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投射电容式触控技术方兴未艾
 

【作者: 王岫晨】2009年01月05日 星期一

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触控技术发展,其实已行之有年,然而自iPhone推出,为触控市场投下震撼弹,电子产业了解到,触控屏幕并非只是小众市场,其实足以成为主流输入接口。iPhone证明好的触控接口,确实能取代大多数键盘功能,并赋与用户更直觉、便利的操作体验;以更大的面板替代键盘,还能设计出更轻薄、时尚造型;加上完全采用固态面板技术,不需担心键盘、滑轮等机械零件故障问题。


电容式触控 从iPhone说起

根据市场调查机构iSuppli研究显示,未来多重触控面板市场规模,将从2007年1.1亿美元,成长至2012年的4.3亿美元,年复合成长率达31%。从iPhone的Multi-touch开始,人机接口操控方式有了全新的风貌,不少电容式触控技术业者因iPhone手机热卖而受惠。不只手机应用领域,未来触控技术商机,也有机会拓及各类可携式产品、家电应用。


其实这些优点早就存在,为何到现在才发现此技术的不凡?这是供需上的时势所趋。今日手机内建功能愈来愈复杂,尤其是智能型手机,iPhone贴心的触控接口,让智能型手机有机会赢得更多人的青睐。多点触控功能出现,造成使用接口的新革命,用户能以更直观的方式使用产品。


然而,有需求而没技术,仍只是空谈。在中小尺寸面板的手持式市场上,一向是电阻式触控屏幕的天下,但iPhone改采投射电容式技术实现多点触控功能,让大家将注意力转移到新的触控技术。除iPhone,还有LG Prada手机、iPod Touch、Samsung Yepp YP-P2媒体播放器等,都采用投射电容式触控技术,可见此技术已从小众走向大众市场。



《图一 电阻式屏幕成本低,但具有许多设计限制》
《图一 电阻式屏幕成本低,但具有许多设计限制》

电容式触控出头天

事实上,早在1990年代,IBM及罗技(Logitech)就曾提出过多点触控的概念,因此并非最新的技术。然而苹果公司却是首先将多点触控技术整合于手机操作接口,且应用上非常成功的案例。iPhone的触控屏一改用户过去操作手机只能使用键盘,或以Stylus笔尖触控等输入方式,在没有键盘的手机上,现在已经可以利用多根手指在屏幕上进行放大缩小、移动浏览、操作输入等不同动作指令。


多点触控技术舍弃传统电阻式触控以单指或触控笔单点触控屏幕的方式,改采投射电容式技术,就是看中了电容式触控具有更高的透光率、以及在屏幕色彩表现较优越的呈现效果。电阻式与电容式两者技术差异可归类如下:


  • ●电容式触控只要用手指轻触不需靠触控笔,电阻式触控需要施压力触控。


  • ●电容式触控可进行多指触控,电阻式触控只能单指触控。


  • ●电容式触控比电阻式触控分辨率高、透光率更佳。


  • ●电容式触控采用玻璃,因此较采用塑料外层的电阻式触控防火、防刮、防污尘、防静电、且无需校正、使用寿命也比较长。



电容式触控以取代手机按键功能为主

电阻式触控面板除了本身生产厂商众多、扩产快速外,加上其上游关键零组件供货商日东电工的双层ITO薄膜(ITO Film)新产能大量开出,产能比起过去多出3倍,在预期未来原料供应无虞的情况下,电阻式触控面板恐将难摆脱供过于求的命运。


以目前市场发展而言,触控面板厂表示,电阻式由于具备价格优势,因此脚步较电容式更快,其中三星、LG近期推出、或即将推出的新款全屏幕触控手机,几乎都是采用电阻式技术为主。电容式技术在全屏幕触控手机的发展上,受限于价格及生产门坎较高,因此除了少数几款主打品牌形象的机种,以及苹果的经典代表款iPhone外,电容式触控现阶段仍以取代手机功能按键为主,但其应用范围也有逐渐扩大的迹象,显见未来仍有相当大的发展空间。


2008年推出的全屏幕触控手机,包括LG内建500万画素相机的Viewty、及采用Windows系统的KS20。而三星全屏幕触控手机也相当多,包括同样内建500万画素相机F480、采用3.2吋宽屏幕的F490、智能型手机F700、以及与时尚品牌合作的Armani手机。另外,日本电信业者Softbank也推出多款3.2~3.5吋全宽屏幕触控面板手机,同时苹果的3G/3.5G的iPhone也已经正式在亚洲地区上市。



