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Windows 7风潮下的投射电容触控技术挑战
触控技术应用专栏(1)

【作者: 歐敏銓】2009年07月08日 星期三

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Windows 7引领中大尺寸触控应用风潮


由iPhone引爆的多点触控热潮,目前已延烧到Netbook、Notebook等产品的应用上,例如Apple即为自己的Macbook做了一个大大的触控轨迹板,用来对屏幕实现多点触控功能。除了已知的两指点(click)、拖(scrolling)、转(rotating)和缩放外,更新增三指及四指滑动(swiping)的操作方式。而多家NB厂商也开始跟进提供这样的功能。



不过,在触摸板上提供多点触控功能,难度并不算高,也不致于引发多大的市场变革。目前新的风潮是要让多点触控功能在中大尺寸的显示面板上实现,最大的推力来自于即将在今年第四季上市的Windows 7,此一新版操作系统强调支持多点触控功能,进而在触控、面板及PC产业掀起很大的波澜。大家都在问:什么触控技术将成为这个新兴应用的主流解决方案?



事实上,目前市场上存在许多后选的技术,如电阻式、电容式、音波式、红外线式等等。然而要用在NB、Netbook、PC显示器或液晶电视的中大尺寸面板上,又要符合成本、尺寸及多点触控的需求,那现行的技术可谓各有限制,难登中大尺寸液晶面板之堂。看起来最有机会的还是iPhone等智能型手机所用的投射电容式触控(Projective Capacitance Touch;PCT)技术,本文将剖析它的技术原理,以及实现上将面临的主要技术挑战。



投射电容式触控技术原理


表面电容触控技术原理


基本上,电容式触控技术是透过手指接触触控屏幕造成静电场的改变来进行侦测。在投射电容式出现前,市场上已广泛使用的表面电容式(Surface Capacitive)触控技术,即是运用此原理来实现触控侦测。此技术的架构比较单纯,只需一面ITO层即可实现,而且此ITO层不需做特殊的感测信道设计,外围只需要接四条讯号线和接地线即可,因此生产上难度及成本都可降低。不过,它的限制是因电极的尺寸过大,并不适合小尺寸手持设备的设计,而且无法实现多点触控功能。请参考图一。



《图一 表面电容式触控工作示意图 》

数据源:Synaptics


投射电容触控技术的实现方式


相较之下,投射电容式技术则采用单层或多层的样式化(patterned)ITO层来形成行、列交错的感测单元(sensing element)矩阵。如此一来,在整个使用的生命周期中,不需透过校准就能得到精确的触控位置,而且可以使用较厚的覆盖层,也能做到多点触控的操作。不过,在设计上的难度也提升许多,以布线来说,采用投射电容式的手机面板至少需要接15条线才行,若用在NB或Netbook上,势必会更为复杂。



就技术原理上,有两种方式可实现投射电容式的触控感测,一种是自电容型(self capacitance,也称absolute capacitance),另一种为互电容型(mutual capacitance,也称transcapacitance)。自电容型是指触控物与电极之间产生电容偶合,并量测此电极的电容变化来确定触碰的发生;互电容型则是当触碰发生时,会在邻近的两层电极之间产生电容偶合的现象。



根据这两种原理可以设计出不同的投射电容式架构,不同的架构能做到的多点触控功能也就不同。多点触控功能其实可细分为两种:一种是手势辨识的追踪与互动(Gesture interaction),也就是仅侦测、分辨出多点触控的行为,如缩放、拖拉、旋转等动作,实现的方式为轴交错式(Axis intersect)技术;另一种则是真正找出多点触控的个别位置,此功能需采用复杂的所有触点可定位式(All point addressable;APA)技术才能达成。以下将介绍这两类型的技术作法。



轴交错式(Axis intersect)


轴交错式(又称为Profile-based)技术是在导电层上进行菱形状的感测单元规划,每一个轴向需要一层导电层。以两轴的型式为例,在触控侦测时,感测控制器会分别扫描水平轴与垂直轴,产生电容偶合的水平或垂直感测点会出现上升的波峰(peak),而这两轴的交会处即是正确的触控点。由于每次的量测是利用单一导电层与触碰物的电容偶合现象,因此属于自电容型的技术。



