手机电容触摸屏技术简介

   电容式触控技术中误触与侦测手指座标位置所产生的鬼点(Ghost Position)问题，一直难以突破，为解决上述问题，提供用户更佳的使用者经验，电容式触控IC厂商纷纷从自电容(Self Capacitance)转向新的互电容(Mutual Capacitance)技术发展。

    爱特梅尔触控技术事业群策略行销经理黄添华表示，看好互电容技术可解决头痛的鬼影问题，目前多数电容式触控IC研发厂商已开始投入研发。 

    针对互电容技术的原理，爱特梅尔(Atmel)触控技术事业群策略行销经理黄添华解释，互电容技术不采用菱形蚀刻，而是方形矩阵，同样也有X与Y轴，但与自电容技术不同的是，互电容技术的X轴用于发射讯号，Y轴则为接收讯号，亦即当手指碰到触控面板时，X轴发射的讯号可感测手指的位置，再透过Y轴传输此单一座标予控制器。

    同样耕耘电容式触控技术的赛普拉斯(Cypress)，也已开始研发自电容技术，该公司亚太区大型触控萤幕产品行销经理Nathan Moyal表示，虽然电容式触控技术有其相当的优势，但鬼影一向是电容式触控技术为人所垢病之处，尤其在多点触控应用时，鬼影的问题将更严重，而互电容技术运作时仅有一条X、Y轴有动作，且即使是双层或单层ITO设计，皆仅利用同一层的X、Y轴发送或接收讯号，此种单向讯号的传送，并不会产生鬼点，因此演算法也毋须过滤错误的手指座标。

    过去自电容触控技术侦测手指位置的方式为，利用氧化铟锡(ITO)上的X与Y轴，同时发射与接收讯号，取得手指可能的座标位置后，再透过演算法排除鬼点，黄添华指出，单手触控时，并不会有鬼点的问题，但两指触控时，触控控制IC一开始会接收到四个触控点座标，此时演算法即扮演重要角色，须要正确的将手指的位置算出，才能针对使用者的手势有效作出应有的应用反应。不过，消费者对于触控萤幕的反应时间要求，往往让自电容技术的演算法无法短时间辨别手指正确位置，因而造成误判，互电容技术则除了鬼影问题的避免外，在使用者手掌贴近或握住控装置时，所产生的误动作，也可避免。

自电容和互电容两种屏的工作原理
随着iPad，iPhone的风靡全球，电容屏必将引领时尚！电容屏以他的超强灵敏度，多点触摸功能，以及手指直接操作特点受到潮流一族的热烈追捧。基于以上特点他的游戏体验感受将更加真切。操作界面以及操作方法更加人性化和个性化。由于这项技术还很新，很多初入行的朋友经常会问到电容屏的种类，以及区别之类的问题。甚者有一些初涉此行的朋友只知道有电容屏，却不知道还有手势和多指之分；自电容和互电容之分！
投射电容屏触摸检测原理
投射电容屏可分为自电容屏(Self Capacitance)和互电容屏(Mutual Capacitance)两种类型。

对于自电容屏来说，在玻璃表面用ITO(一种透明的导电材料：氧化铟锡)制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是通常所说的自电容，也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加(这个仅是自电容的场景如此)。在触摸检测时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。自电容的扫描方式，相当于把触摸屏上的触摸点分别投影到X轴和Y轴方向，然后分别在X轴和Y轴方向计算出坐标，最后组合成触摸点的坐标。如果是单点触摸，则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的；如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，则在X和Y方向分别有两个投影，则组合出4个坐标，检测就有问题了，如下图所示，很明显这种投影的方式不适合于多点触摸！。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的”鬼点”(ghost position)。因此，自电容屏无法实现真正的多点触摸。

图示：鬼点（无法分辨红点还是蓝点为真正的触摸） 

对于互电容屏来说，它也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极，它与自电容屏的区别在于，两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。

