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多點觸控夯 技術各有一片天!
觸控開啟新視界!

【作者: 鍾榮峰】   2010年07月07日 星期三

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在蘋果iPhone和iPad以及AIO PC的推波助瀾下,多點觸控技術在各類尺寸面板螢幕的應用熱度持續發燒,多點觸控面板象徵著使用者介面不斷革新的進展成果。深究來看,支援多點觸控的技術不只一種,功能上各有優劣,在不同的應用環境與條件下,特定的多點觸控技術有其一定優勢。沒有一項多點觸控技術是十全十美的,也沒有任何一項可以全面取代其他,任何一種多點觸控技術,都各有一片天。



多點觸控設計要面面俱到


所有多點觸控系統架構都需要感測元件、控制IC、後端裝置驅動軟體三大要件。首先是附著或內嵌於LCD螢幕的偵測裝置、陣列或是薄膜等感測元件,藉由觸控所產生的光、壓力、聲音或者電荷變化等物理訊號,透過控制器讀取類比或數位物理訊號並以演算法進行位置解算,然後將前端觸控座標點資料傳送至PC、NB或是手機等後端以軟體驅動。從觸控IC角度來看,觸控IC廠商在設計初始,便需要從觸控面板廠商哪裡得知尺寸大小,以便提供最適合的ITO電極channel數建議值,再讓觸控面板廠商規劃觸控感測元件,這些觸控IC設計都要兼顧面板廠商的空間考量。此外,多點觸控控制器也需要兼顧提高處理效能、降低功耗、增加記憶體容量等設計。多點觸控的技術要求,是要能辨別並提供觸控點之間的真實座標,而手勢(Gesture)觸控應用,觸控IC則只需要辨別並提供2點相對位置即可。真正要能達到真實多點觸控的關鍵,還是在於驅動軟體和演算法。




《圖一 NextWindow光學觸控產業專家暨行銷傳教師Geoff Walker》




多點觸控技術不斷精益求精!


目前支援多點觸控功能的觸控技術包括利用鏡頭的Surface技術、以CMOS感測光遮斷為主的光學式(Optical)、內嵌(In-cell)光學式觸控技術、電容導體的投射電容式(Projective Capacitive;PCAP)、切割區塊式電阻觸控和數位感壓電阻式(DMR)這幾種觸控技術。表面聲波式(Surface Acoustic Wave)和LED感測的紅外線(Infra-red)觸控技術則只能支援兩點手勢應用。



投射電容日新月異支援觸控筆


投射式電容觸控技術便是藉由手指接近(近接而非按壓)材質電極佈線所產生的感應電容,利用縱軸和橫列軸線交錯式(Axis Intersect)佈線或是All Points佈線感測電容量變化,達到感測觸控效果。投射電容式觸控技術可分為自容式和互容式兩種,互容感應式的投射電容技術,才能感測並提供控制器絕對真實的座標數據,也才能夠支援全區輸入(All Points)的功能。而若要利用投射電容觸控技術滿足多手指真實座標的觸控應用,則需要第三種以上的運算,這時系統運算的負擔就會增加。



投射電容觸控技術在降低雜訊干擾的能力上顯著提升,無須經過校正,沒有抖動問題,觸控精確度高。投射電容面板玻璃外觀相當平坦,可加上其他材質可抗刮而不易壞損,使用壽命大幅提昇,此外投射電容觸控面板玻璃材質厚度也可提高。



投射電容觸控技術現在也可以同步支援觸控筆功能。Cypress觸控螢幕解決方案行銷工程師胡辰育表示,觸控筆近接到玻璃或Film觸控材質的報點速度和精確度也要更加精準,傳回到控制器的訊息,也必須是觸控筆每一點移動時的真實座標點指令,滿足多點觸控全區輸入(Multi-Touch All Points)的真實座標報點設計要求。這在控制器元件、觸控筆尖感測設計、韌體規劃、軟體開發選擇、降低雜訊等等,都需要完整的解決方案。



在技術上這可利用安裝在 LCD 面板前精確的電容感應模組,雙模式數位板可支援多手指觸控應用和觸控筆輸入功能。投射電容觸控結合手寫觸控筆功能,可增加人機介面觸控應用的豐富性開發不同類型運算裝置及新型軟體應用程式,包括圖形套裝軟體、電子遊戲、CAD程式等。N-trig亞太區總經理暨副總裁Yaki Luzon便指出,在設計上要讓兩者數位雙模式能夠順暢轉換,並且兩者功能可同步進行,這時定義各項多手指觸控手勢的語彙就很重要,這可有助於快速辨識多點觸控手勢,在進行手寫觸控應用時,設計上也要達到palm rejection的效果。



Yaki Luzon進一步指出,在投射電容支援觸控筆的感測設計上,除了要建立多手指觸控詞彙資料庫外,支援在各種作業系統執行觸控功能的軟體應用程式也非常重要。多點觸控控制器晶片支援多手指訊號處理和同步支援觸控筆的控制設計更尤其關鍵,這裡就需要一套功能集,可以提高觸控訊息的回應速度、辨識精確度以及觸控感測的靈敏度。



電阻式多手指觸控越來越精確!



