北京时间07月11日消息，中国触摸屏网讯， 投射式电容触控技术发展持续精进，尤其在相关业者结合自电容与互电容感测优点后，包括触控笔、防水与上方停留物体侦测等先进触控功能已逐一实现。而为降低触控萤幕成本，包括感测器层堆叠与镜片上覆感测器(Sensor-On-Lens)等技术也备受瞩目。

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    在现今手机众多功能特色之中，最为关键的就是使用者经验。当苹果(Apple)推出iPhone时，把触控技术推升至全新境界，使用者不必再实际用力按压萤幕就能执行操控功能，只要轻触即可。像是双指移动、缩放萤幕、两指放开、按移萤幕框、滑动、快速卷页以及旋转等功能都变得轻而易举。搭载互动功能的行动装置，彻底脱胎换骨。此外，消费者不必再忍受无趣的作业系统环境，如今有应用程式(Apps)让功能更加多元丰富。 

    现今的手机是随身的神兵利器，能够拍照、在陌生的地方导航指路、听音乐、玩游戏、传送电子邮件与简讯，当然还能打电话。5年前，手机必须搭载键盘，要不是数字型不然就是QWERTY标准排列的英文键盘。随着触控萤幕的功能与实用性持续提升，对键盘的需求也逐渐消失。当键盘的空间空出来后，萤幕的尺寸就能扩大。更大的萤幕直接促进使用者与先进功能间的互动，像是浏览网页、数位摄影、个人化导航及游戏等。现今大约25%的手机采用3.9寸以上的萤幕，其中70%的机种其萤幕超过3.5寸。预估采用更大尺寸萤幕的趋势会一直延续，但消费者能接受的尺寸还是有上限，现今最大的手机萤幕接近4.3寸。 

    投射式电容触控现锋芒

    投射式电容触控是促成上述所有功能的关键技术。电阻式触控萤幕必须由使用者实际按压萤幕，最初并没有支援多点触控，且这项技术并不支援操控手势。此外，电阻式触控萤幕各层材料的透光率不高，导致萤幕亮度较暗，或者被迫得提高萤幕的背光亮度，而牺牲电池续航力。电阻式触控萤幕本身也是机械式系统，长期使用会有耗损故障的问题。最近才推出的新型多点触控电阻式萤幕，由于仍面临许多电阻式技术的问题，且成本不再比电容式触控来得低廉，因此目前仍未获得广泛采纳。 

    另一方面，投射式电容触控技术能支援真正的多点触控功能，再加上操控手势，造就出顺畅且无缝的使用者经验。整合投射式电容触控元件的成本亦快速下滑。 

    在投射式电容触控方面，感测手指有两项主要技术：自电容(Self-capacitance)与互电容(Mutual-capacitance)。电容的定义是指在一个充电并隔离的导体上，其电荷与电位的比值。电容这种电子元件是用来储存电荷之用。因此，在触控萤幕设计中量测自电容，也就是量测个别感测器的电容。 

    在自电容式触控萤幕中，触控面板内含许多网状排列的感测器。个别量测每个感测器的自电容，晶片就能得到一个系统在稳定状态的数据。使用者把自己的手指放在触控面板时，实际上会让邻近感测器的自电容提高。这是因为所有并联的电容会加总在一起。找出所有邻近感测器的资料，先进演算法就能计算出手指的确切位置，并在手指移动时开始追踪。 

    自电容不适合多点触控　互电容重要性相形提升

    自电容法成效非常好，因为感测器会把电场投射到很远处，产生很多讯号。自电容法本身可很快建构，允许采用高切换频率，且对像是交流电杂讯等讯源有很好的免疫力。但它有一个根本问题。自电容不适合多点触控。这是因为假性触控点(Ghosting)的问题，无法明确判断两只手指在萤幕上的位置。若有第三个触控点，这个问题变得无法解决。 

    现今许多作业系统，像是Android与Windows Phone 7，都能支援四只手指以上的触控动作，因此智慧型手机必须支援真正无误判的多点触控功能，所以互电容才会这么重要。 

    若触控萤幕晶片拥有相同数量的输入/输出(I/O)，互电容扫描能提供更高的精准度，以及全面涵盖的触控功能。不同于采用X+Y个别独立感测器(自电容)的方式，互电容法是量测X与Y轴交会点之间的互电容。这样会在萤幕上建立X×Y个独立感测器。在行动装置领域中，最顶尖的触控萤幕控制器能提供三十二个感测器通道，达到理想的5毫米感测器间距。在16：9的宽型萤幕方面，应设计成20Tx乘以12Rx的组态，如此会在萤幕上建立二百四十个感测器；若是采用自电容技术则只有三十二个。 

    互电容式触控萤幕会建立一个网状排列的水平与垂直方向感测器群，很类似自电容式触控萤幕，但能灵敏反应的不是每条感测器线，实际的感测器是这些线的交叉点。其方法是把感测器设定成Tx或Rx，任何节点的电容Cm为ε0A/d，当中的A是交叉点的面积，d是两条感测器线之间的距离。在Tx线上传送电流即可量出Cm。电流会经过Tx感测线，传到和Rx线之间的交会点，并经由电场跨越到Rx线，之后它会再传回到晶片。如此精密的Tx与Rx设计法，触控萤幕能量测出感测内每个交叉点的Cm电容(图1)。 

