智慧手機(jī)受投射式電容技術(shù)推陳出新影響 觸控功能極速擴(kuò)展
北京時(shí)間07月11日消息，寶威科技網(wǎng)訊，投射式電容觸控技術(shù)發(fā)展持續(xù)精進(jìn)，尤其在相關(guān)業(yè)者結(jié)合自電容與互電容感測(cè)優(yōu)點(diǎn)后，包括觸控筆、防水與上方停留物體偵測(cè)等先進(jìn)觸控功能已逐一實(shí)現(xiàn)。而為降低觸控螢?zāi)怀杀荆ǜ袦y(cè)器層堆疊與鏡片上覆感測(cè)器(Sensor-On-Lens)等技術(shù)也備受矚目。
在現(xiàn)今手機(jī)眾多功能特色之中，最為關(guān)鍵的就是使用者經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)蘋果(Apple)推出iPhone時(shí)，把觸控技術(shù)推升至全新境界，使用者不必再實(shí)際用力按壓螢?zāi)痪湍軋?zhí)行操控功能，只要輕觸即可。像是雙指移動(dòng)、縮放螢?zāi)?、兩指放開、按移螢?zāi)豢?、滑?dòng)、快速卷頁(yè)以及旋轉(zhuǎn)等功能都變得輕而易舉。搭載互動(dòng)功能的行動(dòng)裝置，徹底脫胎換骨。此外，消費(fèi)者不必再忍受無(wú)趣的作業(yè)系統(tǒng)環(huán)境，如今有應(yīng)用程式(Apps)讓功能更加多元豐富。
現(xiàn)今的手機(jī)是隨身的神兵利器，能夠拍照、在陌生的地方導(dǎo)航指路、聽音樂、玩游戲、傳送電子郵件與簡(jiǎn)訊，當(dāng)然還能打電話。5年前，手機(jī)必須搭載鍵盤，要不是數(shù)字型不然就是QWERTY標(biāo)準(zhǔn)排列的英文鍵盤。隨著觸控螢?zāi)坏墓δ芘c實(shí)用性持續(xù)提升，對(duì)鍵盤的需求也逐漸消失。當(dāng)鍵盤的空間空出來(lái)后，螢?zāi)坏某叽缇湍軘U(kuò)大。更大的螢?zāi)恢苯哟龠M(jìn)使用者與先進(jìn)功能間的互動(dòng)，像是瀏覽網(wǎng)頁(yè)、數(shù)位攝影、個(gè)人化導(dǎo)航及游戲等?，F(xiàn)今大約25%的手機(jī)采用3.9寸以上的螢?zāi)?，其?0%的機(jī)種其螢?zāi)怀^3.5寸。預(yù)估采用更大尺寸螢?zāi)坏内厔?shì)會(huì)一直延續(xù)，但消費(fèi)者能接受的尺寸還是有上限，現(xiàn)今最大的手機(jī)螢?zāi)唤咏?.3寸。
投射式電容觸控現(xiàn)鋒芒
投射式電容觸控是促成上述所有功能的關(guān)鍵技術(shù)。電阻式觸控螢?zāi)槐仨氂墒褂谜邔?shí)際按壓螢?zāi)?，最初并沒有支援多點(diǎn)觸控，且這項(xiàng)技術(shù)并不支援操控手勢(shì)。此外，電阻式觸控螢?zāi)桓鲗硬牧系耐腹饴什桓?，?dǎo)致螢?zāi)涣炼容^暗，或者被迫得提高螢?zāi)坏谋彻饬炼龋鵂奚姵乩m(xù)航力。電阻式觸控螢?zāi)槐旧硪彩菣C(jī)械式系統(tǒng)，長(zhǎng)期使用會(huì)有耗損故障的問題。最近才推出的新型多點(diǎn)觸控電阻式螢?zāi)唬捎谌悦媾R許多電阻式技術(shù)的問題，且成本不再比電容式觸控來(lái)得低廉，因此目前仍未獲得廣泛采納。
