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智慧型手機與平板電腦最先進的觸控及顯示整合技術
 

【作者: Synaptics】   2015年05月05日 星期二

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電容式觸控螢幕技術為智慧型手機和平板電腦帶來嶄新局面,廣泛用於筆記型電腦、桌上型電腦顯示器,以及一體成型式電腦。這些裝置的市場競爭十分激烈,廠商持續面臨挑戰,系統必須具有優異的顯示品質、易於導航、高效能、精巧外形、超長續航時間以及低成本。由於觸控螢幕在使用者體驗中扮演著深具影響力的角色,在設計方面的選擇可能成為產品最終成功的決定性因素。


若要將顯示器變成「觸控板」,需要以無縫的方式結合這兩種截然不同的功能。在過去,是透過不同公司在層板「疊層」中提供各層,然後再由單獨的製造商組裝,將觸控感測器加入顯示器。近期技術的發展已可將觸控感測器直接整合至顯示器,亦可將觸控控制器和顯示驅動程式功能整合至單一積體電路 (IC)。


本白皮書概述了目前可用的觸控和顯示整合技術(註1),包含預計在可預見的未來中主導設計風格的全新與創新解決方案。此白皮書說明觸控感測器可直接整合至顯示器的各種方式,探究將觸控控制器和顯示驅動程式整合至單一積體電路的方式,針對裝置製造商及合作夥伴,強調整合觸控及顯示功能的許多優勢。


將觸控感測器整合至顯示器疊層

觸控螢幕裝置中,觸控和顯示功能的整合位於兩個區域:控制兩種功能的顯示面板疊層與積體電路。本節說明顯示面板疊層,下一節說明整合觸控與顯示驅動程式積體電路。


Synaptics之所以能夠公平探討這些技術,是因為我們皆有提供支援。Synaptics的工程師與裝置和液晶顯示器(LCD)製造商緊密合作,定期協助選擇每一種裝置的最佳技術,考量產品所需的功能、定價和競爭差異,以及設計期限和製造注意事項。



圖1 :  觸控感測器可加入層板「疊層」中之顯示器上方的各層,或者可直接整合至顯示器疊層中的其中一個現有層。
圖1 : 觸控感測器可加入層板「疊層」中之顯示器上方的各層,或者可直接整合至顯示器疊層中的其中一個現有層。

圖1顯示實體觸控螢幕中顯示器與面板疊層中的許多層。根據先前經驗,將觸控感測器以獨立式或離散式疊層加入層板疊層顯示器,是普遍的作法。根據此設計,感測器加在防護玻璃(CG)上或加入專用的感應層,通常是由塑膠製成。


將感測器置於防護玻璃鏡片上,有時稱為「鏡片上覆感測器」(Sensor-on-Lens, SoL)或稱為「單片玻璃觸控方案」(One Glass Solution, OGS),因為省去了獨立感應層的需求。獨立感應層的設計稱為Glass-Film (GF)或Glass Film-Film (GFF),取決於發送和接收觸控功能是否分別在感測器薄膜的一或兩層中實作。這些設計稱為「離散式」,強調觸控功能在顯示器上以另外的疊層提供。


離散式觸控感測器疊層具有經過驗證的優點、縮短產品上市時間的低風險技術,某些LCD製造商(LCM)也希望能充分利用廠房與設備現有的生產設置。不過它們也有缺點,就是面板疊層較厚、較暗,而且較貴。


透過最近的技術發展,LCM可將觸控感測器直接整合至顯示器疊層中的一或多層。整合可能位於顯示器的外部或內部:外掛式整合或內嵌式整合。


位於彩色濾光玻璃頂部的觸控感測器矩陣稱為外掛式整合,因為感測器建置在顯示器單元的頂部。雙層觸控感測器可在彩色濾光玻璃的頂部實作,但是需要跨接器(鑽石樣式或帶狀條紋樣式),這會增加成本。單層外掛式(SLOC)技術則使用特殊的樣式發送與接收網格,無需跨接器即可連接,成本較低,產能較高。


將觸控功能加入顯示器,外掛式技術是簡單可靠的方法,與主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示器搭配使用,通常是最佳選擇。大尺寸顯示器以及可彎式或軟性顯示器,則可使用雙層金屬網感測器達成外掛式整合。


