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探索觸控螢幕技術的新世紀
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【作者: Hal Philipp】   2008年06月10日 星期二

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我們可能都有過這樣的經驗-為了使指令有所感應而一再按壓觸控螢幕、或施以更大壓力。早期的電阻式觸控螢幕技術受限於種種磨損和環境變化而具有瑕疵,如今,這個現象已經改變了,設計良好的觸控螢幕,以創新、引人注目且容易操作的人性化介面為基礎,讓人們擁有更充滿樂趣的使用經驗。這種介面容易被修正和更新,並可與新功能或系統相容。只要修改軟體即可因應客戶需求而改變設計。最重要的是,即使在受到射頻干擾的環境下,最新的觸控螢幕仍可以穩定而精確地進行操作。


iPhone可能是目前使用觸控螢幕之行動裝置中表現最突出的,在2008年,預計將有60款行動電話將納入此技術;而到2009年時,則會有超過100款以上。隨著搭載觸控螢幕的行動電話越來越普遍,我們期望在2012年,它的使用數會達到5億支。在此同時,即使是低階的型款,也會增加觸控式按鈕、滑條及圓轉輪的應用。當然,行動電話只是其中一項應用,其他如PDA、PC、GPS 系統和家用設備等行動裝置,也都只是觸控螢幕技術可快速攻佔的部分市場。


觸控螢幕技術

電氣和電子設備中,可發現五類主要的觸控螢幕技術: 電阻式、表層電容、投射電容、表面聲波、及紅外線。前三者適合用於行動裝置及消費性電子用品上,其它則不是太昂貴就是體積太大,並不適用於這些設備。在實例上,這些系統是由感測裝置、電子控制電路互連裝置、及控制電路組合而成。


電阻式觸控螢幕

電阻式螢幕(圖一)在技術上或許不能完全稱做「觸控式」螢幕,而是需要某種程度的壓力才能啟動,它們不像真正的觸控介面,有些甚至只要手指接近介面,就可以啟動。電阻式螢幕的設計, 是兩層鍍有導電能力的ITO(銦錫氧化物)之PET(塑膠膜),在中間有微型點支撐而產生空氣間隙。當手指(或筆尖)將兩片傳導層壓在一起時,接觸便因而啟動,經由測量X軸與Y軸的電壓率,即可得知觸碰點位置。目前有4線、5線、6線和8線的版本,可將資料傳輸至微控制器來執行。這項技術成本低,並且已被廣泛地採用於大量的產品應用上。然而,技術本身固有的不利條件卻限制了其普遍性,這些限制包括機械本身的缺點、有限的工業設計選擇性、大部分產品應用都需要預留邊框、觸控螢幕的厚度、光學效能不足及使用者分類的需求等。近側偵查(偵測出手指正接近螢幕)和多根手指偵查亦是無法透過此技術達成的,但這卻是目前很多產品設計者迫切需要的功能。



《圖一 電阻式螢幕成本低,但具有許多設計限制》
《圖一 電阻式螢幕成本低,但具有許多設計限制》

表層電容式觸控

表層電容螢幕(圖二)使用具有金屬邊的平板銦錫氧化物(ITO),電場幾乎佈滿整個銦錫氧化物。當手指接觸螢幕時,它會從面板發出電荷,其感測是由四方進行,不需精密的銦錫氧化物模板即可完成。這類型螢幕最著名的例子來自William Pepper的發明,並且在1978年為其模型申請專利。此專利所構成的電容產品則由Microtouch(現在的3M)所銷售。


在面板後方若嘗試使用表層電容技術,通常會遇到「手影效應」,這是使用者將手和手腕靠近面板,而使得電容產生耦合而導致大量的感測錯誤。因為表層電容螢幕是同質性的堆疊層,錯誤的訊號與真正的觸控訊號同時發生於3個訊號區間內,這些錯誤的訊號無法被抑制,若沒有將銦錫氧化物依行列架構而想在面板背後使用表層電容,則注定會失敗。



《圖二 在表層電容觸控螢幕的平板銦錫氧化物感測電極,會因為手影效應容易損壞,且無法抑制錯誤的啟動。》
《圖二 在表層電容觸控螢幕的平板銦錫氧化物感測電極,會因為手影效應容易損壞,且無法抑制錯誤的啟動。》

