原创 「低成本表面电容式触摸完全解决方案 推动人机接口新革命」

NLtouch南聆提供
电容式触摸技术与目前市场占有率最高的传统电阻式触摸技术相比，为使用者带来了多项优点，包括：「更佳的视觉享受」：高达97%的穿透率与更真实的色彩呈现；「更轻松灵活的操控性」：触摸功能的实现只需轻触即可，甚至于可不必实际与屏接触；「更长的使用寿命」：电容屏的寿命约为两亿次，为四线电阻屏(一百万次)的两百倍，五线电阻屏(四千万次)的五倍。 电容式触摸技术侦测的信号来自于因触碰而引起之微量变化，依工作原理的不同，可大略分为表面电容式触摸技术 (SCT, Surface Capacitive Touch) 与投射电容式触摸技术 (PCT, Projected Capacitive Touch)。前者常见于大尺寸户外应用，如公共信息平台（Kiosk、Point of Information；POI）及公共服务（销售）平台（Point of Sales/ Services；POS）等产品上，而后者则因苹果(Apple)公司推出的多点触摸手机iPhone而炒得沸沸扬扬。 从触摸技术发展的过程上来看，最早导入触摸技术的市场是工业控制领域，其目的是将繁复且面积庞大的机械设备控制盘，整合到单一窗口、多重分页的屏幕上，当时使用的是中大尺寸电阻屏。然而电阻屏的寿命与耐受性不足等缺憾，实在无法满足工控领域的需求，也因此，当中大尺寸SCT甫一问世，高端设备机台立即改用SCT方案。直到2003年前后，由于电阻屏制造成本降低，开始有小尺寸被应用在PDA、GPS等可携式产品中，触摸技术正式进入消费性市场。2006年，iPhone采用小尺寸PCT，其绝佳的光学特性与多点触摸功能掀起一阵风潮，成为近年来最受瞩目的触摸技术。 从以上不难发现，目前以小尺寸为主流的消费性市场在触摸技术的选择上仅有电阻式与投射电容式两种，前者虽然成本低廉，但是不佳的光学表现与耐受性长期受到市场诟病；后者虽有多项优点，但真正能量产的供货商屈指可数，售价自然相当昂贵，以致仅见于少数高单价产品上。 目前小尺寸市场之所以鲜少使用SCT，主要是因为成本问题。SCT Panel制造商长期欠缺关键的光学镀膜技术，必须委外加工；而SCT触摸IC则受到少数拥有技术的厂商控制，售价居高不下。此外，不像电阻屏可随意与电阻式IC搭配，SCT的屏与IC必须有绝佳的兼容性才能稳定的工作。前述的种种因素使得SCT在小尺寸应用(消费性产品)的售价与PCT相去不远，自然难以被客户群所采用。 然而，相较于电阻式，SCT可以大幅改善其缺陷；相较于PCT，SCT的技术更为成熟稳定，可以量产导入。因此我们可以合理的推论：当SCT之整体成本因为产业成员们的策略联盟和技术资源整合(如：万达光电与伟诠电子合作开发出高整合度的表面电容式触摸完全解决方案)而大幅下降时，SCT将有机会成为小尺寸最佳的解决方案。 以下将简单介绍PCT与SCT之基本原哩，并针对此两种技术之优缺点做一比较: 投射电容式触摸技术 (PCT, Projected Capacitive Touch) PCT是建构在矩阵的概念之上。在触摸屏制作部份，PCT Panel的ITO是经过蚀刻而产生特定图腾(Pattern)的，目的在于提高各触碰点的SNR(Signal-Noise Ratio)值，增强识别的精确度。藉由将前述的图腾(Pattern)在X轴与Y轴方向分别复制数次(次数多寡依屏尺寸而定)，便形成一个类似键盘的PCT矩阵，图一即是目前最常见的菱形图腾。 (图一，采用菱形图腾的投射电容屏) 图一中的橘色菱形图腾形成了X轴方向的ITO导线(共有m条)，而绿色菱形图腾形成了Y轴方向的ITO导线(共有n条)；PCT Controller会依序驱动这些导线来侦测是否有因为触碰而增加的电容量变化。在此以架构最简单的RC振荡方案作说明。我们将X轴中的X2导线的等效电路简化于图二，形成一个由n个Rp与n个Cp所组成的RC电路，其中的Rp与Cp分别代表等效之ITO分段内阻与PCT各节点(XY轴交会处)之自有电容值。当手指接近或接触到屏时，会在屏上增加一个电容量(Cf)；对这个RC振荡电路而言，Cf的出现意味着振荡的周期(period)变长而频率(frequency)变慢。借着计算手指触碰前后X2导线上之振荡周期与频率的改变，PCT Controller将可辨别出触碰位置，甚至还能分辨手指与屏的距离(即提供Z轴信息)。 (图二，PCT之等效RC电路与手指触碰前后之X2 Channel侦测波形) 表面电容式触摸技术 (SCT, Surface Capacitive Touch) SCT Panel是一片涂布均匀的ITO层，Panel的四个角落各有一条出线(UR, UL, LR, LL)与SCT Controller相连接。