另一方面，投射式電容觸控技術(shù)能支援真正的多點(diǎn)觸控功能，再加上操控手勢(shì)，造就出順暢且無(wú)縫的使用者經(jīng)驗(yàn)。整合投射式電容觸控元件的成本亦快速下滑。
在投射式電容觸控方面，感測(cè)手指有兩項(xiàng)主要技術(shù)：自電容(Self-capacitance)與互電容(Mutual-capacitance)。電容的定義是指在一個(gè)充電并隔離的導(dǎo)體上，其電荷與電位的比值。電容這種電子元件是用來(lái)儲(chǔ)存電荷之用。因此，在觸控螢?zāi)辉O(shè)計(jì)中量測(cè)自電容，也就是量測(cè)個(gè)別感測(cè)器的電容。
在自電容式觸控螢?zāi)恢?，觸控面板內(nèi)含許多網(wǎng)狀排列的感測(cè)器。個(gè)別量測(cè)每個(gè)感測(cè)器的自電容，晶片就能得到一個(gè)系統(tǒng)在穩(wěn)定狀態(tài)的數(shù)據(jù)。使用者把自己的手指放在觸控面板時(shí)，實(shí)際上會(huì)讓鄰近感測(cè)器的自電容提高。這是因?yàn)樗胁⒙?lián)的電容會(huì)加總在一起。找出所有鄰近感測(cè)器的資料，先進(jìn)演算法就能計(jì)算出手指的確切位置，并在手指移動(dòng)時(shí)開始追蹤。
自電容不適合多點(diǎn)觸控 互電容重要性相形提升
自電容法成效非常好，因?yàn)楦袦y(cè)器會(huì)把電場(chǎng)投射到很遠(yuǎn)處，產(chǎn)生很多訊號(hào)。自電容法本身可很快建構(gòu)，允許采用高切換頻率，且對(duì)像是交流電雜訊等訊源有很好的免疫力。但它有一個(gè)根本問題。自電容不適合多點(diǎn)觸控。這是因?yàn)榧傩杂|控點(diǎn)(Ghosting)的問題，無(wú)法明確判斷兩只手指在螢?zāi)簧系奈恢?。若有第三個(gè)觸控點(diǎn)，這個(gè)問題變得無(wú)法解決。
現(xiàn)今許多作業(yè)系統(tǒng)，像是Android與Windows Phone 7，都能支援四只手指以上的觸控動(dòng)作，因此智慧型手機(jī)必須支援真正無(wú)誤判的多點(diǎn)觸控功能，所以互電容才會(huì)這么重要。
若觸控螢?zāi)痪瑩碛邢嗤瑪?shù)量的輸入/輸出(I/O)，互電容掃描能提供更高的精準(zhǔn)度，以及全面涵蓋的觸控功能。不同于采用X+Y個(gè)別獨(dú)立感測(cè)器(自電容)的方式，互電容法是量測(cè)X與Y軸交會(huì)點(diǎn)之間的互電容。這樣會(huì)在螢?zāi)簧辖×Y個(gè)獨(dú)立感測(cè)器。在行動(dòng)裝置領(lǐng)域中，最頂尖的觸控螢?zāi)豢刂破髂芴峁┤€(gè)感測(cè)器通道，達(dá)到理想的5毫米感測(cè)器間距。在16：9的寬型螢?zāi)环矫?，?yīng)設(shè)計(jì)成20Tx乘以12Rx的組態(tài)，如此會(huì)在螢?zāi)簧辖⒍偎氖畟€(gè)感測(cè)器；若是采用自電容技術(shù)則只有三十二個(gè)。
