电容式触控技术主要是应用人力的电流感应技术进行工作。当手指触摸到金属层上时，人体电场、用户和触控屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流，这个电流从触控屏四角上的电极中流出，经过四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置信息。
与电阻式触控屏和电磁式感应板相比，电容式触控屏表现出了更加良好的性能。由于轻触就能感应，使用方便。而且手指与触控屏的接触几乎没有磨损，性能稳定,经机械测试使用寿命长达30年。另外，电容式触控屏原理整个产品主要由一块只有一个高集成度芯片的PCB组成，元件少，产品一致性好、成品率高。
代表流行风向标的iPhONe上使用电容式触控屏无疑进一步印证了其拥有的各项优势。然而，瑕不掩瑜，电容电容式触控屏原理式触控屏也面临着以下一些挑战:由于人体成为线路的一部分，因而漂移现象比较严重：电容式感应输入技术在中小尺寸平板显示器上输入或控制点状目标(如点击软键盘上的电话号码或输入中英文字)时的性能有待改进：温度和湿度剧烈变化时性能不够稳定，需经常校准：不适用于金属机柜：当外界有电感和磁感的时候，可能会使触控屏失灵。
电容式触控面板的应用需由触控面板(Touch Panel)、控制器(Touch CONtroller)及软件驱动程序(Utility)等3部分分别说明。
触控面板
一般电容式触控面板是在透明玻璃表面镀上一层氧化锑锡薄膜(ATO Layer)及保护膜(Hard Coat Layer)而与液晶银幕(LCD Monitor)间则需作防电子讯号干扰处理(Shielded Layer)。下图为电容式触控面板的侧面结构。
人与触控面板没有接触时，各种电极(Electrode)是同电位的，触控面板没有上没有电流(ELECTRIC Current)通过。当与触控面板接触时，人体内的静电流入地面而产生微弱电流通过。检测电极依电流值变化，可以算出接触的位置。玻璃表面上氧化锑锡薄膜(ATO)层有电阻系数，为了得到一样电场所以在其外围安装电极，电流从四边或者四个角输入。
从4条边上输入时，等电场是通过4角周围的电阻小于4条边上的阻抗分配方式所得到的。对实际应用而言，有在透明导电膜(ATO Layer)上安装一组电阻基版类型;也有对透明导电膜(ATO Layer)作蚀刻所行成的类型。从4角输入时，一般通过印刷额缘电阻与透明导电膜(ATO Layer)组合得到等电场。
从4条边上输入时，根据上下、左右电流比计算就可以得出，检测方法较为简单。从4条角输入时，检测方法要得出与4条边的距离比，位置计算也较为复杂。举例来说，假设触控面板位置中心为0，X轴与Y轴位置可以下面方程式计算出:
X轴:L1+L4-L2-L3/L1+L2+L3+L4
Y轴:L3+L4-L1-L2/L1+L2+L3+L4
控制器
控制器(Touch Controller)也是电容式触控面板应用上不可或缺的一员，由于不平衡的透明导电膜(ATO Layer)厚度会造成工作位置精度的偏差，且触控面板做的愈大此情形愈加明显。因此为了得到正确位置精度，需藉由控制器作线性分析及补偿。
控制器经由多点(多为25点)线性补偿功能(Multi-point Linearity Compensation Function)，将补偿数据(Compensation Data)纪录于EEPROM中，以对通过不平衡的透明导电膜而引起的偏差进行补偿。通常此对策能将线性偏差(Accuracy Tolerance)控制在1%以下。
但上述情形是建立在理想状况下，实际操作时，「漂移现象」(Drift Phenomenon)一直是电容式触控面板应用亟待克服的问题，由于流经电容式触控面板讯号是非常微弱的，且直接受温度、湿度、手指湿润程度、人体体重、地面干扰与线路寄生电容所影响，而多点线性补偿功能只能解决局部区域线性问题，无法解决整体的漂移现象。
软件驱动程序
软件驱动程序(Utility)对于不同作业平台支持的能力通常反映在一家公司的竞争力及市占率上，一般软件驱动程序所支持的作业平台:
微软Windows OS:95， 98， Me， 2000， NT4， XP and Tablet PC Edtion
微软Windows CE:2.12， 3.0， CE.net and 5.0
Linux:RedHat 9.0， Mandrake 9.2， SuSE 10.0， Yellow Dog 3。x and Fedora Core 4
Dos及iMac 9.0 and 10.X版本
另外对于操作使用者来说，软件驱动程序所支持的功能也是选购时的考虑。一般多同时支持RS232及USB的通讯接口，2048×2048的屏幕分辨率(Resolution)，4点校正(4 Point Calibration)、25点线性补偿功能，微软Windows作业平台下支持多国语系，屏幕旋转(Monitor Rotation)及多重屏幕(Multi-monitor Supported)等功能。
