表面電容式觸摸技術如何推動人機接口新革命

電容式觸摸技術與目前市場占有率最高的傳統(tǒng)電阻式觸摸技術相比，為使用者帶來了多項優(yōu)點，包括：高達97%的穿透率與更真實的色彩呈現為我們帶來更佳的視覺享;觸摸功能的實現只需輕觸甚至不必實際與屏接觸的特性，為用戶帶來更輕松靈活的操控性;更長的使用壽命，電容屏的觸摸壽命約為兩億次，為四線電阻屏(一百萬次)的兩百倍，五線電阻屏(四千萬次)的五倍。

電容式觸摸技術偵測的信號來自于因觸碰而引起的微量變化。按工作原理的不同，可大略分為表面電容式觸摸技術(SCT，SurfaceCapacitiveTouch)與投射電容式觸摸技術(PCT，ProjectedCapacitiveTouch)。前者常見于大尺寸戶外應用，如公共信息平臺(POI)及公共服務(銷售)平臺(POS)等產品上，而后者則因蘋果公司推出的多點觸摸手機iPhone而炒得沸沸揚揚。

從觸摸技術發(fā)展的過程上來看，最早導入觸摸技術的市場是工業(yè)控制領域，其目的是將繁復且面積龐大的機械設備控制盤，整合到單一窗口、多重分頁的屏幕上，當時使用的是中大尺寸電阻屏。然而電阻屏的壽命與耐受性不足等缺憾，實在無法滿足工控領域的需求，也因此，當中大尺寸SCT甫一問世，高端設備機臺立即改用SCT方案。直到2003年前后，由于電阻屏制造成本降低，開始有小尺寸被應用在PDA、GPS等可攜式產品中，觸摸技術正式進入消費性市場。2006年，iPhone采用小尺寸PCT，其絕佳的光學特性與多點觸摸功能掀起一陣風潮，成為近年來最受矚目的觸摸技術。

從以上不難發(fā)現，目前以小尺寸為主流的消費性市場在觸摸技術的選擇上僅有電阻式與投射電容式兩種，前者雖然成本低廉，但是不佳的光學表現與耐受性長期受到市場詬病;后者雖有多項優(yōu)點，但真正能量產的供貨商屈指可數，售價自然相當昂貴，以致僅見于少數高單價產品上。

目前小尺寸市場之所以很少使用SCT，主要是成本問題。SCT面板制造商長期欠缺關鍵的光學鍍膜技術，必須委外加工，而SCT觸摸IC則為少數技術廠商所控制，售價居高不下。此外，不像電阻屏可隨意與電阻式IC搭配，SCT的屏與IC必須有絕佳的兼容性才能穩(wěn)定地工作。前述種種因素使得SCT在小尺寸消費應用的售價與PCT相去不遠，自然難以被客戶群所采用。

然而，相較于電阻式技術，SCT可以大幅改善其缺陷;相較于PCT，SCT的技術更為成熟穩(wěn)定，可以量產導入。因此我們可以合理地推論：當SCT的整體成本因為產業(yè)成員們的策略聯盟和技術資源整合而大幅下降時，SCT將有機會成為小尺寸消費應用最佳的解決方案。

下文將簡單介紹PCT與SCT之基本原理，并針對此兩種技術之優(yōu)缺點做一比較。

投射電容式觸摸技術

PCT是建構在矩陣的概念之上。在觸摸屏制作部份，PCT面板的ITO是經過蝕刻而產生特定圖案的，目的在于提高各觸碰點的SNR值，增強識別的精確度。藉由將前述的圖案在X軸與Y軸方向分別復制數次(次數多寡根據屏尺寸而定)，便形成一個類似鍵盤的PCT矩陣，圖1即是目前最常見的菱形圖案。

圖1：投射電容式屏的菱形圖案布局。

圖1中的橘色菱形圖案形成了X軸方向的ITO導線(共有m條)，而綠色菱形圖案形成了Y軸方向的ITO導線(共有n條);PCT控制器會依次驅動這些導線來偵測是否有因為觸碰而增加的電容量變化。

圖2：PCT等效RC電路與手指觸碰前后的X2導線上的偵測波形。

以架構最簡單的RC振蕩方案為例。我們將X軸中的X2導線的等效電路簡化于圖2，形成一個由n個Rp與n個Cp所組成的RC電路，其中的Rp與Cp分別代表等效的ITO分段內阻與PCT各節(jié)點(XY軸交會處)的固有電容值。當手指接近或接觸到屏時，會在屏上增加一個電容量(Cf);對這個RC振蕩電路而言，Cf的出現意味著振蕩的周期變長而頻率降低。借著計算手指觸碰前后X2導線上的振蕩周期與頻率的改變，PCT控制器因而可辨別出觸碰的位置，甚至還能分辨手指與屏的距離(即提供Z軸信息)。

表面電容式觸摸技術

SCT面板是一片涂布均勻的ITO層，面板的四個角落各有一條出線(UR，UL，LR，LL)與SCT控制器相連接。為了能夠偵測觸碰點的確切位置，SCT控制器必須先在SCT面板上建立一個均勻的電場，這部份工作是由IC內部的驅動電路對面板進行充電來達到。當手指觸及屏時，會引發(fā)微量電流流動;此時IC內的感測電路會分別解析四條聯機上之電流量，并依照圖3中的公式將觸碰點的XY坐標推算出來。為了克服干擾的影響，可以利用硬件濾波器或軟件濾波器對推算出的坐標值進行處理。

PCT與SCT兩者最大差異在于，PCT有機會實現多點觸摸(Multi-touch)，而SCT僅能達成單點觸摸(Single-touch);依此看來，PCT似乎優(yōu)于SCT，但是事實上并非全然如此。

PCT工作原理并不復雜，因此要提供一個示范性的原型展示并不困難;然而，當工程師們試圖將PCTDemoSet轉換為量產計劃，準備大量復制時，各種技術挑戰(zhàn)便紛至沓來了。主要的挑戰(zhàn)包括以下三個方面。

待偵測的信號微弱(做成粗宋)易受環(huán)境影響而變得不穩(wěn)定，導致觸摸功能的靈敏度不一致，甚至可能有誤動作產生。因觸碰而產生的電容變化實際上極容易受溫度與濕度影響，目前常用的對策是采用定時自動校準來克服此問題。另外，正使用的其他電器或產品本身其他功能(如手機的RF)都會對信號量測造成干擾。這部份就得從提高SNR下功夫，以軟件或硬件的方式來達成;截至目前為止，IC設計業(yè)者在這方面仍有努力空間。

量產良率有待提升(做成粗宋)PCT技術先天具備多點觸摸的優(yōu)勢，因此自iPhone問世以來，幾乎所有的焦點都放在PCT上，觸摸業(yè)界包括觸摸屏廠商、IC設計公司與方案開發(fā)商均投入極大的資源進行開發(fā);但直到今日，市場的PCT商品仍然不多，問題就在于整體生產良率仍然不高，使得成本居高不下所致。而造成良率不高的原因有：現有PCT控制器仍不夠成熟，在不同應用環(huán)境下的自我調適能力仍不足，因此觸摸菜單現不穩(wěn)定，在此情況下只好對PCT面板的特性(如：面板之內阻值與電容值等)加以嚴格設限以減少變數;由于PCT控制器的能力限制，對PCT面板特性一致性的嚴格要求往往是造成良率低落的主因。