识别手势方向

　　多点触摸顾名思义就是识别到两个或以上手指的触摸。多点触摸技术目前有两种：Multi-Touch Gesture和Multi-Touch All-Point。通俗地讲，就是多点触摸识别手势方向和多点触摸识别手指位置。 识别手势方向(Multi-Touch Gesture)，即两个手指触摸时，可以识别到这两个手指的运动方向，但还不能判断出具体位置，可以进行缩放、平移、旋转等操作。这种多点触摸的实现方式比较简单，轴坐标方式即可实现。把ITO分为X、Y轴，可以感应到两个触摸操作，但是感应到触摸和探测到触摸的具体位置是两个概念。XY轴方式的触摸屏可以探测到第2个触摸，但是无法了解第二个触摸的确切位置。单一触摸在每个轴上产生一个单一的最大值，从而断定触摸的位置，如果有第二个手指触摸屏面，在每个轴上就会有两个最大值。这两个最大值可以由两组不同的触摸来产生，于是系统就无法准确判断了。有的系统引入时序来进行判断，假设两个手指不是同时放上去的，但是，总有同时触碰的情况，通过这种方式就无法处理了，ghost position再次出现了（如上面两幅图很形象的描述了鬼点现象）。

识别手指位置

          Multi-Touch All-Point是近期比较流行的话题，synaptics s3202支持同时最大10个手指。其可以识别到触摸点的具体位置，即没有“鬼点”的现象。多点触摸识别位置可以应用于任何触摸手势的检测，可以检测到双手十个手指的同时触摸，也允许其他非手指触摸形式，比如手掌、脸、拳头等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人机接口方式，很适合多手同时操作的应用，比如游戏控制。Multi-Touch All-Point的扫描方式是每行和每列交叉点都需单独扫描检测，扫描次数是行数和列数的乘积。例如，一个10根行线、15根列线所构成的触摸屏，使用Multi-Touch Gesture的轴坐标方式，需要扫描的次数为25次，而多点触摸识别位置方式则需要150次。Multi-Touch All-Point基于互电容的检测方式，而不是自电容，自电容检测的是每个感应单元的电容（也就是寄生电容Cp）的变化，有手指存在时寄生电容会增加，从而判断有触摸存在，而互电容是检测行列交叉处的互电容（也就是耦合电容Cm）的变化，如图2所示，当行列交叉通过时，行列之间会产生互电容（包括：行列感应单元之间的边缘电容，行列交叉重叠处产生的耦合电容），有手指存在时互电容会减小，就可以判断触摸存在，并且准确判断每一个触摸点位置。

图示：互电容检测方式

投射式電容技術推陳出新　智慧手機觸控功能大躍進

2011/7  John Carey http://www.mem.com.tw/article_content.asp?sn=1107080009投射式電容觸控技術發展持續精進，尤其在相關業者結合自電容與互電容感測優點後，包括觸控筆、防水與上方停留物體偵測等先進觸控功能已逐一實現。而為降低觸控螢幕成本，包括感測器層堆疊與鏡片上覆感測器(Sensor-On-Lens)等技術也備受矚目。在現今手機眾多功能特色之中，最為關鍵的就是使用者經驗。當蘋果(Apple)推出iPhone時，把觸控技術推升至全新境界，使用者不必再實際用力按壓螢幕就能執行操控功能，只要輕觸即可。像是雙指移動、縮放螢幕、兩指放開、按移螢幕框、滑動、快速捲頁以及旋轉等功能都變得輕而易舉。搭載互動功能的行動裝置，徹底脫胎換骨。此外，消費者不必再忍受無趣的作業系統環境，如今有應用程式(Apps)讓功能更加多元豐富。  

現今的手機是隨身的神兵利器，能夠拍照、在陌生的地方導航指路、聽音樂、玩遊戲、傳送電子郵件與簡訊，當然還能打電話。5年前，手機必須搭載鍵盤，要不是數字型不然就是QWERTY標準排列的英文鍵盤。隨著觸控螢幕的功能與實用性持續提升，對鍵盤的需求也逐漸消失。當鍵盤的空間空出來後，螢幕的尺寸就能擴大。更大的螢幕直接促進使用者與先進功能間的互動，像是瀏覽網頁、數位攝影、個人化導航及遊戲等。現今大約25%的手機採用3.9吋以上的螢幕，其中70%的機種其螢幕超過3.5吋。預估採用更大尺寸螢幕的趨勢會一直延續，但消費者能接受的尺寸還是有上限，現今最大的手機螢幕接近4.3吋。  