《圖二 Cypress觸控螢幕解決方案行銷工程師胡辰育》




不僅是投射電容,電阻式和光學式也可支援多點觸控應用。支援多點觸控比較成熟的電阻式觸控技術,以切割區塊多手指觸控和數位感壓電阻式DMR為主。



採用切割區塊方式的電阻式多手指觸控技術,可分割成最多12個不同尺寸等分的觸控區域,目前螢幕尺寸可涵蓋3~24吋,能夠支援最多12支手指同時多點觸控的應用,分割的觸控區域各自獨立,不會相互干擾。不過每一觸控區域只能有一個觸控點,若有兩個觸控點,就會產生鬼影問題。控制器廠商可利用時間運算等邏輯運算和操作原理,避免鬼影問題。此外,基於材質特性,AMT多手指觸控較可支援低反射高穿透率效果。AMT多手指觸控所設定的應用,以避免誤動作的工控安全確認等環境為主。



至於數位電阻式DMR的方式,是以感測接觸點面積的電壓訊號,再藉由韌體軟體運算出面積的重心位置,達到真實座標多點觸控功能。DMR的channel線數最多,因此需要傳送速度快、處理效能高的控制器設計。在報點準確度和線性精確度上若要符合真實多點觸控的驗證要求,則需要靠演算法來補強。同時藉由控制器演算法運算,DMR亦能達到輕觸壓的功能。目前DMR可追蹤5~10個多手指同時多點觸控,但也由於channel數最多,所以觸控螢幕尺寸以小於11吋為主。DMR技術可應用在Win7、MID、電子閱讀器和虛擬鍵盤等。



電阻式觸控也可支援全平面觸控螢幕應用,然其設計關鍵在於製程和機構,外觀、表面處理、邊框印刷、貼合精度、觸壓等都需要全面考量。戶外全平面觸控表面處理也要增加抗反射光AR、戶內抗炫光AG和抗菌防塵AS等技術。電阻式全平面設計還要考量到彩色印刷、精密印刷層貼合、系統工差、機構邊緣設計等。



雖然多手指數位電阻觸控採用薄膜製程,尺寸及成本可有效降低,但大型化製程上薄膜的間隔控制是其關鍵課題,且數位電阻觸控接觸材質壽命有限,如何控制觸控力道在設計上也需克服。



光學式多點觸控解析度高!


另一方面,光學觸控的硬體架構其實很簡單,同樣地演算法攸關運算順暢與否。光學式觸控是利用螢幕左右上方兩顆CMOS或CCD光學感測器,搭配特殊材質的反射板和處理接收運算的控制器等元件,一顆光學感測元件發射紅外線或LED光,光源投射到反射板,再由另一顆感測元件接收,其觸控感測原理就是藉由觸控物體阻斷反射光源的方式,由控制器算出阻斷角度,透過三角測量演算法去定位觸摸點的位置。




《圖三 富創得董事長吳明發》




理論上,光學觸控應用面板尺寸沒有上限,面板壽命長、可採用玻璃或不用任何基板,因此透光度可達90%以上,也不會影響LCD解析度,更可支援到4096×4096。光學觸控導體可為手指及觸筆,由於不是直接觸摸到面板產生觸控效應,因此觸控玻璃材質較不會有損耗問題。不過光學觸控面板需要在周邊內嵌光學鏡頭,尺寸薄度仍受限於光學感測器的侷限,也會受到外部環境光影干擾造成觸控感測失焦的問題。使用多顆鏡頭判別觸控點,光學感測鏡頭的成本也會提高,耗電量也會跟著增加。因此內嵌式光學式觸控仍佔有一席之地。



內嵌(In-cell)光學式觸控技術是在標準TFT LCD面板製造過程中,同時完成觸控元件製造的技術。按照高解析畫素設計嵌入光學感測觸控元件,去偵測二維方向光訊號強弱的觸控變化,每一感光元件獨立運作不會相互干擾,不僅可達到多點觸控效果,更可省材料成本、不用變更既有面板產線流程與參數。內嵌光學感測技術也可避免光學感測面板受到外部光影干擾造成觸控感測失焦的問題。如何內嵌元件的技術並不是問題,選擇哪種感測元件結構非常重要,這會影響LCD製程的複雜度,此外抗雜訊能力、開口率和透光細節設計也很關鍵。



各有所長 多點觸控技術大評比!


