對(duì)市場(chǎng)上電容式觸控技術(shù)的另類思考
北京時(shí)間2013年03月05日消息,寶威科技網(wǎng)，臺(tái)灣在觸控面板的生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)先是有目共睹的，但自iPhone 5 傳出將使用In Cell觸控技術(shù)后，已出現(xiàn)危機(jī)。觸控業(yè)者必須掌握更關(guān)鍵的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，才有機(jī)會(huì)存活下去。
電容式觸控技術(shù)發(fā)展至今，呈現(xiàn)百花爭(zhēng)艷的局面，可以約略分為四大類技術(shù)：(1) 觸控位置檢知；(2) 觸控面板制程；(3) 觸控手勢(shì)；(4) 觸控材料。其中重要的上游專利多集中在美國(guó)與日本手上，臺(tái)灣則在制程方面領(lǐng)先，韓國(guó)與大陸開始急起直追。在日本的材料專利陸續(xù)到期后，大家都需要加把勁才不會(huì)淪落到后段班，形成美國(guó)一家獨(dú)大的局面。
臺(tái)灣在觸控面板的生產(chǎn)領(lǐng)先是有目共睹的，但自Apple 的 iPhone 5 傳出將使用Apple 自行研發(fā)的In Cell觸控技術(shù)后，已出現(xiàn)危機(jī)，之前許多人都把焦點(diǎn)放在生產(chǎn)制程與材料上來做觸控產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的比較，在此要提出不同的看法。
其實(shí)影響電容式觸控產(chǎn)業(yè)的最上游、也是金字塔頂?shù)募夹g(shù)是「觸控位置檢知」，一旦產(chǎn)生革命性的發(fā)明，會(huì)徹底地改變整個(gè)觸控產(chǎn)業(yè)。就像當(dāng)初由測(cè)量自電容的改變演進(jìn)成測(cè)量互電容的改變一樣，互電容式的觸控面板現(xiàn)在幾乎完全取代了原有的自電容式觸控面板。
接下來測(cè)量互電容的改變會(huì)演進(jìn)成測(cè)量某種特性的改變，何種觸控面板會(huì)取代現(xiàn)在的互電容式觸控面板，這對(duì)觸控產(chǎn)業(yè)會(huì)有多大的影響更值得我們關(guān)心。「觸控位置檢知」技術(shù)又可再分為五大類，前四類為市場(chǎng)上的主流作法，包括充放電法、電荷移轉(zhuǎn)法、Apple的互電容技術(shù)，以及差動(dòng)式觸控技術(shù)。
這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中Apple的互電容技術(shù)擁有很多設(shè)計(jì)上的不利因素，包括會(huì)產(chǎn)生大量的電路噪聲、電路精確度要求極高、尺寸不易做大、雙層結(jié)構(gòu)的成本較高等等。然而種種的不利因素抵不上一個(gè)主要功能，就是多點(diǎn)觸控帶來的手勢(shì)操作，廣受大眾的喜愛，讓互電容的觸控技術(shù)成為現(xiàn)在觸控技術(shù)中領(lǐng)導(dǎo)的主流技術(shù)。
由于互電容觸控的最大敵人就是噪聲，連Apple都花了相當(dāng)大的功夫來消除噪聲，其他資源不夠的廠商自然要尋求更有效的方法來對(duì)付這個(gè)問題，而差動(dòng)式觸控方法顯然是有效的關(guān)鍵技術(shù)，所以使用此技術(shù)的廠商如過江之鯽。
1. 為何非要量電容值？
第一個(gè)產(chǎn)生懷疑的地方就是為什么要量電容值？雖然名叫電容式觸控，也不一定非要測(cè)量電容值不可，測(cè)量其他的特性不行嗎？依筆者在物理學(xué)上所受的訓(xùn)練，直覺地感受到電容的不確定因素相當(dāng)多：手指的指紋、環(huán)境中所有的導(dǎo)電物體、帶靜電的物體、大地的靜電密度、溫度濕度等都會(huì)影響電容值得測(cè)量，所以測(cè)量絕對(duì)的電容值是不合理的做法，不同感應(yīng)電極間的電容相對(duì)值還有一些可討論的空間。
上述電容式觸控技術(shù)的前三種方法所測(cè)量到的電容值，其實(shí)本身一直在變化，不管是否有碰觸，不是固定不變的，上述第四種差動(dòng)式觸控法相對(duì)地比較合理一些。
2. 什么是虛擬接地？
第二個(gè)關(guān)鍵問題是，虛擬接地究竟是什么？看到許多有關(guān)虛擬接地的說法，與人體接地的模型，總感到非常不踏實(shí)。
3. 平行板電容理論的成立條件？
第三個(gè)懷疑是平行板電容的理論在什么條件下才會(huì)成立？許多家觸控IC設(shè)計(jì)業(yè)者都以平行板電容的理論來解釋自家的技術(shù)理論基礎(chǔ)，而這個(gè)理論基礎(chǔ)引用的正確性值得考慮。