投射式電容觸控現鋒芒 

投射式電容觸控是促成上述所有功能的關鍵技術。電阻式觸控螢幕必須由使用者實際按壓螢幕，最初並沒有支援多點觸控，且這項技術並不支援操控手勢。此外，電阻式觸控螢幕各層材料的透光率不高，導致螢幕亮度較暗，或者被迫得提高螢幕的背光亮度，而犧牲電池續航力。電阻式觸控螢幕本身也是機械式系統，長期使用會有耗損故障的問題。最近才推出的新型多點觸控電阻式螢幕，由於仍面臨許多電阻式技術的問題，且成本不再比電容式觸控來得低廉，因此目前仍未獲得廣泛採納。  

另一方面，投射式電容觸控技術能支援真正的多點觸控功能，再加上操控手勢，造就出順暢且無縫的使用者經驗。整合投射式電容觸控元件的成本亦快速下滑。  

在投射式電容觸控方面，感測手指有兩項主要技術：自電容(Self-capacitance)與互電容(Mutual-capacitance)。電容的定義是指在一個充電並隔離的導體上，其電荷與電位的比值。電容這種電子元件是用來儲存電荷之用。因此，在觸控螢幕設計中量測自電容，也就是量測個別感測器的電容。  

在自電容式觸控螢幕中，觸控面板內含許多網狀排列的感測器。個別量測每個感測器的自電容，晶片就能得到一個系統在穩定狀態的數據。使用者把自己的手指放在觸控面板時，實際上會讓鄰近感測器的自電容提高。這是因為所有並聯的電容會加總在一起。找出所有鄰近感測器的資料，先進演算法就能計算出手指的確切位置，並在手指移動時開始追蹤。  

自電容不適合多點觸控　互電容重要性相形提升 

自電容法成效非常好，因為感測器會把電場投射到很遠處，產生很多訊號。自電容法本身可很快建構，允許採用高切換頻率，且對像是交流電雜訊等訊源有很好的免疫力。但它有一個根本問題。自電容不適合多點觸控。這是因為假性觸控點(Ghosting)的問題，無法明確判斷兩隻手指在螢幕上的位置。若有第三個觸控點，這個問題變得無法解決。  

現今許多作業系統，像是Android與Windows Phone 7，都能支援四隻手指以上的觸控動作，因此智慧型手機必須支援真正無誤判的多點觸控功能，所以互電容才會這麼重要。  

若觸控螢幕晶片擁有相同數量的輸入/輸出(I/O)，互電容掃描能提供更高的精準度，以及全面涵蓋的觸控功能。不同於採用X+Y個別獨立感測器(自電容)的方式，互電容法是量測X與Y軸交會點之間的互電容。這樣會在螢幕上建立X×Y個獨立感測器。在行動裝置領域中，最頂尖的觸控螢幕控制器能提供三十二個感測器通道，達到理想的5毫米感測器間距。在16：9的寬型螢幕方面，應設計成20Tx乘以12Rx的組態，如此會在螢幕上建立二百四十個感測器；若是採用自電容技術則只有三十二個。  

互電容式觸控螢幕會建立一個網狀排列的水平與垂直方向感測器群，很類似自電容式觸控螢幕，但能靈敏反應的不是每條感測器線，實際的感測器是這些線的交叉點。其方法是把感測器設定成Tx或Rx，任何節點的電容Cm為ε0A/d，當中的A是交叉點的面積，d是兩條感測器線之間的距離。在Tx線上傳送電流即可量出Cm。電流會經過Tx感測線，傳到和Rx線之間的交會點，並經由電場跨越到Rx線，之後它會再傳回到晶片。如此精密的Tx與Rx設計法，觸控螢幕能量測出感測內每個交叉點的Cm電容(圖1)。  

圖1 互電容技術示意圖

當手指接觸到面板時，提供另一個供電流傳導的通道，所以不會是所有電流都會經過Rx線路傳回。有些電流會經過使用者的身體傳到地面。因此量測到的數據就會降低。觸控螢幕元件會建立一個觸控面板的熱分布圖(Heat Map)，先進演算法能處理手指位置的資料，並能因應工程師的要求處理多筆觸控資料。  