創為精密材料(AMT)總經理室專案經理林福南指出,互容式投射電容雖能滿足真實座標的多點觸控,不過最難的技術問題不在於All-Points的真正座標是否正確,而是在於tracking,亦即追蹤多手指在觸控面板上同時移動的真實座標,技術困難度不容易克服,其關鍵就在於AP和韌體部份。



林福南表示,投射電容觸控螢幕最大的優勢之一在於材質使用玻璃貼合,透光度高。電阻式若要達到多點觸控目標,觸控材質要非常平順,但先天受限於所使用的Film材質透光率只能達到82%左右,若對於Flim材質施以其他改良,手指觸控力道又會隨著提高,就會面臨兩難。也因此,投射電容亦可達到全平面(true flat)觸控螢幕設計需求,但電阻觸控礙於材質先天限制,若多貼一層全平面觸控,觸控力道就會隨之增加。



電阻式觸控面板也有ITO材質不斷接觸導致磨耗的問題,而投射電容式觸控面板的ITO材質則是扮演導電的角色,因此耐用性非常高。不過林福南進一步指出,投射電容在低反射高穿透率上的效能則不如電阻式觸控,後者只要加上一些偏光板或抗反射膜材質即可,前者若在玻璃表面加上低反射處理、絕緣性很高的塑膠膜,便可能降低投射電容觸控面板的感測度。也因此,投射電容觸控面板不適合帶手套的應用環境,電阻式沒有類似問題。



林福南表示,同樣地,投射電容對於水滴、落塵、油漬等會影響電容值變化的外在因素較為敏感,但是這可以透過演算法的方式解決。但投射電容絕對不可能應用在水下環境,而電阻式觸控則可一試,只要機構防水設計完備即可。投射電容觸控面板看起來如此敏感,不過相較於電阻式,投射電容觸控面板卻可適應高溫、高濕、低溫的極端環境,在海洋等鹽分較高環境中應用效能也比電阻式來的強。



NextWindow光學觸控產業專家暨行銷傳教師Geoff Walker則表示,光學觸控技術在Win7、All-in-One PC及其他大尺寸觸控面板應用的推動之下,正逐漸成為市場備受矚目的焦點。綜合各項功能來看,光學式多點觸控應該會成為AIO的主流觸控技術,但影響AIO普及度的重要關鍵,最後還是在觸控應用軟體。



製程良率不佳 多點觸控滲透率偏低


多點觸控已是最受歡迎的人機介面選項之一,但是時至今日,多點觸控面板的滲透率也還是只有10%上下的比例,並沒有廣泛滲透應用於各尺寸的終端產品中。 一般認為多點觸控螢幕的面板成本太高,是導致滲透率無法有效提升最重要的因素。陞達科技(Sentelic)董事長林招慶則指出,多點觸控面板在製程上的貼合問題,以及其所延伸出來的良率不佳,才是核心關鍵。



製程變數與專利障礙


多點觸控螢幕的感應器陣列(sensor array)製程有各種不同的貼合架構,主要以F/F、F/G、G/G和in-cell這四種架構為主。無論是採用塑膠(Film)還是玻璃(Glass)材質,都會遇到是要採取完全貼合、還是要留出一定空隙的製程難題,至於要留出多少空隙、才會達到觸控感應最佳狀態,在設計上也是令人傷透腦筋。



更重要的是,多點觸控感測陣列各層之間的貼合製程,良率大概都維持在80~85%左右,若採用F/G兩層貼合架構,良率可能只有64%左右;若採取F/F三層貼合架構,良率就更可能降低至51%左右。這對於製造多點觸控面板的廠商來說,是難以克服的天花板。再加上,抗干擾雜訊設計也是必要的製程項目,但與LCM隔離作用的Shielding設計,已成為他廠專利;in-cell製程中的ITO鍍模技術,也已成為特定智財權,這些專利障礙其實也間接加重了多點觸控面板製程的成本壓力。