互電容式觸控螢?zāi)粫?huì)建立一個(gè)網(wǎng)狀排列的水平與垂直方向感測(cè)器群，很類似自電容式觸控螢?zāi)唬莒`敏反應(yīng)的不是每條感測(cè)器線，實(shí)際的感測(cè)器是這些線的交叉點(diǎn)。其方法是把感測(cè)器設(shè)定成Tx或Rx，任何節(jié)點(diǎn)的電容Cm為ε0A/d，當(dāng)中的A是交叉點(diǎn)的面積，d是兩條感測(cè)器線之間的距離。在Tx線上傳送電流即可量出Cm。電流會(huì)經(jīng)過Tx感測(cè)線，傳到和Rx線之間的交會(huì)點(diǎn)，并經(jīng)由電場(chǎng)跨越到Rx線，之后它會(huì)再傳回到晶片。如此精密的Tx與Rx設(shè)計(jì)法，觸控螢?zāi)荒芰繙y(cè)出感測(cè)內(nèi)每個(gè)交叉點(diǎn)的Cm電容(圖1)。
圖1 互電容技術(shù)示意圖
當(dāng)手指接觸到面板時(shí)，提供另一個(gè)供電流傳導(dǎo)的通道，所以不會(huì)是所有電流都會(huì)經(jīng)過Rx線路傳回。有些電流會(huì)經(jīng)過使用者的身體傳到地面。因此量測(cè)到的數(shù)據(jù)就會(huì)降低。觸控螢?zāi)辉?huì)建立一個(gè)觸控面板的熱分布圖(Heat Map)，先進(jìn)演算法能處理手指位置的資料，并能因應(yīng)工程師的要求處理多筆觸控資料。
雖然互電容量測(cè)數(shù)據(jù)較適合支援明確的多點(diǎn)觸控，但互電容得到的量測(cè)數(shù)據(jù)卻遠(yuǎn)少于自電容的量測(cè)數(shù)據(jù)。因此若只用一種互電容量測(cè)數(shù)據(jù)，很難支援像是觸控筆等先進(jìn)功能，這是因?yàn)橛|控筆傳導(dǎo)至觸控面板的電容電荷量非常少。因此，現(xiàn)今市面上的智慧型手機(jī)，凡是附有觸控筆的機(jī)種，其觸控筆的筆尖直徑都在3～6毫米之間，這么粗的筆尖幾乎等同于極小的指尖。這使得使用者很難使用手寫辨識(shí)功能，像是書寫亞洲象形文字。
結(jié)合自/互電容優(yōu)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)先進(jìn)觸控功能
為何多點(diǎn)觸控式螢?zāi)谎b置無(wú)法偵測(cè)更小的觸控筆？讓我們回頭看電容的簡(jiǎn)單公式。電容和面積成正比。筆尖越小，觸控筆產(chǎn)生的電容也越少。在一個(gè)無(wú)雜訊的環(huán)境中，可以提高互電容觸控螢?zāi)坏撵`敏度，讓它能偵測(cè)到直徑更小的觸控筆，但只要出現(xiàn)雜訊(包括來(lái)自螢?zāi)?、環(huán)境以及充電器等)，這種方法就變得不可行，因?yàn)殡s訊會(huì)蓋過觸控筆的訊號(hào)。
要解決這個(gè)問題，得用一個(gè)能量測(cè)自電容與互電容的元件，并能在應(yīng)用中隨時(shí)切換。這種功能讓工程師同時(shí)獲得兩種電容的優(yōu)點(diǎn)：互電容的明確多點(diǎn)觸控辨識(shí)，以及自電容的高強(qiáng)度訊號(hào)，使用者則能獲得更多好處。
