手寫筆應用前景推動內容創建

摘要：本文介紹了多種手寫筆方案，并認為有源手寫筆方法最為理想，因為最接近鋼筆或鉛筆使用的用戶體驗，還可以通過各種先進的手勢與屏幕互動，比如放大、滾動、擦除，以及翻頁。

關鍵詞：手寫筆；電容式觸摸；有源

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.4.002

還記得手寫筆是早期PDA類型設備的常用文本輸入和導航控制工具嗎？在那時，電阻式觸摸屏技術在大多數初始觸摸屏設計中占據主導地位。隨著感測層位于前面板后的光滑、閃亮的電容式觸摸屏的出現，手寫筆的使用減少了，但是為期不長。

現在消費者將其平板電腦和智能手機看作用于創建內容的設備，而不是僅僅用于訪問或使用內容。手寫筆是一個自然的選擇，為輸入文本、做筆記和畫圖等任務提供了令人熟悉的精確的筆一樣的體驗。

圖1電阻式觸摸傳感器，比如在普通堆棧中的那些傳感器，提供了實現筆和手寫筆輸入的成本較低的較簡單方法。然而，它們沒有其他替代技術的光學清晰度和可靠性。

屏幕之下

使用電阻式技術，機械傳感器安裝在顯示屏和嵌入式控制器的頂部（圖1），傳感器包括一個柔性聚酯頂層和一個剛性玻璃底層，它們使用空氣和/或絕緣點分隔開來。

兩層各自的內表面涂有透明的金屬氧化物涂層（銦錫氧化物或ITO），施加電壓時有助于在每一層形成梯度。當手寫筆壓下柔性薄膜時會接觸到下部的電阻層，從而激活信號。

各層之間的控制電子交替電壓，經過后續的X和Y坐標到達觸摸屏控制器。而后，觸摸屏控制器數據傳輸到CPU用于處理。

在電阻式觸摸系統中實施手寫筆功能相對簡單直接，電阻式觸摸傳感器經設計提供用于手寫筆和手指的優化性能。而現在，電容式觸摸是從蜂窩電話到電子閱讀器、平板電腦以及筆記本電腦的大多數移動設備的首選技術。

電容式觸摸技術提供了豐富的用戶體驗，由于具備出色的光學特性，以及電阻式觸摸系統所不具備的堅如磐石的可靠性，因此帶來了更清晰、更新穎的顯示性能。不過，用于電容式觸摸技術的手寫筆實施方案并不簡單，需要考慮諸多因素。

感應技術：良好的性能，更高的成本

評估現有的潛在手寫筆技術，設計工程師有三種可能的選擇：感應技術，無源電容式手寫筆，以及有源電容式手寫筆，多年以來，感應技術方法一直非常盛行，尤其是在圖形輸入板和平板電腦中。

感應技術包括一個印刷電路板（PCB）傳感器，一個混合信號IC控制器、驅動器軟件，以及一個手寫筆。傳感器位于LCD和背光裝置的下部，傳感器是由銅軌道構成的，在X和Y方向提供大量的重疊的天線線圈。這些線圈發射電磁信號，可以使用帶有有源或無源電路的專用電磁筆檢測信號。

磁場的能量維持電路運作，將能量從傳感器處轉移到電磁筆中，筆的自有電路接收能量，一個電感器/電容器與頻率共振以確定其數值。然后，能量反射回到傳感器，作為模擬信號被接收，并傳輸到控制器IC，從而提供位置坐標數據。

圖2除了電容式觸摸傳感器，還需要一個附加的傳感器用于感應式有源手寫筆技術。這個附加的傳感器增加了成本和設備的厚度，但是提供了最商勝能的觸摸和手寫筆解決方案。

感應方法具有良好的性能，但其實施方案往往比較昂貴（圖2），感應手寫筆運作所需的額外堆疊層增加了設備的厚度，需要附加的電路，并且增加了相關的成本。

無源電容式手寫筆：中等性能、低成本

無源電容式手寫筆基于投射電容式場電荷轉移感測技術，提供了具有中等性能水平的低成本解決方案，廣泛用于蜂窩電話和較新的平板電腦設備，在手指等物體接近或觸摸屏幕的表面時，投射電容式觸摸屏通過測量所引起的電容的微小變化來運作。