《圖四 創為精密材料(AMT)總經理室專案經理林福南》




投射電容面板製程良率受阻


此外,一般生產投射電容觸控面板的過程,多是以傳統的大尺寸玻璃製程為主軸,在經過薄膜製程、黃光和蝕刻製程鍍膜ITO條狀感測電極之前,玻璃要先經過拋光和高溫化強等步驟,這時玻璃多會因高溫產生翹取現象,還需經過一道壓平手續,玻璃的平整度因而受到影響,經過強化後的玻璃結構強度因此衰減38%。而壓平之後的薄膜製程,成膜的均勻度較差,ITO薄膜的品質也因此會降低。此外,黃光製程的光阻塗佈品質也較差,UV曝光能量也易不均,顯影品質也容易大打折扣;蝕刻製程的濕式蝕刻效率也不夠均勻,且不易調整製程控制。再加上切割裂片、研磨、仿型後的玻璃面板還需經過一道與Cover Lens的組裝貼合手續,這些都會使得大尺寸觸控玻璃製程的良率無法有效提升,只能維持在60~70%左右。



多點觸控面板的製程變數未解、良率不佳以及專利障礙,亦加深了多點觸控產業鏈整合不易的困難度。多點觸控模組的整合設計,應該由系統端還是由IC端來發動,都會牽涉到良率責任該如何歸屬的核心問題。況且,投入多點觸控控制IC的晶片廠商,各有各的專屬平台,彼此之間的整合更是難上加難。



半導體投射電容製程改善良率


這些問題,才是導致多點觸控應用在各類尺寸終端產品滲透率不高的最大主因。不過有廠商例如富創得已經藉由半導體投射式電容製程,亦即「先切後曝」的改良式小片玻璃生產製程,來提昇投射電容觸控面板製程良率。這是藉由利用小尺寸的半導體製程技術,先將玻璃進行切割裂片、研磨、仿型後,再進行拋光和化強程序,這樣便不會產生翹取問題,因此不會破壞強化後的玻璃結構。另外,切割後的小片玻璃經過薄膜製程,也能夠有效控制ITO薄膜的成膜均勻度,如此ITO條狀感測電極在小尺寸玻璃的均勻度就會提高,誤差率小於1%。而黃光微影則採用如同照相機的直射式曝光方式,更可有效掌握顯影品質。



結語


多點觸控設計不僅要面面俱到,更要精益求精。多點觸控廠商不僅要具備結合控制器和感測元件的模組化設計實力,也要逐步擁有整合多點觸控製程與材質設計的能力。多點觸控技術不斷開花結果,掌握相關軟硬體整合能力,廠商也才能在混沌未明的市場裡脫穎而出。



(表一)  多點觸控技術特性一覽表<製表整理:鍾榮峯>











































































  投射電容式(PCAP) 分割區塊電阻式 數位感壓電阻式(DMR) 光學式(Optical) 內嵌光學式(in-cell)
導體 手指、觸控筆 觸筆或手指 觸筆或手指 觸筆或手指 雷射、手指、觸筆
透光度(%) >88 75~82 75~82 90~  
解析度 2048×2048 2048×2048   約4096×4096  
可靠度 會受損 會受損
價格 最高   次高  
尺寸 3~32吋 3~24吋 <11吋 >15吋,沒上限 沒上限
特色

1.可滿足全平面設計


2.導電ITO耐用度高


3.反應速度快


4.互容式可支援真實


多點觸控(All-Points)


5.可適應極端氣溫


6.觸控玻璃不易損耗

1.低反射高穿透率佳


2.可防塵防水滴


3.或可在水下環境運作


4.ITO薄膜成本低廉

1.無須校正


2.抗雜訊干擾佳


3.ITO薄膜成本低廉

1.面板解析度高


2.透光度高


3.觸控玻璃不易損耗

1.不變更既有面板製程


2.可避免外部光影干擾

改進之處

1.面板成本價格過高


2.玻璃貼合良率不佳


3.防塵防水滴挑戰高


4.控制晶片軟硬體整合不易


4.低反射高穿透率不佳


5.無法在水下環境運作

1.全平面設計面臨挑戰


2.按壓材質易受損


3.觸控力道需精進

1.全平面設計面臨挑戰


2.Channel數過多


3.控制晶片負擔重


4.低反射高穿透率不佳


5.按壓材質易受損

1.尺寸較厚


2.觸控精確度需提昇


3.耗電量較高


4.易受外部光影干擾導致觸控失焦

1.會降低既有TFT LCD


面板良率


2.可量產廠商少


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