偶爾有人把拆解東西當作樂趣!

有些人真的喜歡拆開電子裝置，看看裡面裝了什麼東西，如果不必擔心如何裝回去的話就更有趣了。就現今的消費性電子裝置而言，產品一旦被拆解，幾乎可以保證無法回復原狀，很少人真正瞭解觸控螢幕系統是如何組成的。為瞭解現今最熱門的技術之一，我們得拆開觸控螢幕手機的上層，看看裡面有什麼結構。一旦動手，我們將發掘現今觸控螢幕背後的運作原理。

所有消費者都看得到現今最熱門手機的外貌，其中有許多機型擁有塑膠或玻璃材質的螢幕，但大多數人並不瞭解裡面的結構與其運作原理。接下來我們將探索這類產品感測器的設計與結構，以及從外觀看不出的技術，用來感測在螢幕表面進行的觸碰操作，還有行動產品製造商在設計搭載觸控螢幕的產品時，必須做何技術面的取捨。

值得一提的，本文是三部曲專文的第一篇，旨在幫助讀者瞭解觸控產品的設計與結構（本文），產品如何判定解讀在螢幕表面上的觸碰動作與手勢（專文二），以及消費性產品和觸控筆的運用（專文三）。這些專文的目的都是讓讀者從技術層面詳細瞭解觸控螢幕的各個子系統。

觸控技術最顯著的特徵：運用手指，不論觸控螢幕採用何種技術，手指都作為系統提供阻隔效果的物件。有些觸控螢幕是利用觸碰動作的物理力量來輸入觸碰動作，其他技術則是利用手指來阻隔紅外線或攝影機的視野，其他技術則是量測當手指接近時電流的變化，本文大部分探討的是最後一種技術。量測觸控螢幕面板的電氣屬性變化，這種技術稱為「電容式觸控」。在本文中，觸控螢幕系統能量測觸控螢幕上電容的微幅變化。

《圖一　導電的手指會阻隔觸控螢幕上的電場（互容式電容感測） 》

事實上，投射式電容感測硬體包含一片玻璃或塑膠材質的覆層，旁邊則是整排的X與Y軸感測器所組成的氧化銦錫ITO元件層，ITO以沉積法置於一層絕緣層上。ITO是一層透明的導電膜，它能傳導電荷，讓電荷進出觸控螢幕的表面。由傳送與接收電極負責觸控螢幕上的電荷，這些電極通常排列成直行或橫列圖案，藉以判定阻斷電場的物體位置。　

當手指或其他導電物體接近螢幕時，感測器與手指之間就會形成一個電容。這個電容值低於系統的其他電容，但可透過許多技巧量測到，通常涉及線路內電容的快速變化，以及透過電阻器（resistor）量測放電時間。常用的感測方法有兩種，亦即「互容」與 「自容」感測法。自容法是偵測當手指觸碰到螢幕時，感測器自容的增加。互容法則是量測傳送感測器與接收感測器之間電容耦合的下降（如圖一所示）。

《圖二　在電容式觸控系統中量測互容與自容》

投射式電容感測器陣列的設計方法，讓手指在任一時刻都會和超過一個X軸感測器以及Y軸感測器進行互動。這讓軟體能利用內插法（interpolation），精準判定手指的位置，因為互容感測法會檢查每個X/Y軸的交叉點，而不光只是檢查每個X/Y軸感測器，因此互容感測法能同時偵測到多個觸碰動作。

現在我們有基本的概念，瞭解何以手指能阻斷觸控螢幕上的電場，接下來我們進一步探討觸控螢幕系統的硬體，以及瞭解每個元件為整體系統的貢獻。

《圖三　觸控螢幕系統的元件》

圖三顯示多個重要元件，包括外層防護片與感測器、LCD以及印刷電路板。防護片是產品最外層的元件，消費者就是在這層元件上和產品進行互動。在某些產品中，防護片只是一層保護的元件，具有防刮與防損的功能，或者本身就是觸控感測系統的一部分。對於大多數電容式觸控系統而言，觸控螢幕「感測器」就位在防護片的底下。感測器其實是透明的玻璃或壓克力材質的面板，具有觸控反應的表面元件，以印刷或沉積的方式製成，感測器通常直接附貼在保護片上。接著，觸控感測器會覆上一個圖形顯示元件，讓面板的觸控區域覆蓋螢幕的可視區域。最後一個關鍵元件就是觸控控制器本身的硬體系統。

在現今的系統中，觸控控制器是一顆微小的微控制器晶片，像是Cypress的TrueTouch，置於觸控感測器與系統主控控制器之間。這顆晶片置於系統內的控制器電路板內，或是位於貼附在玻璃觸控感測器之上的可撓式電路板（FPC）。這個觸控控制器能接收觸控感測器的資訊，並將資訊轉譯成系統主控控制器能判讀的格式，然後再透過像是I2C或SPI等常用通訊匯流排，把資訊傳送出去，這類匯流排僅需要5至8根針腳，就能連結至主印刷電路板的連結器（如圖四所示）