投射電容式觸控

投射電容觸控是一個驅動消費電子產品使用觸控螢幕的技術,雖然它需要一個或多個經過謹慎設計和蝕刻的銦錫氧化物層,但是能提供超越其他方法的技術優勢。銦錫氧化物蝕刻出許多水平及垂直的電極,它們都被電容感測晶片控制著,此晶片依照順序輪流或下載資料到主處理器,或是由觸碰本身直接到XY軸位置進行處理程序。通常兩組電極利用單端感測方法來驅動,即電路系統中行與列的對應並無獨特之處,我們稱之為「單端」感測。不過在某些方法上,一軸使用交流電訊號來驅動,其他軸的電極偵測到此訊號後會做出反應,傳到螢幕後產生回應,我們則稱之為「橫向」感測,因為電場的傳播訊號是以橫向方式,經由面板上的電介質,從一個電極組(例如列)傳到另一個電極組(例如行)。



《圖三 投射觸控螢幕技術需要使用透明且蝕刻過的銦錫氧化物模板,在上面沿著X軸和Y軸同時進行感測。》
《圖三 投射觸控螢幕技術需要使用透明且蝕刻過的銦錫氧化物模板,在上面沿著X軸和Y軸同時進行感測。》

在任何實例中,位置的確認是根據測量XY電極間訊號改變的分佈區域而來。透過精確演算並按照訊號變化程度的程序,可測定觸控事件的XY軸交叉幾何座標。在這類觸控螢幕裝置上,目前已經可透過5mm厚的面板達到1024×1024解析度。


電容式觸控的缺失與解決之道

電容式觸控螢幕另有個值得注意的問題,即是LCD本身非常靠近銦錫氧化物元素,或者連結在一個真空堆疊上。由於其持續不斷地掃描像素,因此會持續散發大量的電子干擾,干擾範圍可達20kHz,因此幾乎在所有案例中,都需要在銦錫氧化物感測電極和LCD模組之間增加屏蔽層。這意味著3層銦錫氧化物是平常必備的要求,2層提供XY感測矩陣用,1層則作為屏蔽,而這也表示了成本的增加,以及透明度的減低。


此結果是,大部分的供應商利用最少2個銦錫氧化物感測層,加上1層保護層來達到無干擾操作。然而,值得注意的是Quantum Research Group已經開發一種獨特、單層投射XY矩陣的設計,它不需要屏蔽層,並在2008年下半年即可公開上市。這項設計已經被一家主要的手機製造商運用在3款手機製造上。


使用單層銦錫氧化物(ITO)能大幅降低成本、使堆疊層的厚度縮小、增加透明度,同時降低背光電力需求。重要的是,因為其為單層技術,因而可具體提昇製造能力。


另一個熱門的議題為「多重觸控」,即一次可進行多重感測的能力,這項特性因蘋果電腦的iPhone 採用而變得流行。表層電容螢幕無法同時辨識多個觸控點,因為其所使用的是同質感測層,它讓螢幕上所有訊號混合協調到其中一個較大的訊號中。同質層會損壞太多的資訊,以致於不能回報一個以上的觸控訊號。


單端變異不能充分區別出兩個觸控點之間的差異,也無法於螢幕進行個別的追蹤,但2層式投射電容螢幕可分辨兩個觸控點。第三個感測層能夠解決剩餘模糊不明的狀態,但是需要付出高額的代價。兩層式投射電容螢幕利用橫向感測,理論上可以非常清晰地辨識兩個、甚至更多個觸控點,當訊號在螢幕上移動時,也能進行獨立追蹤。


投射電容螢幕與電阻式和表層電容螢幕不同之處,在於其即使是在製造階段也不需依照使用者或使用頻率來校準,因為電極組織會大量定義螢幕的反應,且是固定的。同質性螢幕技術需要一再地大量校正,因為其表面電阻性會隨著時間而降低,而且變得不一致。


結語

要根據投射電容技術創造出具備吸引力、可信賴功能性和強固性的觸控螢幕,需要選擇正確的基本技術及可提供相關技術的製造商。目前有某些供應商提供了完整全套的解決方案,其整合了控制器和觸控螢幕感測元件。有些則提供晶片解決方案,並在銦錫氧化物(ITO)鍍膜的設計及選擇程序上提供協助。在這個開發中市場內,供應鏈的選擇牽涉到許多交易條件,其甚至比基本的技術還要被優先考慮。這些問題的關鍵在於多源處理此鍍膜、大量製造、品管和測試能力。即使在將薄膜組合層壓成產品的最終階段,都需要相當謹慎,因為這是一個容易因層壓過程的應力和精準性而產生錯誤的關鍵步驟。


投射電容觸控螢幕的存在是因其能解決上述方法的許多相關問題,目前至少有兩家以上的晶片供應商可提供此產品。供應商的選擇端賴設計上的技術需求,當然,還有正浮現的幾項重要因素 - 成本和供應鏈管理問題。


...本文作者為Quantum Research Group執行長...


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