如圖1所示,顯示器單元從薄膜電晶體(TFT)玻璃的底部到彩色濾光玻璃的頂部,包含TFT電路、LC材質與彩色濾光片。內嵌式感測器使用現有的顯示層作成觸控感測器矩陣,通常利用通用電極(或 Vcom 層)作為觸控感測器矩陣,利用金屬層作為矩陣的交互連結。今日的IPS面板,這些層全部存在於TFT玻璃上。


內嵌式整合的另一種類型是混合設計:觸控感測器的傳輸層是TFT玻璃上的內嵌式技術,接收層為彩色濾光玻璃上的外掛式技術,稱為「混合內嵌式」設計。「完整內嵌式」表示發送與接收觸控感應層皆在單元中。內嵌式的兩種類型如圖2所示。



圖2 :  內嵌式整合的類型取決於觸控感測器發送與接收層的位置而定。
圖2 : 內嵌式整合的類型取決於觸控感測器發送與接收層的位置而定。

整合觸控控制器和顯示驅動程式積體電路

控制觸控與顯示功能的積體電路,一直以來皆由個別的供應商提供。這些獨立的積體電路可與離散式面板疊層和外掛式顯示器整合,但若有多家供應商,其優勢便受限,而且會變得複雜。相較之下,內嵌式整合將觸控控制器與顯示器驅動程式整合至單一積體電路,不僅較為輕鬆簡單,基本上也更具優勢。


目前的智慧型手機和平板電腦顯示功能,很可能受控於單一顯示器驅動IC (DDIC),觸控功能很可能受控於個別的觸控控制器IC。使用外掛式顯示器的設計,DDIC 永遠位於顯示玻璃上,稱為覆晶玻璃(Chip-On-Glass, COG),觸控控制器 IC 通常位於彈性面板連接器,稱為覆晶薄膜(Chip-On-Flex, COF)。在此設計中,主機到面板通常有兩個彈性連接器,一個適用於TFT玻璃上的DDIC,一個適用於觸控控制器。


使用完整內嵌式顯示器設計的智慧型手機和平板電腦,只需要單一面板連接器,連接顯示器和觸控感測器。擁有單一連接器也通常擁有單一積體電路,稱為「觸控與顯示器驅動程式整合」(TDDI)。由於積體電路本身有CPU (適用於觸控訊號處理),並且裝載於顯示器玻璃上,此整合解決方案有時也稱為「TDDI啟動的智慧型顯示器」。 (註2)


TDDI 解決方案的架構設計和實作一點都不馬虎。對於先進的顯示器噪音管理與改善的電容感應效能,Synaptics TDsync技術整合並同步觸控與顯示功能。


產生的解決方案克服了離散式面板疊層和外掛式顯示器的相關限制,其中觸控與顯示功能通常會彼此獨立運作。


若智慧型手機和平板電腦設計將所有觸控控制器和顯示器驅動程式功能整合在單一積體電路,晶片通常直接位於玻璃,如圖3所示。



圖3 :  混合內嵌式設計需要有額外的彈性面板連接器。
圖3 : 混合內嵌式設計需要有額外的彈性面板連接器。

內嵌式TDDI解決方案的優勢

將觸控與顯示功能整合在內嵌式顯示器和積體電路,具有某些顯著的優勢。這些優勢也可分成兩類:工程、製造與支援方面的優勢,以及強化智慧型手機或平板電腦的設計。


工程、製造與支援優勢

將觸控與顯示功能整合在顯示器疊層和積體電路,簡化了設計工作,有助於加速新設備的上市時間,提供設備製造商獨特的競爭優勢。


結合的元件較少、供應鏈效率提昇,可盡量降低成本。完整內嵌式整合少用一個彈性板連接器,也少用一個積體電路。LCD製造商(LCM)的顯示器面板具備完整整合的觸控功能,從根本上消除了個別感應層疊處理程序的產量損失。利用較少的元件與供應商,組裝步驟與問題也減少,設備耗用於製品的時間也較短。圖4顯示不同面板疊層的相關價格比較,使用完整內嵌式/TDDI設計的價格是最便宜的。



圖4 : 比起離散式GFF參考設計,顯示器整合技術大幅降低了成本;完整內嵌式整合與TDDI的結合成為今日最低成本的解決方案。
圖4 : 比起離散式GFF參考設計,顯示器整合技術大幅降低了成本;完整內嵌式整合與TDDI的結合成為今日最低成本的解決方案。

