表面電容式觸摸技術(shù)如何推動(dòng)人機(jī)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(tǒng)電阻式觸摸技術(shù)相比，為使用者帶來了多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，包括：高達(dá)97%的穿透率與更真實(shí)的色彩呈現(xiàn)為我們帶來更佳的視覺享;觸摸功能的實(shí)現(xiàn)只需輕觸甚至不必實(shí)際與屏接觸的特性，為用戶帶來更輕松靈活的操控性;更長的使用壽命，電容屏的觸摸壽命約為兩億次，為四線電阻屏(一百萬次)的兩百倍，五線電阻屏(四千萬次)的五倍。

電容式觸摸技術(shù)偵測(cè)的信號(hào)來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)。前者常見于大尺寸戶外應(yīng)用，如公共信息平臺(tái)(POI)及公共服務(wù)(銷售)平臺(tái)(POS)等產(chǎn)品上，而后者則因蘋果公司推出的多點(diǎn)觸摸手機(jī)iPhone而炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)。

從觸摸技術(shù)發(fā)展的過程上來看，最早導(dǎo)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(fù)且面積龐大的機(jī)械設(shè)備控制盤，整合到單一窗口、多重分頁的屏幕上，當(dāng)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)在無法滿足工控領(lǐng)域的需求，也因此，當(dāng)中大尺寸SCT甫一問世，高端設(shè)備機(jī)臺(tái)立即改用SCT方案。直到2003年前后，由于電阻屏制造成本降低，開始有小尺寸被應(yīng)用在PDA、GPS等可攜式產(chǎn)品中，觸摸技術(shù)正式進(jìn)入消費(fèi)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，成為近年來最受矚目的觸摸技術(shù)。

從以上不難發(fā)現(xiàn)，目前以小尺寸為主流的消費(fèi)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(xiàn)與耐受性長期受到市場(chǎng)詬病;后者雖有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，但真正能量產(chǎn)的供貨商屈指可數(shù)，售價(jià)自然相當(dāng)昂貴，以致僅見于少數(shù)高單價(jià)產(chǎn)品上。

目前小尺寸市場(chǎng)之所以很少使用SCT，主要是成本問題。SCT面板制造商長期欠缺關(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(shù)技術(shù)廠商所控制，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(wěn)定地工作。前述種種因素使得SCT在小尺寸消費(fèi)應(yīng)用的售價(jià)與PCT相去不遠(yuǎn)，自然難以被客戶群所采用。

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(wěn)定，可以量產(chǎn)導(dǎo)入。因此我們可以合理地推論：當(dāng)SCT的整體成本因?yàn)楫a(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(jī)會(huì)成為小尺寸消費(fèi)應(yīng)用最佳的解決方案。

下文將簡單介紹PCT與SCT之基本原理，并針對(duì)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(gòu)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(qiáng)識(shí)別的精確度。藉由將前述的圖案在X軸與Y軸方向分別復(fù)制數(shù)次(次數(shù)多寡根據(jù)屏尺寸而定)，便形成一個(gè)類似鍵盤的PCT矩陣，圖1即是目前最常見的菱形圖案。

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(dǎo)線(共有m條)，而綠色菱形圖案形成了Y軸方向的ITO導(dǎo)線(共有n條);PCT控制器會(huì)依次驅(qū)動(dòng)這些導(dǎo)線來偵測(cè)是否有因?yàn)橛|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(dǎo)線上的偵測(cè)波形。

以架構(gòu)最簡單的RC振蕩方案為例。我們將X軸中的X2導(dǎo)線的等效電路簡化于圖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(nèi)阻與PCT各節(jié)點(diǎn)(XY軸交會(huì)處)的固有電容值。當(dāng)手指接近或接觸到屏?xí)r，會(huì)在屏上增加一個(gè)電容量(Cf);對(duì)這個(gè)RC振蕩電路而言，Cf的出現(xiàn)意味著振蕩的周期變長而頻率降低。借著計(jì)算手指觸碰前后X2導(dǎo)線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(UR，UL，LR，LL)與SCT控制器相連接。為了能夠偵測(cè)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(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)面板進(jìn)行充電來達(dá)到。當(dāng)手指觸及屏?xí)r，會(huì)引發(fā)微量電流流動(dòng);此時(shí)IC內(nèi)的感測(cè)電路會(huì)分別解析四條聯(lián)機(jī)上之電流量，并依照?qǐng)D3中的公式將觸碰點(diǎn)的XY坐標(biāo)推算出來。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(duì)推算出的坐標(biāo)值進(jìn)行處理。

PCT與SCT兩者最大差異在于，PCT有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸(Multi-touch)，而SCT僅能達(dá)成單點(diǎn)觸摸(Single-touch);依此看來，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(fù)雜，因此要提供一個(gè)示范性的原型展示并不困難;然而，當(dāng)工程師們?cè)噲D將PCTDemoSet轉(zhuǎn)換為量產(chǎn)計(jì)劃，準(zhǔn)備大量復(fù)制時(shí)，各種技術(shù)挑戰(zhàn)便紛至沓來了。主要的挑戰(zhàn)包括以下三個(gè)方面。

待偵測(cè)的信號(hào)微弱(做成粗宋)易受環(huán)境影響而變得不穩(wěn)定，導(dǎo)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(duì)策是采用定時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)來克服此問題。另外，正使用的其他電器或產(chǎn)品本身其他功能(如手機(jī)的RF)都會(huì)對(duì)信號(hào)量測(cè)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達(dá)成;截至目前為止，IC設(shè)計(jì)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(shì)，因此自iPhone問世以來，幾乎所有的焦點(diǎn)都放在PCT上，觸摸業(yè)界包括觸摸屏廠商、IC設(shè)計(jì)公司與方案開發(fā)商均投入極大的資源進(jìn)行開發(fā);但直到今日，市場(chǎng)的PCT商品仍然不多，問題就在于整體生產(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(xiàn)有PCT控制器仍不夠成熟，在不同應(yīng)用環(huán)境下的自我調(diào)適能力仍不足，因此觸摸菜單現(xiàn)不穩(wěn)定，在此情況下只好對(duì)PCT面板的特性(如：面板之內(nèi)阻值與電容值等)加以嚴(yán)格設(shè)限以減少變數(shù);由于PCT控制器的能力限制，對(duì)PCT面板特性一致性的嚴(yán)格要求往往是造成良率低落的主因。