图1 互电容技术示意图

    当手指接触到面板时，提供另一个供电流传导的通道，所以不会是所有电流都会经过Rx线路传回。有些电流会经过使用者的身体传到地面。因此量测到的数据就会降低。触控萤幕元件会建立一个触控面板的热分布图(Heat Map)，先进演算法能处理手指位置的资料，并能因应工程师的要求处理多笔触控资料。 

    虽然互电容量测数据较适合支援明确的多点触控，但互电容得到的量测数据却远少于自电容的量测数据。因此若只用一种互电容量测数据，很难支援像是触控笔等先进功能，这是因为触控笔传导至触控面板的电容电荷量非常少。因此，现今市面上的智慧型手机，凡是附有触控笔的机种，其触控笔的笔尖直径都在3～6毫米之间，这么粗的笔尖几乎等同于极小的指尖。这使得使用者很难使用手写辨识功能，像是书写亚洲象形文字。 

    结合自/互电容优点　实现先进触控功能

    为何多点触控式萤幕装置无法侦测更小的触控笔？让我们回头看电容的简单公式。电容和面积成正比。笔尖越小，触控笔产生的电容也越少。在一个无杂讯的环境中，可以提高互电容触控萤幕的灵敏度，让它能侦测到直径更小的触控笔，但只要出现杂讯(包括来自萤幕、环境以及充电器等)，这种方法就变得不可行，因为杂讯会盖过触控笔的讯号。 

    要解决这个问题，得用一个能量测自电容与互电容的元件，并能在应用中随时切换。这种功能让工程师同时获得两种电容的优点：互电容的明确多点触控辨识，以及自电容的高强度讯号，使用者则能获得更多好处。 

    自电容与互电容量测数据可被视为差动讯号来使用，藉以提供其他先进功能(图2)。第一种功能是防水，直到最近，智慧型手机仍设法克服重重问题，让电容式触控元件能侦测到流汗或潮湿的手指。这种情况等同于萤幕上有雨滴或湿气的时候。在有水气的状况下，互电容技术完全无法运作，因为水会导电。当雨滴碰到触控面板时，就像是手指按压一样，通常手机或平板电脑在这些状态下使用时会完全当机，因为无法正常地重设基准。运用差动讯号分析技术，大多数先进触控萤幕控制器能在多种量测模式之间做切换，了解是否有水气存在，并正常追踪手指位置。 

图2 结合自电容与互电容

    侦测上方停留物体(Hover)是触控世界的最新技术，目前正快速普及化。要提供上方停留物体侦测的功能，很像是侦测1毫米的触控笔，必须在自电容与互电容扫描法之间做切换。当手指停留在萤幕的上方，且尚未实际触碰到萤幕时，这项新技术让触控萤幕能追踪使用者的手指。这项技术让作业系统能判断触碰与按压的动作。例如，假设使用者在浏览网页，有多个彼此靠得很近的小链结图示，使用者可把手指停留在链结的上方，等到出现该区域的放大视窗，然后再触碰目标链结并点选它(图3)。 

图3 “上方停留”功能

    上方停留另一项值得一提的重点，就是它能搭配三维(3D)萤幕。萤幕技术新出现的一波趋势，就是不戴眼镜就能观看3D行动装置萤幕的内容。搭配上方停留侦测技术，使用者将能在3D模式下和萤幕进行互动。 

    许多手机、应用程式软体及作业系统的研发者已着手把有趣的上方停留侦测用途整合到未来的新产品，预料这将对手机游戏的演进产生重大的影响。 

    突破系统设计瓶颈　杂讯为首要挑战

    随着触控功能为手机带来有趣的使用方式，许多系统设计的趋势也随之改变。触控萤幕的典型系统包含一颗晶片、触控面板或感测器以及把感测器连结到印刷电路板(PCB)的软性电路板(Flex)线路。 

    以往设计者必须把晶片放在软性电路板上，主要是因为印刷电路板本身有许多物理上的设计限制。在某些情况中，如果不使用软性电路板，连结感测器与晶片两端的传输线路就得变得更长，并非所有的触控萤幕都支援加长的传输线路。即便有些业者宣称能解决这个问题，但研发出来的元件体积仍嫌太大不宜放在印刷电路板上。顶尖产品则提供晶片尺寸封装(CSP)，因此体积小到适合放在印刷电路板上。晶片尺寸封装控制器的尺寸远小于球闸阵列(BGA)方案，业界已发展出处理这些封装问题的主流方案。 

    系统面临许多设计挑战，它们和投射式电容触控萤幕一样复杂，其中最大的两项挑战是萤幕与充电器的杂讯。不同萤幕的杂讯不尽相同，但感测器的杂讯就相当一致。充电器杂讯也是一大挑战。直到手指实际出现在萤幕附近时，这种杂讯才会出现(图4)。 