ADI 的电容式感应输入解决方案包括电容到数字转换器CDC(如AD7745、AD7746、AD7747和AD7142)以及电阻到数字转换器IDC (AD5933和AD5934),除了AD7142以外,所有上述CDC和IDC都针对工业控制、汽车和医疗电子应用中的高精度传感器设计。ADI的 CDC(AD7142)则主要面向消费电子领域。尽管所有这些CDC都基于ADI的sigma-delta 架构,但他们是非常不同的器件。
AD7142 是一款针对手持消费电子设备的可编程14通道电容数字转换器(CDC),它们能使当代的触摸控制设计做到超薄而具有高可靠性,以改善用户的触摸感。凭借 ADI先进的电容传感器内核,这款低功耗CDC具有自动校准快速改变的外界环境的功能,从而使其适合移动环境应用。使得触控导航屏幕功能成为可能的电容传感器正在快速取代机械输入方式,以改善蜂窝手机、MP3播放器、PMP和数码相机应用中屏幕控制的外观和触感。
AD7142具有卓越的抗环境干扰能力。这些干扰主要来自环境温度和湿度,它们会降低其它电容传感器的性能。该器件的功耗比同类解决方案低50%,从而使其适合电池供电的应用。 AD7142有14个输入端,可对各种传感器配置进行设置,例如触控滚动条、8路位置传感器,以及驱动弹出菜单的滚轮,从而使用户可以更方便地浏览大量的音乐、图片和视频文件。
"手机和MP3播放器的用户接口是最困难的设计环节之一,因为它要求在现代触摸屏设计的最小尺寸和功耗范围内具有的精密度和功能,"ADI公司精密信号处理产品线总监Pat O'Doherty说,"像我们用于工业和汽车应用的CDC产品一样,AD7142能以较低的成本提供鲁棒性和无差错的性能,同时比以前的产品提供更大的设计自由度。"
AD7142具有高度可编程能力,并包含自适应阈值和灵敏度算法,允许芯片调整用户的手指尺寸,从而使该传感器对手指粗细不同的用户都适用。这款16位、低噪声、高精度CDC允许终端用户调整单个传感器的敏感程度,以适应他们的手指和触摸方式。AD7142通过片内数字校准功能实现独特的自动环境补偿,从而不论在任何时间和任何环境条件都能保证传感器的性能无差错。由于该器件显而易见地对用户提供了这种连续的校准,所以在外部传感器上不会产生误触摸或者无效触摸。
另外,AD7142的低功耗特性使其很适合电池供电的应用,包括数码相机、电视机遥控器和游戏机。全功率方式工作电流小于1。0mA,而待机方式工作电流小于2。0μA。该器件还能够灵活地调整输出速率以获得化的功耗。AD7142提供SPI或者I2C兼容接口选择,与ADI公司用于手机和个人媒体播放器的Blackfin处理器可以很好地配合工作。
与同类模块不同,AD7142是基于集成电路的单片解决方案,它提供了传感器尺寸库,从而允许制造商为不同的产品定制电容传感器的形状。此外,ADI公司提供适合多种终端用户应用的传感器参考设计。这些参考设计能够与可选的主软件一起工作,该软件能够提供高精密检测能力。
AD7142 CDC可以连接到外部电容传感器,以实现电容按钮、滚动条或触摸输入板等的功能。当用来实现数码相机和手机上常见的滑动开关时,用户可以得到一个8向开关而不是典型的4向开关。8向开关除了可向上下左右方向移动外,还可以在四象限的45度角方向移动,这在滚动搜索或控制收录了1000首歌曲的MP3播放机时是非常有用的。
O'Doherty表示,AD7142的14个输入使得它可针对许多传感器配置进行编程,如手指驱动的滚动条、8个方向的位置传感器、以及驱动弹出菜单的滚动轮,这使得它更容易浏览大型的音乐、照片和视频文件。
尽管AD7142的主要应用是手机、数码相机和MP3播放机,但它也可用在TV、遥控板、游戏机和白家电(如洗衣机和微波炉)上。传感器可以放在塑料面罩之后,以消除前面板上的活动部件。这一防灰尘和防水功能使得它工作可靠性更高,游戏杆不会再拗断,无按键手机也已不再是梦想。
上图显示了PCB顶部的发射(TX)层和底部的接收(RX)层,在其内部,芯片时钟生成一个240-kHz方波,它从TX层传输到RX层。这两层之间形成一个电容。当一个接地的手指接近塑料面罩时,一些电容边缘区域就被旁路,这将导致到ADC或CDC的电流变化。然后CDC根据手指运动造成的电容量变化来测量电流的变化。
引言
人机界面产业在长期的蕴酿之中,由苹果计算机(Apple)之iPhONe手机正式呜锣揭开序幕、粉墨登场、全场惊讶连连、涟渏波动,久久不能平息,演出者与观众之间眉来眼去,秋波迭送,似乎两厢情愿,深情日款,大有一时天雷勾动地火,一发不可收拾之势。
触控技术在与蓝天为幕,昭日引导,响亮的前进曲之氛围中,引发广泛之回响,确实为近年来产业界罕见的现象,因为:
(1)新人机界面引进之新产品概念在一片了无新意之3C产品中活化了生机。
(2)模块化设计概念下,日渐褪色之系统整合创意的末梢神经突然恢复知觉,让系统设计者在模块组合经验活化创意,开始擦脂抹粉。
(3)新技术之引进连动出整个上下游产业链重新组合换位,俱认机不可失,期待美人青睐!