为了能够侦测触碰点的确切位置，SCT Controller必须先在SCT Panel上建立一个均匀的电场，这部份工作是靠IC内部之驱动电路(Driving Circuit)对Panel进行充电来达成。当有手指触及屏时，会引发微量之电流流动；此时IC内之感测电路(Sense Circuit)会分别解析四条联机上之电流量，并依照图三中之公式将触碰点的XY坐标推算出来。为了克服干扰的影响，可以利用硬件滤波器(Hardware Filter)或软件滤波器(Software Filter)对推估出之坐标值进行处理。 (图三，SCT Panel 与 Controller 方块图) PCT与SCT两者最大差异在于，PCT有机会实现多点触摸(Multi-touch)，而SCT仅能达成单点触摸(Single-touch)；依此看来，PCT似乎优于SCT，但是事实上并非全然如此。 投射电容式与表面电容式之市场发展现况 PCT工作原理并不复杂，因此要提供一个示范性的原型(Prototype)展示并不困难；然而，当工程师们试图将PCT Demo Set转换为量产计划，准备大量复制时，各种技术挑战便纷至沓来了。主要的挑战包括： (1) 待侦测的信号微弱，易受环境影响而变得不稳定，导致触摸功能的灵敏度不一致，甚至可能有误动作产生。因触碰而产生的电容变化实务上极容易受温度与湿度影响，目前之常用对策是采用定时自我校准(Auto-calibration)来克服此问题。另外，使用中之其他电器用品或产品本身其他功能(如手机的RF等)都会对信号量测造成干扰。这部份就得从提高信号 / 噪声比 (SNR, Signal-Noise Ratio)下功夫，以软件或硬件的方式来达成；截至目前为止，IC设计业者在这方面仍有努力空间。 (2) 量产良率有待提升。PCT技术先天上具备可多点触摸的优势，因此自iPhone问世以来，几乎所有的焦点都放在PCT上，触摸业界包括触摸屏厂商、IC设计公司与方案开发商均投入极大的资源进行开发；但直到今日，市场的PCT商品仍然不多，问题就在于整体生产良率仍然不高，使得成本居高不下所致。造成良率不高的原因有二： IC部份：现有PCT Controller仍不够成熟，在不同应用环境下的自我调适能力仍不足，因此触摸菜单现不稳定；在此情况下，只好对PCT Panel的特性 (如：Panel之内阻值与电容值等)加以严格设限以减少变数。 触摸屏部份：由于前述IC的能力限制，对PCT Panel特性一致性的严格要求往往是造成良率低落的主因。 (3) 专利议题。由于许多基本手势与多指触摸功能已被部份厂商申请专利并获得认可，造成PCT商品的多点优势在许多应用领域(特别是主力的手机市场)无法发挥！因此整体而言，PCT方案因其具备多点触摸的优势，未来必定会在市场上占有一席之地，但以目前现况看来，它仍然称不上是一个成熟的方案。 相较之下，虽然SCT技术在Controller设计上同样面临着电容信号易受干扰的问题，不过透过IC设计人员的持续努力，SCT方案已可广泛地应用于各种环境之下。例如伟诠电子与万达光电合作开发的SCT触摸IC (WT5750F)，藉由内含于IC内之各种调整机制，即可轻而易举地克服多种外在环境与触摸屏尺寸的差异，稳定地提供高质量的触摸体验。另外，为了满足Portable Device对于机构小型化的需求，伟诠电子的SCT触摸IC更在提高产品整合度上下足了功夫，所以能同时满足小型化与降低成本两项重要诉求。 除了IC之外，SCT的触摸屏结构也较PCT更为简单，也更容易在硬件上克服噪声干扰的问题。另外，透过制程改良与关键技术的突破，使SCT整体解决方案具有与电阻式匹敌的成本竞争优势。以万达光电自行开发的光学镀膜技术为例，可使触摸屏的光穿透率由87%上升至97%，反射率则由12%降为2%。更重要的是，将可使光学处理的良率控制在9成以上，并省去委外加工的步骤，提高技术自主性与产能，制造成本也可大幅降低。 SCT技术属于电容式触摸技术之一，因此也保有电容式的诸多优点：「更佳的视觉享受」、「更轻松灵活的操控性」及「更长的使用寿命」等；再加上SCT对于触摸屏特性的要求比起PCT而言相对宽松且量产技术也更加成熟，使得它同时具备了高良率与低成本的优势。况且在实务操作上，使用者对于单点点选(Single-point Selection)、单点手势(Single-point Gesture)与手写(Hand-writing)功能的需求急迫度更甚于多点触摸(Multi-touch)，而这些功能需求恰巧都是SCT目前已能稳定提供的。因此我们认为在PCT方案成熟(功能稳定、排除专利问题、高生产良率与低成本)之前，SCT方案才是最符合市场期待的触摸方案。