自電容與互電容量測(cè)數(shù)據(jù)可被視為差動(dòng)訊號(hào)來(lái)使用，藉以提供其他先進(jìn)功能(圖2)。第一種功能是防水，直到最近，智慧型手機(jī)仍設(shè)法克服重重問題，讓電容式觸控元件能偵測(cè)到流汗或潮濕的手指。這種情況等同于螢?zāi)簧嫌杏甑位驖駳獾臅r(shí)候。在有水氣的狀況下，互電容技術(shù)完全無(wú)法運(yùn)作，因?yàn)樗畷?huì)導(dǎo)電。當(dāng)雨滴碰到觸控面板時(shí)，就像是手指按壓一樣，通常手機(jī)或平板電腦在這些狀態(tài)下使用時(shí)會(huì)完全當(dāng)機(jī)，因?yàn)闊o(wú)法正常地重設(shè)基準(zhǔn)。運(yùn)用差動(dòng)訊號(hào)分析技術(shù)，大多數(shù)先進(jìn)觸控螢?zāi)豢刂破髂茉诙喾N量測(cè)模式之間做切換，了解是否有水氣存在，并正常追蹤手指位置。
圖2 結(jié)合自電容與互電容
偵測(cè)上方停留物體(Hover)是觸控世界的最新技術(shù)，目前正快速普及化。要提供上方停留物體偵測(cè)的功能，很像是偵測(cè)1毫米的觸控筆，必須在自電容與互電容掃描法之間做切換。當(dāng)手指停留在螢?zāi)坏纳戏?，且尚未?shí)際觸碰到螢?zāi)粫r(shí)，這項(xiàng)新技術(shù)讓觸控螢?zāi)荒茏粉櫴褂谜叩氖种?。這項(xiàng)技術(shù)讓作業(yè)系統(tǒng)能判斷觸碰與按壓的動(dòng)作。例如，假設(shè)使用者在瀏覽網(wǎng)頁(yè)，有多個(gè)彼此靠得很近的小鏈結(jié)圖示，使用者可把手指停留在鏈結(jié)的上方，等到出現(xiàn)該區(qū)域的放大視窗，然后再觸碰目標(biāo)鏈結(jié)并點(diǎn)選它(圖3)。
圖3 “上方停留”功能
上方停留另一項(xiàng)值得一提的重點(diǎn)，就是它能搭配三維(3D)螢?zāi)弧Ｎ災(zāi)患夹g(shù)新出現(xiàn)的一波趨勢(shì)，就是不戴眼鏡就能觀看3D行動(dòng)裝置螢?zāi)坏膬?nèi)容。搭配上方停留偵測(cè)技術(shù)，使用者將能在3D模式下和螢?zāi)贿M(jìn)行互動(dòng)。
許多手機(jī)、應(yīng)用程式軟體及作業(yè)系統(tǒng)的研發(fā)者已著手把有趣的上方停留偵測(cè)用途整合到未來(lái)的新產(chǎn)品，預(yù)料這將對(duì)手機(jī)游戲的演進(jìn)產(chǎn)生重大的影響。
突破系統(tǒng)設(shè)計(jì)瓶頸 雜訊為首要挑戰(zhàn)
隨著觸控功能為手機(jī)帶來(lái)有趣的使用方式，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)也隨之改變。觸控螢?zāi)坏牡湫拖到y(tǒng)包含一顆晶片、觸控面板或感測(cè)器以及把感測(cè)器連結(jié)到印刷電路板(PCB)的軟性電路板(Flex)線路。
以往設(shè)計(jì)者必須把晶片放在軟性電路板上，主要是因?yàn)橛∷㈦娐钒灞旧碛性S多物理上的設(shè)計(jì)限制。在某些情況中，如果不使用軟性電路板，連結(jié)感測(cè)器與晶片兩端的傳輸線路就得變得更長(zhǎng)，并非所有的觸控螢?zāi)欢贾г娱L(zhǎng)的傳輸線路。即便有些業(yè)者宣稱能解決這個(gè)問題，但研發(fā)出來(lái)的元件體積仍嫌太大不宜放在印刷電路板上。頂尖產(chǎn)品則提供晶片尺寸封裝(CSP)，因此體積小到適合放在印刷電路板上。晶片尺寸封裝控制器的尺寸遠(yuǎn)小于球閘陣列(BGA)方案，業(yè)界已發(fā)展出處理這些封裝問題的主流方案。