(4)应用层面无远弗届,NB、手机、PDA,掌上型游戏机、MP3音乐播机,导航系统、ATM提款机等皆受全面之冲击,宛如临降,万人空巷。
以下将就主要触技术做介绍比较及产业现况做简介,并针对目前最夯之多指应用所需之技术、专利、整合、应用等做更深入之讨论。
一、主要触控技术简介
目前市面上触控技术主要如下几种,分河饮水,各立门庭:
(1)电阻式:藉由压力接通在上下二层电阻网络,由电阻分布以决定压力点之位置。目前市面上有四线、五线、六线、七线、八线式各种组合,各类均有其优缺点,但以四线及五线最为普及。电阻式技术原理简单,门槛低,上下游整合完整,但无法进行多手指侦测,且反应较不灵敏,寿命较短为其主要缺点,目前手写式手机屏幕多为此类。下表比较各式电阻式之不同,如表(一)。
表(一)、电阻式触控面板技术比较
(2)表面电容式(Surface Capacitive):原理类似电阻式,但使用电容值而非电阻值为计算量以决定触摸位置。主要应用在中大尺寸上的应用,但如同电阻式,虽为感应式较电阻式灵敏,技术门槛低,且无法进行多手指侦测。
(3)表面声波式(Surface Acoustic Wave, SAW):利用声波发放器传送至平面玻璃,造成均匀分布之表面声波,当表面波手指或软性界面触碰,即产生声波遮断以藉此计算触碰位置。惟其成本高,上下游整合不易,且无法做多点侦测,是其较大之限制。
(4)振波感应式(Dispersive Signal Technology):为3M发明,主要原理在强化玻璃基座上利用触摸,使玻璃内部之振动波传导至其四个角落之感应及控制器以决定触摸位置。其优点为不受表面脏污与刮损影响,且可适用于大尺寸(32寸以上),缺点是无法多点触控,价格高,产业上下游整合不完整。
(5)红外线式:原理是以红外线的发射与接收构成X、Y之矩阵,当红外线波在特定位置被接触物阻隔即可计算出接触物(如手指)之位置,主要应用大尺寸应用及多点触控,但功耗高、分辨率差,机构需架高做为红外线的信道。
(6)投射电容式:投射式电容与表面式不同,主要在于表面使用上下两电极做为电容,而投射式则将上下电极细分成矩阵式分布以画出X轴、Y轴交叉分布做为电容矩阵,当手指触碰时透用X、Y轴之扫描即可侦测在触碰位置电容变化,进而计算手指之所在。苹果计算机 (Apple) 之i Phone即以此技术为基础,其技术门槛高但后市可期。
(7)电磁式:主要是透过一个特殊的电磁笔与感应面板做触控而去计算电磁笔在感应面板上之轨迹,因其需用特殊之电磁笔及无法做多点,某些特殊机种外,无其它应用产生,某些应用尝试使用电磁与电容或与电阻结合,但成本极高,恐也非长期可靠。
除上述之技术外,尚有其它方法引入触控领域,如微软的光学成像式 (Microsoft Surface) 造价昂贵,反应速度慢,可用度不高,另外友达、TM D、夏普之内嵌光 (In-Cell design) 检器技术更为复杂,价格仍难被终端厂商所接受,其期初面板之良率,恐也是另一难题,故亦都不在本文讨论范围之内,表二比较各式的优缺点,各式触控面板之主要应用则整理于表三。
表(二)主要针对各式面板特性做基本之比较:
表(三)、触控面板主要应用:
由表(二)及表(三)基本上就触控面板可得结论如下:
(1)中大尺寸仍以电阻式面板为主,主要是其成本较低但功能有限,若需较多功能,则红外线与电磁式将为主流。
(2)小尺寸或可携式产品初期仍会以电阻式为主,但由于i Phone之风潮,投射电容式面板之比重将持续增加,甚至全面取代。
(3)复合面板(电阻式+电容式,或电阻式+电磁式,或电磁式+电容式)将成为各家商研发之主要方向。(如N-Trig开发,电磁式与电容式组合,WACOM的电磁式+电阻式,但贵。)
(4)除多手指侦测外,手写或笔写或手笔并进亦将是未来主要之研发重点。
二、触控产业的主要关键
触控产业其实行之有年,无声无息直到苹果计算机 (Apple) i Phone的多手指应用方才?爆,平地一声雷,因此集三千宠爱于一身,尤其是投射电式面板。其它面板技术只在突破以既有之基础实施多手指应用。而投射电容触控技术本也非新技术(原笔记型计算机之触控板鼠标即是),以下将讨论投射电容式面板在应用却也面临一些关键问题:
(1)透光感应表面的技术。
可透光感应面基本上是上下二层电极矩阵形成,中间以绝缘层隔开以形成电容,结构甚为简单。触控面板基本上是由轻薄透明之感应面与一控制IC以及IC内部相对应之软件 (Software)及韧体(Firmware)组合而成。导电电极而溅镀或蒸镀透明导电材料(目前都为ITO,氧化铟锡)于透明基材上,一般为玻璃或PET薄膜以Film/Film、Film/Glass或Glass/Glass三种结构上下贴合而成。感应面的主要规格为透光率与耐久性,玻璃上之溅镀或蒸镀,原为面板厂所熟知,因此传统中小尺寸面板厂也积极投此一领域,然玻璃厚、重、贵且易碎,显然并非长期饭票。因此电阻式触控面板业便挟其在光学PET溥膜的经验挺进。
(2)控制IC之来源。
不同于电阻式面板,原理简单、门槛低,其感应控制电路无需独立控制IC,而多由系统上之主控CPU以软件处理,投射电容式目前尚无法由系统上的主IC处理而须独立IC处理,因此也吸引国内外多家IC设计公司相继投入,如美商新思(Synaptics)、塞普拉斯 (Cypress) 及台湾?达 (Sentelic)、义隆 (Elantek) 等等。但投射电容式触控IC因其门槛相当高,若非具相当研发实力恐难完成。其主要技术门槛在 (a)系统噪声之处理 (b)手指上之汗、油、膏、污之克服 (c) Cover lens或机构保护面之厚度使感应灵敏度之降低 (d)人体体质不同造成系统稳定度降低 (e)在小尺寸应用上手指分辨率低使光标分辨率不易提升,往往使Demo容易,量产困难,若无长期经验之累积是无法克服量产之稳定问题。目前只有美商新思(Synaptics)与台湾?达(Sentelic) 在此方面有长期之基础,其它厂商恐将需渡过一段学习曲线。
(3)系统整合的关键。
投射电容式本身之障碍在于系统整合与应用时的状况,毕竟面板终究得安装在屏幕面板,其噪声与系统其它电路所产生之噪声极易对触控产生干扰,造成定位不准,若只是手势之应用或许可行,若未来手写与指针之应用、控制IC便是关键,第二:因系统机构的设计致使Cover lens变厚,原则上问题将益形严重。另外,模块厂是否需含客制化Cover lens亦是产业供应链的一大挑战。,当面板整合到LCD屏幕面板上之贴合,亦将考验制程的能力,因为目前面板贴合良率本身也只有80%~85%而已,另一段的贴合势必将使良率再低,而且尺寸愈大、贴合愈难。
(4)产业上下游整合模式。
表(四)举例粗分之触控面板产业链,上游其原本都掌握在日本业者身上,中游材料加工则在日本与台湾,下游面板之贴合、压合、测试,则在台湾,少部份在大陆完成,由于投射电容式面板于面板加工制造,系全新领域,多数仍在摸索与试车阶段,良率之提升仍有一段路途。而面对全新投射电容式面板,目前之面板厂均无整合、测试与系统支持之经验,此段仍必须由IC设计厂来执行,而IC厂本身有无整合前段制程之能力仍待考验,届时势必率动整个上下游产业链之定位与重组,约在2009年Q2后将更为明朗。
表(四)、触控面板产业链
表(五)、全球触控面板主要厂商
(5)专利保护壁垒
十多年来在触控面板的发展,各家在专利上的布局已使这个产业地雷布满各式触控面板,当然其原创者皆会有所保护。单就投射电容式面板相关之专利即有100多种。后继者几乎完全没有插手的空间,目前在投射电容面板主要掌握在美国Synaptics(新思)、苹果计算机(Apple)及台湾?达(Sentelic)科技手上,此三家之专利布局绵密,几乎涵盖现在与未来发展所需的技术。下表反应了目前可查到之专利数量。
表六、触摸屏相关专利统计
举个简单例子,触控板上要单击/双击、要多手指侦侧、要在板子上做滑动的动作,对不起这些都已有专利,多手指侦测后要做其它翻页动作,那更是苹果计算机(Apple)的专利,其它更底层技术性的便不在话下了。目前投射电容式尚未有多家及大量产品投入,可见未来之不久,一定刀光四射、狼唣不止。系统设计者必须凌波微步、左躲、右闪!