雖然互電容量測數據較適合支援明確的多點觸控，但互電容得到的量測數據卻遠少於自電容的量測數據。因此若只用一種互電容量測數據，很難支援像是觸控筆等先進功能，這是因為觸控筆傳導至觸控面板的電容電荷量非常少。因此，現今市面上的智慧型手機，凡是附有觸控筆的機種，其觸控筆的筆尖直徑都在3～6毫米之間，這麼粗的筆尖幾乎等同於極小的指尖。這使得使用者很難使用手寫辨識功能，像是書寫亞洲象形文字。  

結合自/互電容優點　實現先進觸控功能 

為何多點觸控式螢幕裝置無法偵測更小的觸控筆？讓我們回頭看電容的簡單公式。電容和面積成正比。筆尖越小，觸控筆產生的電容也越少。在一個無雜訊的環境中，可以提高互電容觸控螢幕的靈敏度，讓它能偵測到直徑更小的觸控筆，但只要出現雜訊(包括來自螢幕、環境以及充電器等)，這種方法就變得不可行，因為雜訊會蓋過觸控筆的訊號。  

要解決這個問題，得用一個能量測自電容與互電容的元件，並能在應用中隨時切換。這種功能讓工程師同時獲得兩種電容的優點：互電容的明確多點觸控辨識，以及自電容的高強度訊號，使用者則能獲得更多好處。  

自電容與互電容量測數據可被視為差動訊號來使用，藉以提供其他先進功能(圖2)。第一種功能是防水，直到最近，智慧型手機仍設法克服重重問題，讓電容式觸控元件能偵測到流汗或潮濕的手指。這種情況等同於螢幕上有雨滴或濕氣的時候。在有水氣的狀況下，互電容技術完全無法運作，因為水會導電。當雨滴碰到觸控面板時，就像是手指按壓一樣，通常手機或平板電腦在這些狀態下使用時會完全當機，因為無法正常地重設基準。運用差動訊號分析技術，大多數先進觸控螢幕控制器能在多種量測模式之間做切換，了解是否有水氣存在，並正常追蹤手指位置。  

圖2 結合自電容與互電容

偵測上方停留物體(Hover)是觸控世界的最新技術，目前正快速普及化。要提供上方停留物體偵測的功能，很像是偵測1毫米的觸控筆，必須在自電容與互電容掃描法之間做切換。當手指停留在螢幕的上方，且尚未實際觸碰到螢幕時，這項新技術讓觸控螢幕能追蹤使用者的手指。這項技術讓作業系統能判斷觸碰與按壓的動作。例如，假設使用者在瀏覽網頁，有多個彼此靠得很近的小鏈結圖示，使用者可把手指停留在鏈結的上方，等到出現該區域的放大視窗，然後再觸碰目標鏈結並點選它(圖3)。  

圖3 「上方停留」功能

上方停留另一項值得一提的重點，就是它能搭配三維(3D)螢幕。螢幕技術新出現的一波趨勢，就是不戴眼鏡就能觀看3D行動裝置螢幕的內容。搭配上方停留偵測技術，使用者將能在3D模式下和螢幕進行互動。  

許多手機、應用程式軟體及作業系統的研發者已著手把有趣的上方停留偵測用途整合到未來的新產品，預料這將對手機遊戲的演進產生重大的影響。  

突破系統設計瓶頸　雜訊為首要挑戰 

隨著觸控功能為手機帶來有趣的使用方式，許多系統設計的趨勢也隨之改變。觸控螢幕的典型系統包含一顆晶片、觸控面板或感測器以及把感測器連結到印刷電路板(PCB)的軟性電路板(Flex)線路。  

以往設計者必須把晶片放在軟性電路板上，主要是因為印刷電路板本身有許多物理上的設計限制。在某些情況中，如果不使用軟性電路板，連結感測器與晶片兩端的傳輸線路就得變得更長，並非所有的觸控螢幕都支援加長的傳輸線路。即便有些業者宣稱能解決這個問題，但研發出來的元件體積仍嫌太大不宜放在印刷電路板上。頂尖產品則提供晶片尺寸封裝(CSP)，因此體積小到適合放在印刷電路板上。晶片尺寸封裝控制器的尺寸遠小於球閘陣列(BGA)方案，業界已發展出處理這些封裝問題的主流方案。  