系統(tǒng)面臨許多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，它們和投射式電容觸控螢?zāi)灰粯訌?fù)雜，其中最大的兩項(xiàng)挑戰(zhàn)是螢?zāi)慌c充電器的雜訊。不同螢?zāi)坏碾s訊不盡相同，但感測(cè)器的雜訊就相當(dāng)一致。充電器雜訊也是一大挑戰(zhàn)。直到手指實(shí)際出現(xiàn)在螢?zāi)桓浇鼤r(shí)，這種雜訊才會(huì)出現(xiàn)(圖4)。
圖4 觸控螢?zāi)坏某潆娖麟s訊
各款充電器不盡相同，雜訊形態(tài)(Profile)也各異其趣。有些充電器會(huì)釋出寬頻雜訊，有些在中頻會(huì)出現(xiàn)諧波，有些充電器的雜訊高達(dá)80Vpp。所有這些雜訊來(lái)源，都會(huì)讓觸控螢?zāi)豢刂破髡`判為假性碰觸。想要處理這些雜訊來(lái)源，須要?jiǎng)佑孟冗M(jìn)硬體與精密的雜訊抑制或規(guī)避演算法。值得一提的是，為解決此一問題，許多手機(jī)大廠已合力制定充電器的雜訊規(guī)格如EN 62684-2010及EN301489-34v1.1.1。
降低感測(cè)器成本 兩大堆疊法備受矚目
許多研發(fā)努力亦聚焦于手機(jī)中的感測(cè)器。這是因?yàn)楦袦y(cè)器實(shí)際上是觸控螢?zāi)幌到y(tǒng)中最昂貴的元件。感測(cè)器是做在玻璃或聚氧化乙烯對(duì)苯二酸(PET)材質(zhì)的基板上。感測(cè)器內(nèi)部在進(jìn)行圖形化時(shí)，最常用的材料是銦錫氧化物(ITO)。ITO是一種優(yōu)良導(dǎo)體，透光率極高，透明到用肉眼幾乎看不出來(lái)。目前有許多技巧讓它完全透明到看不見，包括利用折射率匹配或假性圖案填補(bǔ)(Dummy Pattern Filler)。新開發(fā)的技巧和ITO材料替代品一樣不斷推陳出新，感測(cè)器堆疊(Sensor Stackup)通常被鎖定為降低成本的選項(xiàng)。
傳統(tǒng)堆疊含有兩層，以PET為例，這意味著采用兩層PET。底部的PET包含電路圖案的Tx傳送部分，頂部的感測(cè)器層則含有Rx部分，兩層之間使用光學(xué)透明膠(OCA)作為接合劑。之后這個(gè)感測(cè)器在利用同樣的接合劑黏合上覆鏡片，一層電路圖型置為垂直方向，另一層則擺成水平方向。兩兩交叉擺置的元件層，會(huì)形成一個(gè)平行板電容，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)單獨(dú)掃描。
這種堆疊很適合搭配PET，但對(duì)于玻璃材質(zhì)就顯得太厚且昂貴。玻璃材質(zhì)較常用的是雙面菱形(DSD)感測(cè)器圖案。這種圖案僅使用一層的玻璃，但在印刷電路板設(shè)計(jì)上須要用到跨接線(Jumper)，其作用相當(dāng)類似導(dǎo)孔。這個(gè)程序需要一層樹脂作為絕緣層，并會(huì)衍生為了玻璃感測(cè)器能對(duì)準(zhǔn)PET感測(cè)器的制造成本(圖5)。
圖5 真正單層感測(cè)器
