表面電容式觸摸技術(shù)如何推動(dòng)人機接口新革命

電容式觸摸技術(shù)與目前市場(chǎng)占有率最高的傳統電阻式觸摸技術(shù)相比，為使用者帶來(lái)了多項優(yōu)點(diǎn)，包括：高達97%的穿透率與更真實(shí)的色彩呈現為我們帶來(lái)更佳的視覺(jué)享;觸摸功能的實(shí)現只需輕觸甚至不必實(shí)際與屏接觸的特性，為用戶(hù)帶來(lái)更輕松靈活的操控性;更長(cháng)的使用壽命，電容屏的觸摸壽命約為兩億次，為四線(xiàn)電阻屏(一百萬(wàn)次)的兩百倍，五線(xiàn)電阻屏(四千萬(wàn)次)的五倍。

電容式觸摸技術(shù)偵測的信號來(lái)自于因觸碰而引起的微量變化。按工作原理的不同，可大略分為表面電容式觸摸技術(shù)(SCT，SurfaceCapacitiveTouch)與投射電容式觸摸技術(shù)(PCT，ProjectedCapacitiveTouch)。前者常見(jiàn)于大尺寸戶(hù)外應用，如公共信息平臺(POI)及公共服務(wù)(銷(xiāo)售)平臺(POS)等產(chǎn)品上，而后者則因蘋(píng)果公司推出的多點(diǎn)觸摸手機iPhone而炒得沸沸揚揚。

從觸摸技術(shù)發(fā)展的過(guò)程上來(lái)看，最早導入觸摸技術(shù)的市場(chǎng)是工業(yè)控制領(lǐng)域，其目的是將繁復且面積龐大的機械設備控制盤(pán)，整合到單一窗口、多重分頁(yè)的屏幕上，當時(shí)使用的是中大尺寸電阻屏。然而電阻屏的壽命與耐受性不足等缺憾，實(shí)在無(wú)法滿(mǎn)足工控領(lǐng)域的需求，也因此，當中大尺寸SCT甫一問(wèn)世，高端設備機臺立即改用SCT方案。直到2003年前后，由于電阻屏制造成本降低，開(kāi)始有小尺寸被應用在PDA、GPS等可攜式產(chǎn)品中，觸摸技術(shù)正式進(jìn)入消費性市場(chǎng)。2006年，iPhone采用小尺寸PCT，其絕佳的光學(xué)特性與多點(diǎn)觸摸功能掀起一陣風(fēng)潮，成為近年來(lái)最受矚目的觸摸技術(shù)。

從以上不難發(fā)現，目前以小尺寸為主流的消費性市場(chǎng)在觸摸技術(shù)的選擇上僅有電阻式與投射電容式兩種，前者雖然成本低廉，但是不佳的光學(xué)表現與耐受性長(cháng)期受到市場(chǎng)詬病;后者雖有多項優(yōu)點(diǎn)，但真正能量產(chǎn)的供貨商屈指可數，售價(jià)自然相當昂貴，以致僅見(jiàn)于少數高單價(jià)產(chǎn)品上。

目前小尺寸市場(chǎng)之所以很少使用SCT，主要是成本問(wèn)題。SCT面板制造商長(cháng)期欠缺關(guān)鍵的光學(xué)鍍膜技術(shù)，必須委外加工，而SCT觸摸IC則為少數技術(shù)廠(chǎng)商所控制，售價(jià)居高不下。此外，不像電阻屏可隨意與電阻式IC搭配，SCT的屏與IC必須有絕佳的兼容性才能穩定地工作。前述種種因素使得SCT在小尺寸消費應用的售價(jià)與PCT相去不遠，自然難以被客戶(hù)群所采用。

然而，相較于電阻式技術(shù)，SCT可以大幅改善其缺陷;相較于PCT，SCT的技術(shù)更為成熟穩定，可以量產(chǎn)導入。因此我們可以合理地推論：當SCT的整體成本因為產(chǎn)業(yè)成員們的策略聯(lián)盟和技術(shù)資源整合而大幅下降時(shí)，SCT將有機會(huì )成為小尺寸消費應用最佳的解決方案。

下文將簡(jiǎn)單介紹PCT與SCT之基本原理，并針對此兩種技術(shù)之優(yōu)缺點(diǎn)做一比較。

投射電容式觸摸技術(shù)

PCT是建構在矩陣的概念之上。在觸摸屏制作部份，PCT面板的ITO是經(jīng)過(guò)蝕刻而產(chǎn)生特定圖案的，目的在于提高各觸碰點(diǎn)的SNR值，增強識別的精確度。藉由將前述的圖案在X軸與Y軸方向分別復制數次(次數多寡根據屏尺寸而定)，便形成一個(gè)類(lèi)似鍵盤(pán)的PCT矩陣，圖1即是目前最常見(jiàn)的菱形圖案。