轴交错式应用从触控版开始


轴交错式的电容式触控技术其实正是笔记本电脑触摸板(touch pad)的实现技术,所以发展的已相当成熟,但触摸板与触控屏幕的最大差异,在于前者是不透明的,而后者是透明的。因为是不透明的,所以触摸板可以在感测区使用金属或碳原子式的电极。投射电容式触控屏幕则是透明的,因此需要采用透明的ITO做为导电电极,而且此层ITO不像电阻式或表面电容式是均匀的导电层,而需要做样式化的设计。



轴交错式定位多点触控正确位置有困难


在单点触控的应用上,轴交错式能得到确切的触控位置,因此不像表面电容式需要透过校准来修正。透过一些算法,轴交错式也能做到多点触控的手势辨识功能,但若要定出多点触控的正确位置会有困难。以两轴的扫描来说,两个触控点分别会在X轴与Y轴各产生两个波峰,交会起来就产生四个点,其中两个点是假性触控点(Ghost point),这将造成系统无法进行正确的判读,如图二所示。



不过,仍然有一些方法能解决多点定位的问题。在两轴式的触控屏幕中,可以利用两根手指触控的时间差来分辨前后的触控点,或以触控点的不同移动方向来加以辨别。此外,也可以增加轴向来提高可辨识的触控点位置数目,每增加一个轴向可多辨识一个点(如三轴可辨识二个点、四轴为三个点);不过,每增加一个轴向,就要多一层导电层,这会增加设计上的触控面板厚度、重量与成本,这都不是可携式产品乐见的结果。



《图二 多点触控时,轴交错式会产生假性触控点 》

数据源:Synaptics


《图二 多点触控时,轴交错式会产生假性触控点 》


所有触点可定位式(All point addressable;APA)



APA的作法能够辨别触控点的确切位置,可以说是理想的多点触控解决方案,但其技术的实现上,不论是导电层的规划、布线或CPU的运算,难度上都提高许多。这类解决方案目前有两种作法,一种是独立矩阵感测单元(Independent-matrix sense elements),它只有一层透明的电极矩阵;另一种是交错矩阵感测单元(Intersection-matrix of row and column sense elements),它由两层相互隔离的水平(列)及垂直(栏)导电层组成交错的矩阵。


独立矩阵感测单元



在应用上,两种作法都能得到确切的多个触控点,因此感觉上并无太大差异,但在实际的建置技术上,独立矩阵感测单元的复杂度相当高,仍不是理想的作法。独立矩阵式的每个感测单元都需与控制器相连,因此分辨率的要求愈高,布线就愈复杂,请参考图三。以一个10×10的矩阵,就需要有100条连接到控制器的感测线。很显然地,独立矩阵式需要采用多脚位、高运算能力的控制器/处理器来处理复杂的矩阵感测数据,也需要更大容量的RAM内存做为暂存区,此外,扫描的时间也会拉长。



然而,即使解决了这些问题,在面板的制程上仍有难解的议题:由于ITO导电层并不能穿孔,再将线路从外部链接到控制器,因此讯号线必然得与感测单位布置在同一层的空间中,这就会挤压到感测单元的可感触面积,而缩小面积意味着灵敏度会下降;此外,邻近的走线也容易造成电容泄露的问题。

《图三 独立矩阵感测单元架构图 》


数据源:Howstuffworks.com


交错矩阵感测单元



相较于独立矩阵感测单元,交错矩阵感测单元是比较合乎商业化要求的解决方案。iPhone即是采用此种架构的触控技术。它的主要架构是两层导电层,其中一层为驱动线(driving lines),另一层为感测线(sensing lines),两层的线路彼此垂直。在运作上会轮流驱动一条一条的驱动线,并量测与这条驱动线交错的感测线是否有某一点发生电容偶合的现象。经过逐一的扫描,即可获知确切的触控点位置。请参考图四。



在制程上,交错矩阵式能解决自电容式所面临的复杂绕线问题,不过,要逐一扫描栏列的步骤,仍然是相当耗时的工作。由于每次的全面板扫描中,大部分的时间是花在非触控区上,因此其实可透过更聪明的方法来加速扫描的工作,例如透过回归式(recursive)的作法,也就是一次只扫半区,若没找到,再将另外半区对切一半来扫描,以逐渐逼近的方式来加速找到触控点的位置。



