電容觸摸屏在智能手機和平板電腦等消費電子產(chǎn)品中的應(yīng)用非常普遍。傳統(tǒng)觸摸屏測試主要集中在功能測試，通過操作員的手指直接進行功能測試評估，通常不包含性能和一致性測試。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，實現(xiàn)高標準大規(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)中如何測量觸摸屏電容值，以及如何在貼裝IC驅(qū)動芯片之前發(fā)現(xiàn)有缺陷的觸摸屏。此外，快速測試和高靈敏度測量是制造測試中的兩個主要目標。在這個應(yīng)用里面相對精度比起絕對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)省大量時間和人工成本的自動化測試解決方案。

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觸控。

圖2.互電容屏結(jié)構(gòu)

大部分消費級觸摸屏使用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)點產(chǎn)生的微弱電容就是我們想要測量的互電容CX。當手指靠近它時，如右圖所示，由于電場的改變，等效CX會隨之減小。

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

圖3.DUT分析模型

CX：每個節(jié)點大約是1pF至10pF，這是我們想要測量的互電容。有數(shù)百至數(shù)千個這樣的互電容節(jié)點需要測量。

LITO：ITO細線引起的寄生電感，1nH至20nH；在這個應(yīng)用里面我們可以忽略它，因為在小于1MHz時其阻抗非常低。

RITO：ITO導(dǎo)線電阻，k?級別，這取決于ITO線長、線寬和材料成分。每個節(jié)點的RITO可能都不同。

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

生產(chǎn)測試需求

該解決方案涉及4個測試項目：

1)單節(jié)點電容測試測量所有矩陣節(jié)點，大致10pF左右；需要fF級別的高精度。

2)相鄰行電容測試對X1施加一個信號，從相鄰的X2進行測量；這不是單個節(jié)點測試，所以測量結(jié)果通常為幾十到數(shù)百pF級別。

3)相鄰ITO線的開路/短路測試在制造過程中，ITO鉆石型架構(gòu)有時會引起相鄰線路短路，所以需要對此進行測試。

4)ITO電阻(可選)這是一個可選測試項目，用于評估ITO線是否符合標準。每個節(jié)點的測試時間通常在ms級。矩陣節(jié)點的數(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

阻抗測量

測試項目涉及不同類型的阻抗(電阻和電容)，所以需要一個阻抗測量設(shè)備。此類測量可通過自平衡電橋電路來完成，如圖4所示。它含有一個由已知阻抗(RTIA)和未知阻抗ZX的電路組成。與傳統(tǒng)分壓法的比例測量不同，一個有源運放電路A2用于控制L_CUR點的電壓，使其保持恒定電位(本例中為地)，而VS向H_CUR點施加一個固定頻率的信號。A2輸出端的相反信號與流過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，第二個放大器A1用于直接檢測ZX上產(chǎn)生的電壓。節(jié)點POT和CUR產(chǎn)生的波形分別代表被測阻抗(ZX)上的電壓和電流信號，因而可通過模擬或數(shù)字方法來計算阻抗。

圖4.用于阻抗測量的自動平衡電橋

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

觸摸屏測試系統(tǒng)框圖

對自平衡電橋做一些電路上的補充就可以實現(xiàn)觸摸屏測試需求。如圖5所示。

圖5.觸摸屏測試系統(tǒng)框圖

信號激勵源是一個高速DAC或DDS，產(chǎn)生50kHz至200kHz波形用于電容測試和ITO電阻測試。它還能產(chǎn)生可編程直流電壓信號用于相鄰線路的開路/短路測試。AMP1在該電路中有兩個作用：差分到單端轉(zhuǎn)換和電平搬移到雙電源信號模式。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。

電壓測量路徑利用一個差分輸入放大器AMP3來實現(xiàn)，并且由一個SARADC數(shù)字化采樣。電流測量路徑由一個可編程增益阻抗放大器(用于將電流轉(zhuǎn)換為電壓)和一個附加放大器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。兩個測量路徑中的信號均需要通過AMP6和AMP7進行電平轉(zhuǎn)換和單端到差分轉(zhuǎn)換，以滿足ADC輸入的需要。

就ITO開路/短路測試而言，由于全部測量路徑都是直流耦合，所以只需將一個直流信號施加于一條線路，然后從相鄰線路測量回路電流。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)點間的耦合測量，因此需要施加一個正弦波，以獲得其值并測量容性節(jié)點。

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

與被測觸摸屏接口

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路徑長度。為了解它對測量的影響需要分析開關(guān)的寄生效應(yīng)。因此，應(yīng)按照圖6所示增加兩個開關(guān)以進行分析。

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)兩個狀態(tài)下電容是不同的。矩陣節(jié)點測試會連接大量開關(guān)，所以我們必須要考慮這個寄生電容總和。

CDS：寄生電容，1MHz時的關(guān)斷狀態(tài)隔離度為–73dB(ADG1414)，所以對此應(yīng)用可予以忽略。對于導(dǎo)通狀態(tài)，我們也可予以忽略，因為RON遠低于ZCDS。

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

CP：電路板上的其他寄生電容，pF級，不算是最大問題。

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

圖7.測試夾具寄生效應(yīng)的補償

右圖所示為從開路和短路補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)測得的阻抗。

兩個主要指標

高測量速度：如果使用100kHz信號，完整一個觸摸屏單節(jié)點電容測試項目(假設(shè)總共512個節(jié)點)約5ms至10ms。這不包括路徑切換和其他設(shè)置時間。如果考慮更多測試項目和通信，一個DUT大概需要500ms至2000ms，具體時間取決于實際環(huán)境以及需要對多少次測量結(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，分辨率小于10fF，1pFDUT對應(yīng)的精度為約為1%至5%；精度取決于實際環(huán)境和設(shè)計。

審核編輯 黃昊宇