《图二 在表面电容式触控屏幕的平板铟锡氧化物感测电极,会因为手影效应容易损坏,且无法抑制错误的启动》
《图二 在表面电容式触控屏幕的平板铟锡氧化物感测电极,会因为手影效应容易损坏,且无法抑制错误的启动》

表面电容式vs.投射电容式

电容式触控技术又分为单点式的表面电容式(Surface Capacitive)、与可进行多点触控的投射电容式(Projected Capacitive)两种,目前最夯的便是投射电容式触控技术。iPhone手机的上市掀起屏幕多点触控话题,除了改变消费者对人机操作接口的使用习惯,更为触控业者带来不小商机。iPhone采用投射式电容式触控屏幕,电容式触控比起电阻式触控有更高的透亮度与分辨率,且相较于电阻式触控只能单指触控(或称单点触控),电容式触控可多手指同时触控输入(亦即multi-touch多点触控技术),使用寿命亦比电阻式触控更长,也带起电容式触控成为行动装置上当红的触控技术,而投射式电容触控更是当红炸子鸡。


简单比较一下表面电容式触控与投射式电容触控两者技术的不同。表面电容式触控技术是利用排列之透明电极与人体间结合所产生之电容变化,从所产生之诱导电流来侦测触动坐标。在面板感应区的四个角落使均匀电场成形于面板表面,当手指触动时,可使电场引发电流,经由控制器转换将电流强度比例相对于四个角落之差异,进而计算出触动位置。


至于投射式电容触控技术,基本上仍以电容式触控面板概念,增加两组存在不同平面又相互垂直的透明导线(X、Y)与驱动线所构成,由于X、Y架构在不同表面,其相交处形成一电容节点,当电流经驱动线通过其中之一的导线时,另一层导线及与侦测电容值变化的电子回路相通。


操作时,控制器先后供电流予不同层之驱动线,因而使各节点与导线间形成一特定电场,当手指或触动媒介接近时,控制器迅速测知在节点与导线间的电容值改变,进而确认触动之位置。由于透明导线在面板上形成不同于表面电容的三维电场,因此,触动不须实际接触仍可发生;换言之,投射电容式具有Z轴分辨能力的触控应用技术。



《图三 投射电容式技术需要使用透明且蚀刻过的铟锡氧化物模板,在上面沿着X轴和Y轴同时进行感测》
《图三 投射电容式技术需要使用透明且蚀刻过的铟锡氧化物模板,在上面沿着X轴和Y轴同时进行感测》

电容式触控结合ITO将是趋势

电容式触控技术虽然因iPhone而起,但是其应用并不只限于小尺寸行动装置的触控面板,在鼠标、键盘等PC相关领域,甚至家电、多媒体信息站(Kiosk)、乃至于生活环境各式各样的应用,都使电容式触控更符合未来touch everywhere 的需求。由于应用范围更宽广,也使得电容式触控技术广受看好,日前更有市调机构看好电容式触控将取代电阻式成为小尺寸面板应用的主流。iPhone的Multi-touch多点触控,舍弃传统电阻式触控,以单指或触控笔单点触控屏幕,改采电容式触控技术中的投射式电容技术,就是看中了电容式触控具有更高的透光率、以及在屏幕色彩表现较优越的呈现效果。


手机的按键设计若采用电容式传感器,不须要可拆式零组件,即可呈现出线条流畅平滑的触控表面,另外,设计人员可选择在机械开关上装设电容式传感器,力道轻的触碰会触发电容传感器,力道较重则会启动机械开关,搭载这类技术的手机能同时侦测到手指的位置与按压按键的力道,力道轻的触碰会叫出电话簿选单进行浏览页面切换,而力道重的触碰则会拨出选取的电话号码。近几年来,手机设计最令人感兴趣的趋势,就是结合电容式传感器和透明导体,透明按键为手机研发业者带来许多相当创新的选项。


手机触控感测的最新趋势是运用置于玻璃或塑料薄膜上的ITO。ITO就是氧化铟锡,这是一种导电材料,在当成胶膜使用时,会呈现透明状。ITO已被应用在电阻式触控屏幕数年之久,最近微控制器的技术演进,让业者能开发出电容式触控屏幕。由于电阻式触控屏幕必须依赖触控表面的机械弯曲,因此终有一天会因磨损而须更换,电容式ITO触控屏幕则不须依赖机械弯曲,免于此种机械故障是电容式ITO触控屏幕胜过标准型电阻式触控屏幕的一项优势。