交错矩阵式虽然在制程上较为可行,但其运作上的负荷与独立矩阵式是相同的,因此也需要采用更强大的处理器。以iPhone来说,它就以两颗独立的芯片来分担这项工作,一颗是感测控制器,将原始的模拟感测讯号转为X-Y轴坐标的数字讯号;另一颗则是ARM7的处理器,专门用来解读这些数字数据,辨识用户的手势动作,并作出相应的应用功能。



此外,交错矩阵式也需面临一些设计上的挑战,例如需要供应高电压才能得到较好的噪讯比(SNR)表现。此外,其导电层的作法虽然能克服自电容的走线问题,但本身的电路仍存在极大的电阻值,这会影响充、放电的速度。尺寸愈大,冲击愈大,因此并不适合在大尺寸的面板上使用此类触控技术。

《图三 独立矩阵感测单元架构图 》


《图四 交错矩阵感测单元架构图 》


比较轴交错式和APA



若比较轴交错式和APA,前者所需的运算资源会少许多,内存不需太小(小于1kB即可);后者因复杂许多,运算要求也会非常高,许忆体要求也很高(需数kB)。两者都同样能实现多点触控侦测,但轴交错式较难做到多点解析,除非采用独特的软件后处理技术,相较之下,APA就能做到多点解析的要求。请参考表一。











































 

(表一) 投射电容式多点触控技术特性比较 <数据源:Cypress>

轴交错式

所有触点可定位式

感测技术

自电容型

自电容型与互电容型

面板感测方式

列 + 栏

最少ITO层数

2

2

多点手势辨识

多点触控定位

1点(两层式)

多点

CPU运算需求

单纯

复杂

内存需求小(

大(数kB)




中大尺寸投射电容式的技术挑战


机构整合设计考虑


现在的投射电容技术,主要是应用在3~4吋的智能型手机之上,而且市场上采用此技术的触控手机还屈指可数,可见得触控产业还处于摸索学习的阶段,而最大的挑战在于对微小电容变化的正确感测及干扰屏蔽设计。由于手指产生的电容变化只有1~2 pF,远小于设备本身的背景电容(background capacitance),而且机构中的线路、连接器、电路板,甚至是接地面、遮蔽处理等布局作法,都会影响电容感测的正确性。



其他的挑战还包括样式化ITO布线规划、触控算法的逻辑,以及人性化使用接口的设计等。如今要将它的应用目标放在Netbook、NB或显示器上,即使是Netbook,其屏幕尺寸至少也是智能型手机的四倍以上,这些技术挑战自然会更为严苛。例如布线数量必然会大幅增加,这会考验控制器的运算能力,而且在走在线也会相当复杂。为了达到大面积的感测控制,未来的中大尺寸投射电容式触控面板可能会采用两颗以上的控制器。



制程成本考虑


另一个门坎则是成本问题。投射电容式的成本至少是电阻式的两倍,面板愈大,所需的成本自然愈高,而成本的决定关键在于触控面板的制程作法。目前有两种主要的制程方式,一是光罩蚀刻的黄光制程,采用的阵营主要来自传统面板业的彩色滤光片业者;另一种是网印制程,厂商的背景主要是既有的电阻式触控面板厂商,以台湾为主。



黄光制程能有效将蚀刻线及传导线的线宽线距缩小,然而线宽小意味着大尺寸面板的寄生电容会很高,更重要的是其开模费用很高,如同半导体制程一样,动辄上百万。相较之下,网印制程的开模费用低上许多,ITO薄膜和玻璃的贴合良率也高,因此在中大尺寸的触控应用上相当有成本优势,不过在蚀刻痕迹的光学处理上,仍然有待加强。



(表二) 投射式电容触控面板制程设计差异比较 <数据源:荧茂光学/黄威龙博士>





















































 