图4 触控萤幕的充电器杂讯

    各款充电器不尽相同，杂讯形态(Profile)也各异其趣。有些充电器会释出宽频杂讯，有些在中频会出现谐波，有些充电器的杂讯高达80Vpp。所有这些杂讯来源，都会让触控萤幕控制器误判为假性碰触。想要处理这些杂讯来源，须要动用先进硬体与精密的杂讯抑制或规避演算法。值得一提的是，为解决此一问题，许多手机大厂已合力制定充电器的杂讯规格如EN 62684-2010及EN301489-34v1.1.1。 

    降低感测器成本　两大堆叠法备受瞩目

    许多研发努力亦聚焦于手机中的感测器。这是因为感测器实际上是触控萤幕系统中最昂贵的元件。感测器是做在玻璃或聚氧化乙烯对苯二酸(PET)材质的基板上。感测器内部在进行图形化时，最常用的材料是铟锡氧化物(ITO)。ITO是一种优良导体，透光率极高，透明到用肉眼几乎看不出来。目前有许多技巧让它完全透明到看不见，包括利用折射率匹配或假性图案填补(Dummy Pattern Filler)。新开发的技巧和ITO材料替代品一样不断推陈出新，感测器堆叠(Sensor Stackup)通常被锁定为降低成本的选项。 

    传统堆叠含有两层，以PET为例，这意味着采用两层PET。底部的PET包含电路图案的Tx传送部分，顶部的感测器层则含有Rx部分，两层之间使用光学透明胶(OCA)作为接合剂。之后这个感测器在利用同样的接合剂黏合上覆镜片，一层电路图型置为垂直方向，另一层则摆成水平方向。两两交叉摆置的元件层，会形成一个平行板电容，每个节点都会单独扫描。 

    这种堆叠很适合搭配PET，但对于玻璃材质就显得太厚且昂贵。玻璃材质较常用的是双面菱形(DSD)感测器图案。这种图案仅使用一层的玻璃，但在印刷电路板设计上须要用到跨接线(Jumper)，其作用相当类似导孔。这个程序需要一层树脂作为绝缘层，并会衍生为了玻璃感测器能对准PET感测器的制造成本(图5)。 

图5 真正单层感测器

    为了压低感测器的成本，并降低手机的整体厚度，许多原始设备制造商(OEM)很高兴看到两种普及化技术。第一种是真正单层式感测器技术，在这种技术中，感测器堆叠缩减成一个基板层与一层ITO，没有用到特殊绝缘层或跨接线。要做到这样的成果，触控萤幕晶片制造商不仅必须开发独特的感测器，还得动用精密演算法针对电路图案的修改进行调整。为配合上述每一种技术，当感测器做成后，必须接合上覆镜片。这个制程成本昂贵，而且绝不是像用说的这么简单。 

    第二个关键感测器技术是镜片上覆感测器(Sensor-On-Lens)，通常称为直接图案化触控视窗(DPW)。有别于直接把ITO沉积在另一片基板，许多玻璃制造商采用这种直接沉积到上覆镜片的堆叠方式。有些手机制造商已经开始运用这种技术进行量产。它能降低系统的成本，并让手机变得更薄。 

    显示器整合触控大不易　On-cell/In-cell各有挑战

    藉由缩减系统的层数，让感测器变得更薄与更低廉，对于手机制造商极具吸引力，然而许多萤幕厂商正尽全力把感测器整合到萤幕上。如此将简化供应链，同时降低系统成本与厚度。不过，这也将导致设计的弹性受到限制。许多人士预测在未来市场成熟之后，On-cell外挂式与In-cell内嵌式堆叠仅会拥有一部分的市占率。 

    两种主要萤幕整合技术为On-cell与In-cell。两种技术的定义有些许不同，端看所指的萤幕种类而定，例如像薄膜电晶体(TFT)、IPS(In-plane Switching)及有机发光二极体(OLED)等，然而它们彼此拥有一些相同的原则，On-cell萤幕把感测器层外挂在彩色滤光片上，而In-cell萤幕则整合在底部。 

    在一个典型的On-cell液晶显示器(LCD)中，触控萤幕感测器层位于偏光板的下方，并位于彩色滤光片的上方。On-cell的主要挑战是和萤幕耦合后传入感测器的杂讯量。触控萤幕必须用精密的演算法来处理这种杂讯(图6)。 

图6 On-cell式液晶显示器

    各界相信In-cell触控萤幕在发展成熟后，将能提供最低成本的萤幕整合触控解决方案。然而，ITO层置于彩色滤光玻璃的底部，又置于Vcom的上方，这将造成许多问题。首先，Vcom层会形成一个大型接地端，会积聚投射式电容讯号，而且若玻璃层厚度不够则会降低灵敏度。第二，堆叠会产生大量寄生电容，意味触控萤幕供应的Tx电流必须够高。In-cell堆叠由于置于萤幕内部，势必会面临许多杂讯的挑战。触控萤幕控制器未来将必须处理这些问题。目前In-cell仍处于概念实作阶段，尚未有量产的解决方案。