裝置設計優勢

將觸控和顯示功能整合於顯示器玻璃和積體電路,兼具優雅與簡潔,可設計更時尚、功能更強大的設備。相較於離散式設計,完整內嵌式顯示器的面板較為纖薄。因為無需在顯示器面板的側邊或頂部進行外部路由,顯示器的邊框更為狹窄。較薄的面板可用於更纖薄的外型,或提供更多空間以供其他功能使用,例如記憶體或電池容量,較窄的邊框則支援產品全尺寸、無邊框顯示器所需的窄框。


內嵌式與 TDDI 的結合也提高了效能,因為同步掃描提昇了顯示器觸控控制的敏感度,就像Synaptics的TDsync 一樣。此外,同步觸控與顯示功能幾乎消除了來自連接觸控感應的電磁顯示器雜訊,如果在帶有離散式或內嵌式面板疊層的設備中未適當緩解,會產生操作問題。如圖5所示,沒有獨立的觸控感應層來減弱光線,內嵌式顯示器的亮度大約會增加 10%,或者,可透過較少的背光來提供相同的亮度,進而延長電池壽命。



圖5 : 將觸控感測器直接整合至顯示器疊層,製作更纖薄明亮的顯示器。
圖5 : 將觸控感測器直接整合至顯示器疊層,製作更纖薄明亮的顯示器。

最後,整合觸控與顯示功能,簡化了設備的設計與可製造性,也提高了設備的整體可靠性。無須層壓多個功能層,這是故障或失效的潛在原因。而且如果設計本身似乎導致層壓離散面板疊層時發生問題,便需要聯絡多個供應商,使得及時解決問題的工作更加複雜。


結論

觸控螢幕已成為智慧型手機與平板電腦的標準規範,加上使用者也需要簡化導覽,使得觸控螢幕在筆記型電腦和所有全方位桌上型電腦中日益普遍。雖然目前有許多不同的技術結合觸控和顯示功能至觸控螢幕,但使用具有觸控和顯示器驅動程式整合 (TDDI) 的內嵌式顯示器正快速成為主流行動裝置市場中新設備的首選,如圖6所示。



圖6 :  離散式面板疊層已逐漸由顯示器整合設計取代,整合設計具有 70% 的 CAGR。
圖6 : 離散式面板疊層已逐漸由顯示器整合設計取代,整合設計具有 70% 的 CAGR。

普及率迅速增長的原因,在於內嵌式 /TDDI 設計可解決設計與製造面板疊層造成的諸多問題;另外加入觸控功能與非同步方式實作觸控與顯示功能,產生了更複雜的設計、增加成本,運作也較不可靠。相比之下,使用 TDsync 技術之 Synaptics ClearPad Series 4 IC 中的完整整合與同步觸控和顯示功能解決了這些問題,並提供其他優勢,可望成為更好的設備,滿足更多使用者。


註1.請注意,本白皮書的重點僅限於 8 吋 (20 公分) 以下的智慧型手機和平板電腦。較大型的觸控螢幕也可能以類似方式整合觸控和顯示功能,不過其差異可自成一篇。


註2.TDDI 也可用於混合內嵌式實作。在此組態中,第二彈性件用於路由接收端針腳 (從 TFT 玻璃上的 TDDI 晶片) 至彩色濾光片頂部的接收端電極。第二彈性件僅包含路由訊號,沒有任何作用中的元件。


進階觸控功能

增強的觸控感測器與控制器,提供進階的使用者功能,例如:


‧ 觸控喚醒功能


‧ 觸控筆支援最細 1mm 的筆尖


‧ 手指和觸控筆同時操作


‧ 近距離觸控和手指懸停


‧ 手套與指甲支援


Synaptics觸控螢幕積體電路

Synaptics ClearPad 組合方案提供業界最廣泛和最先進的清晰電容觸控控制器解決方案的產品線,Synaptics的液晶顯示器驅動程式系列則提供進階影像處理,滿足今日行動裝置的需求。


Synaptics 結合這些技術,於行動裝置市場引領風潮,率先採用觸控和顯示器驅動程式整合(TDDI)解決方案。


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