電容觸摸屏在智能手機和平板電腦等消費電子產品中的應用非常普遍。傳統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制造中的可靠性和一致性，實現高標準大規模制造中的品質控制。該方案探討了在大規模生產中如何測量觸摸屏電容值，以及如何在貼裝IC驅動芯片之前發現有缺陷的觸摸屏。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量，迫切需要能夠節省大量時間和人工成本的自動化測試解決方案。

觸摸屏技術介紹

了解觸摸屏技術有助于理解下一章節中的測試方法和系統框圖。電容觸摸屏技術主要有兩種：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.互電容屏結構

大部分消費級觸摸屏使用ITO(銦錫氧化物)材料，有導電且透光的特性，透光率通常大于90%。圖2是其中一種鉆石型互電容物理結構。X列ITO和Y行ITO位于不同層上，它們的交叉節點產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。

我們來創建一個待測物(DUT)分析模型以獲得精確測量結果，如圖3所示。

圖3.DUT分析模型

CX：每個節點大約是1pF至10pF，這是我們想要測量的互電容。有數百至數千個這樣的互電容節點需要測量。

LITO：ITO細線引起的寄生電感，1nH至20nH；在這個應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導線電阻，k?級別，這取決于ITO線長、線寬和材料成分。每個節點的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境。

生產測試需求

該解決方案涉及4個測試項目：

1)單節點電容測試測量所有矩陣節點，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；這不是單個節點測試，所以測量結果通常為幾十到數百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。每個節點的測試時間通常在ms級。矩陣節點的數量取決于屏幕尺寸，從數百到數千不等。

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。為了避免受到電纜和開關寄生效應的影響，第二個放大器A1用于直接檢測ZX上產生的電壓。節點POT和CUR產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。

觸摸屏測試系統框圖

對自平衡電橋做一些電路上的補充就可以實現觸摸屏測試需求。如圖5所示。

圖5.觸摸屏測試系統框圖

信號激勵源是一個高速DAC或DDS，產生50kHz至200kHz波形用于電容測試和ITO電阻測試。它還能產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：差分到單端轉換和電平搬移到雙電源信號模式。幅度調整可以放在該放大器、DAC數字域或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，并且由一個SARADC數字化采樣。電流測量路徑由一個可編程增益阻抗放大器(用于將電流轉換為電壓)和一個附加放大器AMP5(用于調整增益)組成。注意，務必慎重考慮用以實現可編程增益阻抗放大器的開關配置，以使其寄生效應的影響最小化2。兩個測量路徑中的信號均需要通過AMP6和AMP7進行電平轉換和單端到差分轉換，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。如果此電流大于預設閾值，則意味著這兩條線短路。ITO電阻只能通過節點間的耦合測量，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，這樣可以節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的寄生效應。因此，應按照圖6所示增加兩個開關以進行分析。

圖6.模擬開關分析模型

CD/CS：寄生電容，8pF至32pF(ADG1414)，開和關兩個狀態下電容是不同的。矩陣節點測試會連接大量開關，所以我們必須要考慮這個寄生電容總和。

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

RON：模擬開關的導通電阻RON，使用ADG1414時為9.5?。此電阻對測量路徑的影響可利用適當的開爾文連接來消除，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.測試夾具寄生效應的補償

右圖所示為從開路和短路補償程序得出的完整網絡模型。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點電容測試項目(假設總共512個節點)約5ms至10ms。這不包括路徑切換和其他設置時間。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境以及需要對多少次測量結果求均值以獲得穩定結果。

高靈敏度：使用18位的ADC時，分辨率小于10fF，1pFDUT對應的精度為約為1%至5%；精度取決于實際環境和設計。

審核編輯 黃昊宇