《图四 投射式电容触控面板结构》
《图四 投射式电容触控面板结构》

其它可行多点触控技术

其实想实现多点触控功能,投射电容式并非唯一可行技术。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)光学感测技术,可用多手指在桌上型屏幕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于屏幕上,再将 LED光线打入压克力板,利用光线碰到指头产生散射抓取正确位置。


微软Surface计算机则利用类似原理达成多人、多点触控感测。Surface是一个表面安装30吋触控显示器的工作台,在这层防刮、防水面板下,隐藏多台红外线摄影机,可感应手指或其它碰触表面对象;另有一个DLP投影机侧放,投放用户可看得到的影像。Surface最多可同时感测52个触点,因而支持多人同时操作,而且还能自动识别放置于屏幕上的物体。不过,它售价高达1万美元,目前诉求市场是饭店、餐厅、零售点和赌场游戏桌。


除投射电容和光学影像等感测方式外,还有不少触控感测技术可实现多点触控应用,或正朝这个方向努力,如IR Matrix、Imaging LCD(Matrix)、IR Waveguide(Matrix)等。就如Apple所诉求的:「手指是万能的」,为避开专利障碍,未来可望见到更多多点触控技术,甚至直接内嵌在显示器LCD面板当中。


然而,投射电容式仍是小尺寸行动设备较可行的多点触控解决方案。在过去,电容式主要用于大尺寸面板,今日要取代电阻式置于小尺寸面板,系统业者必须学习解决电容式触控的设计议题。就环境因素观察,EMI是常见的设计挑战,在讯号复杂的手机中,又显得更为困难;天候变化也是不容忽视的因素,不同温、湿度或下雨状况,都会影响触控感测正确性。


此外,电容式是使用手指进行触控,设计者也须考虑用户手指大小,感测单元够大,正确性就会提升,但相对就会牺牲分辨率,因此,必须在正确性和分辨率间取得平衡点。以人的手指来说,感测单元约介于6~10mm间。还有一些设计议题,例如,该选择玻璃或PET做为基板,及侦测讯号输出后的处理架构该如何规划等。


《图五 Cypress台湾区总经理邓俊生(左)与资深项目经理李日得展示Cypress FirstTouch CyFi Kit与CyFi Low-Power RF解决方案。》
《图五 Cypress台湾区总经理邓俊生(左)与资深项目经理李日得展示Cypress FirstTouch CyFi Kit与CyFi Low-Power RF解决方案。》

电容式触控技术未来挑战仍多

过去电容式触控技术,多活络于各类公共领域应用,包括银行提款机、车站、医院、大型卖场的触控信息系统,以及电玩娱乐触控装置,不过以上皆属于表面电容式触控技术应用,而iPhone让电容式触控技术,得以延伸至个人可携式行动通讯设备,市场更预期,只要等电容式触控模块价格成本下降、生产良率提高,电容触控模块市场未来势必威胁取代电阻式触控市场地位。


当然电容式要取代电阻式成本相对低廉的主流地位,仍有许多问题尚待解决。对业者来说,触控屏幕的触控反应时间、操作流畅度、触控时的操作敏感度与精确性,湿度灵敏度、干扰及环境噪声干扰,都是接下来必须克服的问题。此外,触控设计的人性化与直觉性,例如触控屏幕或是按键如果过小,会增加用户操作上的困难。例如多点触控的iPhone屏幕就并非最佳尺寸大小,这些都是业者往后设计不可忽略的关键。


《图六 Atmel业务部市场策略经理冯子龙来台发表Two Touch和Single Touch触摸屏控制解决方案。》
《图六 Atmel业务部市场策略经理冯子龙来台发表Two Touch和Single Touch触摸屏控制解决方案。》

另外若从使用经验角度观察,传统手机按键可让用户在不看键盘情况下拨打电话,但手指触控的屏幕设计没有触觉回馈功能,用户必须盯着手机屏幕操作,未来设计上可透过虚拟按键加入适当的按键回馈机制,例如声音或震动装置,提供更友善的使用接口。


因此尽管投射电容式触控技术在行动装置的面板应用中愈来愈普及,但目前从制程到软、硬件技术,尚有不少挑战待克服。面对未来更多样化的应用设计,开发商可也得预先做好因应。


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