人體中的電荷移動(dòng)靠得是鈉離子與鉀離子的平衡，離子移動(dòng)的速度很慢，不像導(dǎo)體中移動(dòng)的是電子，速度非?？?。電荷移動(dòng)的特性納入考慮時(shí)，平行板電容的模式還能使用嗎？我常用一個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)來解釋這個(gè)問題，把一個(gè)10元的銅板放在觸控屏幕上與手指觸碰，那一個(gè)讀取到的變化量比較大，是手指還是銅板？
大家都知道是手指而不是銅板，可是以平行板電容的理論來看，接觸面積越大，電容越大，沒道理銅板的變化量小于手指，理論上說不通。當(dāng)然有些觸控領(lǐng)域的高手跟我說，把銅板連接到測(cè)試電路的地時(shí)，銅板的變化量就有可能比較大，所以平行板電容的理論是否要加上一個(gè)條件才對(duì)，叫做接地，但是實(shí)務(wù)上并沒有接地線，有的只是虛擬接地的觀念，如果接地的問題有疑慮，平行板電容的推論就不穩(wěn)固，測(cè)量電容的推論就有商榷的必要。
看來現(xiàn)在整個(gè)觸控產(chǎn)業(yè)所廣泛使用的觸控模型，其實(shí)是建立在非常不穩(wěn)固的理論基礎(chǔ)上，許多在觸控IC設(shè)計(jì)的業(yè)者都自我設(shè)限在測(cè)量電容值的狹隘范圍內(nèi)，無法跳脫這個(gè)框架，是很可惜的一件事。筆者想說的是測(cè)量電容的方法并非不行，而是當(dāng)我們跳脫框架后，才有可能發(fā)明出更好的方法，才看得到真正的新藍(lán)海。
事實(shí)上，電容變化的表相只是觸控表現(xiàn)出的眾多面貌中的一環(huán)而已，還有很多的表相可以研究開發(fā)。至少，筆者就已提出四種非測(cè)量電容的電容式觸控技術(shù)，前三種是：1. 使用能量消耗法測(cè)量電容式觸控面板的ITO電阻；2. 測(cè)量噪聲變化范圍；3. 靜電量測(cè)。
第四種是微擾共振法，它能測(cè)量所有的變化，讓所有的變化一一現(xiàn)形， 讓觸控變的很簡(jiǎn)單。目前實(shí)際的成果包括：超高的 SNR 比，在未IC化之前已達(dá)200:1，制作成IC后有機(jī)會(huì)挑戰(zhàn) 1000:1；超高的靈敏度，可偵測(cè)到幾個(gè) fF級(jí)的微小變化；Sample rate 可達(dá) 10K samples/sec；可抵抗AC電源訊號(hào)的干擾；可以調(diào)整共振能量，改變測(cè)量的靈敏度；可以使用金屬筆、鉛筆、原子筆等操作觸控；可以穿戴厚手套操作；3D 觸控手勢(shì)；是現(xiàn)今唯一以物理觀念主導(dǎo)的新原創(chuàng)觸控技術(shù)，專利上保有主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。
本實(shí)驗(yàn)開啟了新 In Cell 觸控技術(shù)的多重可能性，讓 In Cell touch 不再局限于 Photo Sensor，以及Apple In Cell touch，或各類運(yùn)用壓力形變等方式做成的In Cell觸控技術(shù)，演進(jìn)到更多元的 In Cell touch 的新藍(lán)海技術(shù)。
近來與知名的業(yè)界高階技術(shù)人士討論過這個(gè)想法，在還沒看過實(shí)驗(yàn)以前，得到的回答都是"不可能"，電力線不可能穿越Vcom 的導(dǎo)體層，LCD內(nèi)部的 ITO電容所儲(chǔ)存的電荷會(huì)干擾Touch sensor 電容的測(cè)量，而其所產(chǎn)生的噪聲將無法克服，Gate line 與 data line 上的訊號(hào)也會(huì)干擾 Touch sensor的訊號(hào)檢測(cè)。
這個(gè)大家都認(rèn)為"不可能"的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)未來觸控產(chǎn)業(yè)的影響相當(dāng)巨大，試想看看當(dāng) In Cell Touch 發(fā)展到不會(huì)影響LCD的良率與開口率時(shí)，OGS 與現(xiàn)有的外掛式觸控模塊還有競(jìng)爭(zhēng)的條件嗎？觸控所需增加的成本一下降低80%，屆時(shí)沒有此種技術(shù)的業(yè)者，還有存活的空間嗎？
雖然現(xiàn)在看起來成功的機(jī)會(huì)可能只有 10%，還有一些不確定因素尚未克服，也還有許多任務(wù)作要做，但比起 0%(認(rèn)為不可能做到的人)而言，成功的機(jī)會(huì)還是非常巨大的。不過，多數(shù)業(yè)者可不這么認(rèn)為，哪怕只有1%的成功率都要小心謹(jǐn)慎不能冒險(xiǎn)，因?yàn)槊半U(xiǎn)的賭注太大。
如今SuperC_Touch 第六代技術(shù)已把自己的第五代技術(shù)給淘汰了，讓成功的機(jī)率由原來的10%增加到50%。筆者會(huì)繼續(xù)再接再勵(lì)完成它，要讓全世界知道臺(tái)灣的研發(fā)份量是不輕的。