圖1：投射電容式屏的菱形圖案布局。

圖1中的橘色菱形圖案形成了X軸方向的ITO導線(xiàn)(共有m條)，而綠色菱形圖案形成了Y軸方向的ITO導線(xiàn)(共有n條);PCT控制器會(huì )依次驅動(dòng)這些導線(xiàn)來(lái)偵測是否有因為觸碰而增加的電容量變化。

圖2：PCT等效RC電路與手指觸碰前后的X2導線(xiàn)上的偵測波形。

以架構最簡(jiǎn)單的RC振蕩方案為例。我們將X軸中的X2導線(xiàn)的等效電路簡(jiǎn)化于圖2，形成一個(gè)由n個(gè)Rp與n個(gè)Cp所組成的RC電路，其中的Rp與Cp分別代表等效的ITO分段內阻與PCT各節點(diǎn)(XY軸交會(huì )處)的固有電容值。當手指接近或接觸到屏時(shí)，會(huì )在屏上增加一個(gè)電容量(Cf);對這個(gè)RC振蕩電路而言，Cf的出現意味著(zhù)振蕩的周期變長(cháng)而頻率降低。借著(zhù)計算手指觸碰前后X2導線(xiàn)上的振蕩周期與頻率的改變，PCT控制器因而可辨別出觸碰的位置，甚至還能分辨手指與屏的距離(即提供Z軸信息)。

表面電容式觸摸技術(shù)

SCT面板是一片涂布均勻的ITO層，面板的四個(gè)角落各有一條出線(xiàn)(UR，UL，LR，LL)與SCT控制器相連接。為了能夠偵測觸碰點(diǎn)的確切位置，SCT控制器必須先在SCT面板上建立一個(gè)均勻的電場(chǎng)，這部份工作是由IC內部的驅動(dòng)電路對面板進(jìn)行充電來(lái)達到。當手指觸及屏時(shí)，會(huì )引發(fā)微量電流流動(dòng);此時(shí)IC內的感測電路會(huì )分別解析四條聯(lián)機上之電流量，并依照圖3中的公式將觸碰點(diǎn)的XY坐標推算出來(lái)。為了克服干擾的影響，可以利用硬件濾波器或軟件濾波器對推算出的坐標值進(jìn)行處理。

PCT與SCT兩者最大差異在于，PCT有機會(huì )實(shí)現多點(diǎn)觸摸(Multi-touch)，而SCT僅能達成單點(diǎn)觸摸(Single-touch);依此看來(lái)，PCT似乎優(yōu)于SCT，但是事實(shí)上并非全然如此。

PCT工作原理并不復雜，因此要提供一個(gè)示范性的原型展示并不困難;然而，當工程師們試圖將PCTDemoSet轉換為量產(chǎn)計劃，準備大量復制時(shí)，各種技術(shù)挑戰便紛至沓來(lái)了。主要的挑戰包括以下三個(gè)方面。

待偵測的信號微弱(做成粗宋)易受環(huán)境影響而變得不穩定，導致觸摸功能的靈敏度不一致，甚至可能有誤動(dòng)作產(chǎn)生。因觸碰而產(chǎn)生的電容變化實(shí)際上極容易受溫度與濕度影響，目前常用的對策是采用定時(shí)自動(dòng)校準來(lái)克服此問(wèn)題。另外，正使用的其他電器或產(chǎn)品本身其他功能(如手機的RF)都會(huì )對信號量測造成干擾。這部份就得從提高SNR下功夫，以軟件或硬件的方式來(lái)達成;截至目前為止，IC設計業(yè)者在這方面仍有努力空間。

量產(chǎn)良率有待提升(做成粗宋)PCT技術(shù)先天具備多點(diǎn)觸摸的優(yōu)勢，因此自iPhone問(wèn)世以來(lái)，幾乎所有的焦點(diǎn)都放在PCT上，觸摸業(yè)界包括觸摸屏廠(chǎng)商、IC設計公司與方案開(kāi)發(fā)商均投入極大的資源進(jìn)行開(kāi)發(fā);但直到今日，市場(chǎng)的PCT商品仍然不多，問(wèn)題就在于整體生產(chǎn)良率仍然不高，使得成本居高不下所致。而造成良率不高的原因有：現有PCT控制器仍不夠成熟，在不同應用環(huán)境下的自我調適能力仍不足，因此觸摸菜單現不穩定，在此情況下只好對PCT面板的特性(如：面板之內阻值與電容值等)加以嚴格設限以減少變數;由于PCT控制器的能力限制，對PCT面板特性一致性的嚴格要求往往是造成良率低落的主因。