淺析電容式觸摸技術(shù)

　　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。

　　專(zhuān)利問(wèn)題（做成粗宋）由于許多基本手勢與多指觸摸功能已被部份廠(chǎng)商申請專(zhuān)利并獲得認可，造成PCT商品的多點(diǎn)優(yōu)勢在許多應用領(lǐng)域（特別是主力的手機市場(chǎng)）無(wú)法發(fā)揮！整體而言，PCT方案因其具備多點(diǎn)觸摸的優(yōu)勢，未來(lái)必定會(huì )在市場(chǎng)上占有一席之地。但以目前現況看來(lái)，它仍然稱(chēng)不上是一個(gè)成熟的方案。

　　相較之下，雖然SCT技術(shù)在控制器設計上同樣面臨著(zhù)電容信號易受干擾的問(wèn)題，不過(guò)通過(guò)IC設計人員的持續努力，SCT方案已可廣泛地應用于各種環(huán)境之下。例如偉詮電子與萬(wàn)達光電合作開(kāi)發(fā)的SCT觸摸IC（WT5750F），藉由內含于IC內之各種調整機制，可輕而易舉地克服多種外在環(huán)境與觸摸屏尺寸的差異，穩定地提供高質(zhì)量的觸摸體驗。另外，為了滿(mǎn)足手持式設備對于機構小型化的需求，偉詮電子的SCT觸摸IC更在提高產(chǎn)品整合度上下足了功夫，所以能同時(shí)滿(mǎn)足小型化與降低成本兩項重要訴求。

　　除了IC之外，SCT的觸摸屏結構也較PCT更為簡(jiǎn)單，也更容易在硬件上克服噪聲干擾的問(wèn)題。另外，通過(guò)工藝改良與關(guān)鍵技術(shù)的突破，使SCT整體解決方案具有與電阻式匹敵的成本競爭優(yōu)勢。以萬(wàn)達光電自行開(kāi)發(fā)的光學(xué)鍍膜技術(shù)為例，可使觸摸屏的光穿透率由87%上升至97%，反射率則由12%降為2%。更重要的是，將可使光學(xué)處理的良率控制在9成以上，并省去委外加工的步驟，提高技術(shù)自主性與產(chǎn)能，制造成本也可大幅降低。

　　SCT技術(shù)屬于電容式觸摸技術(shù)之一，因此也保有電容式的諸多優(yōu)點(diǎn)：“更佳的視覺(jué)享受”、“更輕松靈活的操控性”及“更長(cháng)的使用壽命”等;再加上SCT對于觸摸屏特性的要求比起PCT而言相對寬松且量產(chǎn)技術(shù)也更加成熟，使得它同時(shí)具備了高良率與低成本的優(yōu)勢。況且在實(shí)際操作中，使用者對于單點(diǎn)選擇、單點(diǎn)手勢與手寫(xiě)功能的需求急迫度更甚于多點(diǎn)觸摸（Multi-touch），而這些功能需求恰巧都是SCT目前已能穩定提供的。因此在