為了壓低感測(cè)器的成本，并降低手機(jī)的整體厚度，許多原始設(shè)備制造商(OEM)很高興看到兩種普及化技術(shù)。第一種是真正單層式感測(cè)器技術(shù)，在這種技術(shù)中，感測(cè)器堆疊縮減成一個(gè)基板層與一層ITO，沒有用到特殊絕緣層或跨接線。要做到這樣的成果，觸控螢?zāi)痪圃焐滩粌H必須開發(fā)獨(dú)特的感測(cè)器，還得動(dòng)用精密演算法針對(duì)電路圖案的修改進(jìn)行調(diào)整。為配合上述每一種技術(shù)，當(dāng)感測(cè)器做成后，必須接合上覆鏡片。這個(gè)制程成本昂貴，而且絕不是像用說(shuō)的這么簡(jiǎn)單。
第二個(gè)關(guān)鍵感測(cè)器技術(shù)是鏡片上覆感測(cè)器(Sensor-On-Lens)，通常稱為直接圖案化觸控視窗(DPW)。有別于直接把ITO沉積在另一片基板，許多玻璃制造商采用這種直接沉積到上覆鏡片的堆疊方式。有些手機(jī)制造商已經(jīng)開始運(yùn)用這種技術(shù)進(jìn)行量產(chǎn)。它能降低系統(tǒng)的成本，并讓手機(jī)變得更薄。
顯示器整合觸控大不易 On-cell/In-cell各有挑戰(zhàn)
藉由縮減系統(tǒng)的層數(shù)，讓感測(cè)器變得更薄與更低廉，對(duì)于手機(jī)制造商極具吸引力，然而許多螢?zāi)粡S商正盡全力把感測(cè)器整合到螢?zāi)簧?。如此將?jiǎn)化供應(yīng)鏈，同時(shí)降低系統(tǒng)成本與厚度。不過，這也將導(dǎo)致設(shè)計(jì)的彈性受到限制。許多人士預(yù)測(cè)在未來(lái)市場(chǎng)成熟之后，On-cell外掛式與In-cell內(nèi)嵌式堆疊僅會(huì)擁有一部分的市占率。
兩種主要螢?zāi)徽霞夹g(shù)為On-cell與In-cell。兩種技術(shù)的定義有些許不同，端看所指的螢?zāi)环N類而定，例如像薄膜電晶體(TFT)、IPS(In-plane Switching)及有機(jī)發(fā)光二極體(OLED)等，然而它們彼此擁有一些相同的原則，On-cell螢?zāi)话迅袦y(cè)器層外掛在彩色濾光片上，而In-cell螢?zāi)粍t整合在底部。
在一個(gè)典型的On-cell液晶顯示器(LCD)中，觸控螢?zāi)桓袦y(cè)器層位于偏光板的下方，并位于彩色濾光片的上方。On-cell的主要挑戰(zhàn)是和螢?zāi)获詈虾髠魅敫袦y(cè)器的雜訊量。觸控螢?zāi)槐仨氂镁艿难菟惴▉?lái)處理這種雜訊(圖6)。
各界相信In-cell觸控螢?zāi)辉诎l(fā)展成熟后，將能提供最低成本的螢?zāi)徽嫌|控解決方案。然而，ITO層置于彩色濾光玻璃的底部，又置于Vcom的上方，這將造成許多問題。首先，Vcom層會(huì)形成一個(gè)大型接地端，會(huì)積聚投射式電容訊號(hào)，而且若玻璃層厚度不夠則會(huì)降低靈敏度。第二，堆疊會(huì)產(chǎn)生大量寄生電容，意味觸控螢?zāi)还?yīng)的Tx電流必須夠高。In-cell堆疊由于置于螢?zāi)粌?nèi)部，勢(shì)必會(huì)面臨許多雜訊的挑戰(zhàn)。觸控螢?zāi)豢刂破魑磥?lái)將必須處理這些問題。目前In-cell仍處于概念實(shí)作階段，尚未有量產(chǎn)的解決方案。