三、多手指侦测应用以及系统整合:
丑媳妇终究是要见公婆,技术终归要上台面,入应用。自从i Phone多手指应用之后,此项功能已成触控面板之主要功能,当然手写、笔写、单击、双击、卷动等传统之功能,更不在话下,因此针对各不同应用所需之技术趋势也便可想而知,成本则是另一重要考量,已不再赘言。就多指之应用而言,可想而知,只有投射电容式与红外线式,可做多指侦测并分占中小尺寸与大尺寸之市埸。有了多指侦测后,其它单击、双击、卷动、手写、笔写等也只是软件或韧体之应用而已。各式各样的屏幕上之变化也大都可由软件或韧体程序完成,因此基本问题便可带出:何种系统的架构整合最易、效率、成本、壁垒最少,以上考虑是系统业者最需深思之课题,因此我们可清楚地推论其最终之轮廓:
(1)是塑料而不是玻璃。
虽塑料(压克力,光学胶,PET Film)的光学特性与耐刮耐久性不如玻璃,且常需低温制程,但玻璃厚、重、加工难、制程贵、不耐摔,在长期成本压力之下,塑料仍是,尤其是PET Film(PET光学薄膜),因可导入Roll-to-Roll制程,故相当看好,其光学特性也在可接受范围,且传统电阻式触控面板厂亦有长期的经验,上下游整合完整,最终相信应是PET光学薄膜Film on Film的结构。
(2)手势辨识在控制IC,不在系统端。
一般是将手指的坐标传到系统,再由系统藉软件程序辨识手势,虽属可行但反应速度较慢,尤其是多指触控或手输入时更为明显,而当X、Y轴之讯号受外部杂干扰时,坐标的信息将更不可靠,造成手势辨识的困难,使得更复杂之手势无法支持,像i Phone也只有滑动与Zoom-in/Zoom out之动作而已。另外以目前之扫描方式(红外线或投射电容式或有建置X、Y轴扫描者),为了降低扫描线的数目都采所谓Load Grounded的做法,此一做法会造成不同之二手指坐标,而只有一个相同坐标,系统亦不可辨识。而IC内可用其它额外讯号辅助判断,此额外讯号通常因算法不同而形成各家不同整合之困难。
(3)软硬兼施而不是吃软不吃硬。
由于投射电容式面板门槛高,因此很难以纯软件/韧体的方法直接解决,更非一般低阶8bit MCU可有效解决,尤其需平行处理不同复杂讯号时,硬件方案与软件方案需做适切的分割搭配,方能降低高速CPU的耗能。这也是目前一般面板整合者相信用软件即可解决迷思。
(4)善事必先利其器(客制化、开发之软/硬件开发工具)。
终端系统整合工程师,一般并非都熟稔面板特性而为了应付多方使用情境的客制化需求,控制IC提供者是否提供一套,完整方便的软/硬开发工具,是系统整合者决定其解决方案的开发时程与品稳定度的重要关键。
四、结论
就以上之讨论,在整个触控技术在现在产业链,约可做成如下几点结论:
(1) 目前触控面板仍以小尺寸之应用主(尤其是多指触控)而投射电容式面板势将成为主流而逐渐取代电阻式方案。
(2) Demo不等于量产,目前多指应用之解决方案,Demo者多但可量产者少,其间仍有相当大的距离。
(3) 控制IC厂商本身的研发能量决定未来/电子/产品使用情境的发展。
(4) 选择适当面板技术是系统厂商最重要量。
(5)与控制IC厂商的合作关系攸关触控面板厂商之生存。
(6)虽困难度高,但垂直整合势在必行。
总结触控面板技术,就多指触控其技术成本及普遍应用性来看,目前以投射电容式为发展主流,但仍有诸多的障碍需克服解决,以上提供给触控产业界朋友做一些参考。