用于電荷收集的電容至數字轉換（capacitive-to-digital conversion，CDC）技術和電極結構（通常是位于顯示屏頂部的透明傳感器薄膜）的空間排列的組合，對于整體性能產生了很大的影響。這種組合也有助于推動方案的實施。

業界有兩種安排和測量電容變化的基礎方法：自電容和互電容。使得電容式觸摸屏能夠可靠地報告和跟蹤多個同時觸摸點的唯一方法，是測量傳輸和接收電極安排為正交組合處的互電容。

采用自電容方案，測量整行或整列的電容變化，當用戶觸摸兩個位置時會導致位置模糊。在實際中，自電容僅適用于單一觸摸或非常有限的雙觸摸應用。

觸摸屏中的傳感器包括一個或多個位于透明基板材料上（通常為PET或玻璃）的圖案化透明導體層，傳感器位于顯示屏上。為了構建一個能夠通過玻璃或塑料前面板來解析一個或多個手指觸摸的傳感器產品，需要采用完全的正交網格電極。

圖3使用maXTouch觸摸控制器來同時支持觸摸和電容式手寫筆的各種電容式傳感器堆疊之一，這項技術提供了高性能的有源手寫筆解決方案，且不會增加成本或犧牲性能。

通常情況下，圖案化導體（電極）是由蝕刻圖案ITO制成的，這是一種高透明性材料，既具有良好的光學清晰度，同時可保持稍低的電阻系數。ITO可以用于制造真正的傳感器矩陣，唯一的觸摸敏感區域是行電極和列電極相互結合位置附近。

使用插補方法，在單一觸摸的中心位置可以獲得相當準確的分辨率。在需要唯一確定數個鄰近觸摸點的時候會出現困難，因為這需要高電極密度。

這意味著行和列的間距必需達到5mm左右或更小，而這是拇指和食指兩指之間指尖距離所測量出，方法是兩指合在一起，然后除二再分開。廣泛的測試已經證實10～12 mm的分隔距離，可以在空間分辨率和增加傳感器復雜性之間建立最佳的折衷權衡。

高電極密度實現了另一個重要的特性：使用無源導電的手寫筆。只要使用正確的傳感器設計和非常先進的觸摸追蹤算法，便有可能使用一個筆尖尺寸為3～5 mm的簡單無源導電手寫筆。

有源手寫筆：出色的性能，較低的總體成本

第三種手寫筆實施方案是有源手寫筆，這項技術包括投射電容式場觸摸屏的出色性能和特性，集成了一個能夠檢測場的存在并與觸摸屏控制器通信的手寫筆。

例如，愛特梅爾的maXStylusmXTS100有源手寫筆支持其maXTouch觸摸屏控制器，這些技術的組合簡化了硬件，并且降低了總體解決方案的成本，因為僅僅需要與maXTouch控制器接口的單一ITO傳感器，用于檢測手指觸摸和手寫筆接近。

通過系統驅動程序和串行接口，系統主控制器與maXTouch芯片組接口，用于觸摸和手寫筆數據。這種同時觸摸和手寫筆能力稱作多重感測（multiSense）功能性。

mXTS100器件采用電容式感測來檢測有源maXTouch傳感器的存在，并且響應其自有的信號以指示位置、壓力、按鈕點擊定時，以及其它信息。maXTouch控制器通過傳感器接收手寫筆信息，同時檢測手指觸摸操作。

在maXTouch控制器檢測到手寫筆的存在之后，激活專用算法來處理手寫筆數據，從而提供高線性度和高分辨率。更多的處理提供出色的手掌抑制特性，從而帶來暢順舒適的像筆一樣的手寫筆書寫體驗。

此外，使用1 mm筆尖直徑和140Hz快速幀率，maXStylus有源手寫筆能夠提供快速、準確的手勢捕獲，比如在觸摸屏上的輕擊。

結論

為了提供最接近鋼筆或鉛筆使用的用戶體驗，有源手寫筆方法最合適。在觸摸屏上使用有源手寫筆，用戶能夠自然地書寫或畫圖，還可以通過各種先進的手勢與屏幕互動，比如放大、滾動、擦除，以及翻頁。

結合現有的有源手寫筆技術，以及先進的電容式觸摸屏解決方案，設計工程師可以比以往更簡便地創建真正使其客戶喻悅的觸摸體驗。