Glass/Film/Film

Glass/Glass

制程

网印

黄光/光罩

蚀刻线线宽线距

最小75~100μm

15~30μm

传导线线宽线距

最小75~100μm

15~30μm

传导线线宽线距

待克服制程与设计问题

蚀刻痕迹光学处理

线宽小,大尺寸寄生电容高

开模费用

贴合良率

软贴硬贴合良率高

硬贴硬贴合良率有待克服

曲状 Lens(或IMD)


贴合可行性

可以

不可行

TP厚度

较厚

制程设计发展厂家分布

国内TP厂/Samsung/NISSHA

国内Color Filter厂




其他可行的多点触控技术


FTIR多点触控技术


要实现多点触控功能,投射电容式并非唯一的可行技术。其实早在2005年纽约大学的Jeff Han博士就已实机展示多点触控的有趣应用。该实验室研发了一种称为受抑全内反射(frustrated total internal reflection;FTIR)的光学感测技术,可用多个手指在桌上型的屏幕上进行绘图和多点操控。其技术架构是用背投方式将画面投射在屏幕上,然后将 LED光线打入压克力板,并利用光线碰到指头产生的散射来抓取正确位置。请参考图五。




《图五 Jeff Han发明的FTIR多点触控技术》




微软的Surface触控感测技术


微软的Surface计算机则利用类似的原理来做到多人多点的触控感测。Surface是一个表面安装了30吋触控显示器的工作台,在这层防刮、防水的面板下,隐藏了多台红外线摄影机,可感应手指或其他碰触到表面的对象;另有一个DLP投影机侧放,投放出用户可看得到的影像,如图六所示。Surface最多可同时感测52个触控点,因而支持多人同时操作,而且还能自动识别放置在屏幕上的物体。不过,它的售价高达1万美元,目前的诉求市场是饭店、餐厅、零售点和赌场的游戏桌。



《图六 微软的Surface触控感测技术》


不过,上述这类采用影像感测的技术,需要一定的机构空间,很显然不适合LCD液晶显示面板的薄型触控应用。当然,还有其他的可行技术,例如透过屏幕分区或多点触控的时间差,电阻式触控技术也能做到多点触控的动作辨识。此外,电阻式也能与电磁式技术整合,以提供多点触控的功能。



触控功能整合LCD面板


由于触控功能广泛应用在液晶面板之上,因此,另一个主流的发展趋势则是将触控功能整合到LCD面板制程中,例如嵌入CCD传感器。也有厂商尝试开发内置触摸传感器的液晶面板,主流的方式有三种,分别是电荷式、光感测式和电阻膜式。电荷式是在液晶面板中置入电荷容量变化传感器,当手指或输入笔在面板表面施加应力,会使液晶分子的分布状态产生变化,从而导致液晶分子的电荷容量变化,透过检测此变化可以侦测触控输入的行为。此作法的瓶颈是当改变了液晶的分布状况,会使影像产生一定程度的紊乱现象。



光感测式是利用画素内形成的光电二极管来检测外光和背照灯发出的光,以实现触控输入的侦测;此技术的瓶颈是因周围亮度不同,导致检测灵敏度不均,因此检测参数的设定比较困难。电阻膜式的原理是当触压面板时,压力会在画素内形成圆柱(隔离物),并与TFT数组底板上的电极(ITO等)接触而形成电阻开关,而采用此技术的问题在于隔离物与ITO的强度设计。



结论


光感测式是利用画素内形成的光电二极管来检测外光和背照灯发出的光,以实现触控输入的侦测;此技术的瓶颈是因周围亮度不同,导致检测灵敏度不均,因此检测参数的设定比较困难。电阻膜式的原理是当触压面板时,压力会在画素内形成圆柱(隔离物),并与TFT数组底板上的电极(ITO等)接触而形成电阻开关,而采用此技术的问题在于隔离物与ITO的强度设计。



目前各大面板厂都在努力开发嵌入式的多点触控面板,但显然在Windows 7上市之前,市场上还不会看到成熟的技术问世。在此情况下,投射电容式技术仍是NB、Netbook和PC显示器的优先选择。当然,基于成本与技术门坎的考虑,电阻式也可望随着这一波风潮而一同打入中大尺寸面板的市场,而一些优化的专属技术,也能满足动作侦测的多点触控应用。



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