的ADC時(shí)，分辨率小于10fF，1pFDUT對(duì)應(yīng)的精度為約為1%至5%；精度取決于實(shí)際環(huán)境和設(shè)計(jì)。

審核編輯 黃昊宇