《圖四　各種不同製造組態的觸控面板》

以上的描述提供系統的基本構造，接下來我們要探討觸控感測器本身的技術細節。圖3顯示感測器的橫截面，顯示多重不同導電材料的分層。根據感測器選用的電路圖案與材料，ITO分層、薄膜、或玻璃基板，還有中間黏接的材料（OCA，光學透明膠），這些元件會構成各種不同的組合。製造商會依據厚度、成本、透明度、堅固性、邊框寬度、前方視窗材質、重量以及效能等因素，選擇適合的組合。

在電容式觸控螢幕中，觸控反應表面的材質幾乎都是氧化銦錫（ITO）。氧化銦錫通常用來製造透明的導電覆層，能透過電子束蒸鍍（electron-beam evaporation）、或濺鍍（sputtering）等方法沉澱製成。ITO薄膜的光學與電氣屬性和沉積法、採用材料的品質以及執行的製程之間有密切的關連（就像汽車的塗漆，若是在低於標準的製程下，即使使用相同的漆料也會塗出差異極大的成品）。對於ITO而言，沉積層應含有高密度的電荷載子才能有高導電性。高導電性（或低薄層電阻，單位為歐姆/單位面積），與高透明率之間得取一個理想的平衡點。

薄層電阻可取極低值（20-50 Ohms/sq），搭配超過80%的可視透明率，但若要讓透明率接近90%，薄層電阻必須超過100 Ohms/sq。透射率（穿透感測器至LCD的可視透明度）與電阻（電流輕易輕過觸控面板）之間的微妙平衡，使得感測器的設計成為各家廠商極力保護的商業機密。事實上，市場上有許多不同的設計，讓業者根據效能的先後來做不同取捨。

《圖五　針對訊號偵測設計不同交錯模式的X/Y軸感測範例》

大多數觸控螢幕感測器直接接附在LCD（液晶顯示器），較新的AMOLED技術（主動有機發光二極體）則採用各向異性導電薄膜（Anistropic conductive film），運用微小的導電金屬球置於黏膠帶上，用來接合觸控螢幕面板與LCD模組。搭載觸控功能的產品，挑選螢幕所考量的因素和傳統系統一樣: 包括解析度、透明度、更新速度以及成本。觸控螢幕其中一項主要考量因素，則是它們產生的電子輻射，或是雜訊。由於觸控感測器的技術，是根據面板被觸碰時產生微幅的電荷變化，因此會發出大量電子雜訊的LCD就很難補救，所以不宜採用。

消費性產品經常採用數種LCD，在設計時必須審慎考量:

點倒轉（Dot Inversion）

對於觸控螢幕而言，這是較受歡迎的TFT LCD顯示技術，點倒轉型LCD在LCD表面上覆蓋直流共用電壓（DC Vcom）。直流Vcom會形成一個遮蔽層，可擋掉LCD的切換雜訊。

線倒轉（Line Inversion）與框倒轉（Frame Inversion）

線倒轉型的LCD，會運用覆蓋LCD表面的交流共用電壓（AC Vcom）。這個交流電壓所產生的雜訊，會被感測器接收。這種LCD需要第三層ITO，利用遮蔽層來保護接收電極，避免收到LCD切換時所產生的雜訊。若選用這種LCD，業者務必選擇最慢的訊號上升時間，因為切換頻率和LCD產生的雜訊量有直接關連。

AMOLED

AMOLD 含有一個方陣排列的OLED像素，透過持續的電流來產生光線，就每個像素而言，這些電流是由至少兩個薄膜電晶體（TFT）來控制。其中一個TFT用來啟動與停止儲存電容的充電，第二個TFT則用來提供必要的電壓來源以維持穩定的電流。這種結構能減少雜訊，適合用在電容式感測系統。

最後，當手指觸碰到觸控感測器時，電荷就會離開面板並傳到接收電極，觸控螢幕控制器會量測到電容的變化。根據LCD發射的雜訊，觸控控制器在辨識真正觸碰動作與干擾訊號時，會面臨難易不同的情況。系統中其他硬體的實際性能，取決於觸控螢幕的控制晶片。若面板的電阻過高，加上LCD發出過多雜訊，或者電路圖案的設計不精準，抑或未針對效能進行優化，那麼從觸控面板傳回到觸控控制晶片的訊號就會很微弱或不精準。

結語

瞭解硬體與感測器結構的細節，讀者可更深入掌握工程知識，開發出性能完善的觸控螢幕產品。許多使用者要求的只是其手機介面能正確解讀自己手指要輸入的內容，光是這樣產品幕後的觸控系統就需要極精密複雜的設計；關鍵在於設計的成品必須讓使用者無縫且輕易地操作。包括電路圖案的設計、ITO沉積、材質、LCD以及觸控控制器的類比與濾波效能，這些重要因素都決定產品是否能提供世界級的觸控與完美的使用者體驗。

我們將在下一篇專文中闡述，當硬體感測到觸控訊號時，使用者的輸入訊息經過解讀，以及到螢幕上圖標的移動這整個過程。觸控螢幕的軟體部分和硬體一樣引人入勝。在此之前，祝福您有愉快的觸控螢幕體驗。

---本文作者任職於Cypress賽普拉斯半導體---