系統面臨許多設計挑戰，它們和投射式電容觸控螢幕一樣複雜，其中最大的兩項挑戰是螢幕與充電器的雜訊。不同螢幕的雜訊不盡相同，但感測器的雜訊就相當一致。充電器雜訊也是一大挑戰。直到手指實際出現在螢幕附近時，這種雜訊才會出現(圖4)。  

圖4 觸控螢幕的充電器雜訊

各款充電器不盡相同，雜訊形態(Profile)也各異其趣。有些充電器會釋出寬頻雜訊，有些在中頻會出現諧波，有些充電器的雜訊高達80Vpp。所有這些雜訊來源，都會讓觸控螢幕控制器誤判為假性碰觸。想要處理這些雜訊來源，須要動用先進硬體與精密的雜訊抑制或規避演算法。值得一提的是，為解決此一問題，許多手機大廠已合力制定充電器的雜訊規格如EN 62684-2010及EN301489-34v1.1.1。  

降低感測器成本　兩大堆疊法備受矚目 

許多研發努力亦聚焦於手機中的感測器。這是因為感測器實際上是觸控螢幕系統中最昂貴的元件。感測器是做在玻璃或聚氧化乙烯對苯二酸(PET)材質的基板上。感測器內部在進行圖形化時，最常用的材料是銦錫氧化物(ITO)。ITO是一種優良導體，透光率極高，透明到用肉眼幾乎看不出來。目前有許多技巧讓它完全透明到看不見，包括利用折射率匹配或假性圖案填補(Dummy Pattern Filler)。新開發的技巧和ITO材料替代品一樣不斷推陳出新，感測器堆疊(Sensor Stackup)通常被鎖定為降低成本的選項。  

傳統堆疊含有兩層，以PET為例，這意味著採用兩層PET。底部的PET包含電路圖案的Tx傳送部分，頂部的感測器層則含有Rx部分，兩層之間使用光學透明膠(OCA)作為接合劑。之後這個感測器在利用同樣的接合劑黏合上覆鏡片，一層電路圖型置為垂直方向，另一層則擺成水平方向。兩兩交叉擺置的元件層，會形成一個平行板電容，每個節點都會單獨掃描。  

這種堆疊很適合搭配PET，但對於玻璃材質就顯得太厚且昂貴。玻璃材質較常用的是雙面菱形(DSD)感測器圖案。這種圖案僅使用一層的玻璃，但在印刷電路板設計上須要用到跨接線(Jumper)，其作用相當類似導孔。這個程序需要一層樹脂作為絕緣層，並會衍生為了玻璃感測器能對準PET感測器的製造成本(圖5)。  

圖5 真正單層感測器

為了壓低感測器的成本，並降低手機的整體厚度，許多原始設備製造商(OEM)很高興看到兩種普及化技術。第一種是真正單層式感測器技術，在這種技術中，感測器堆疊縮減成一個基板層與一層ITO，沒有用到特殊絕緣層或跨接線。要做到這樣的成果，觸控螢幕晶片製造商不僅必須開發獨特的感測器，還得動用精密演算法針對電路圖案的修改進行調整。為配合上述每一種技術，當感測器做成後，必須接合上覆鏡片。這個製程成本昂貴，而且絕不是像用說的這麼簡單。  

第二個關鍵感測器技術是鏡片上覆感測器(Sensor-On-Lens)，通常稱為直接圖案化觸控視窗(DPW)。有別於直接把ITO沉積在另一片基板，許多玻璃製造商採用這種直接沉積到上覆鏡片的堆疊方式。有些手機製造商已經開始運用這種技術進行量產。它能降低系統的成本，並讓手機變得更薄。  

顯示器整合觸控大不易　On-cell/In-cell各有挑戰 

藉由縮減系統的層數，讓感測器變得更薄與更低廉，對於手機製造商極具吸引力，然而許多螢幕廠商正盡全力把感測器整合到螢幕上。如此將簡化供應鏈，同時降低系統成本與厚度。不過，這也將導致設計的彈性受到限制。許多人士預測在未來市場成熟之後，On-cell外掛式與In-cell內嵌式堆疊僅會擁有一部分的市占率。  

兩種主要螢幕整合技術為On-cell與In-cell。兩種技術的定義有些許不同，端看所指的螢幕種類而定，例如像薄膜電晶體(TFT)、IPS(In-plane Switching)及有機發光二極體(OLED)等，然而它們彼此擁有一些相同的原則，On-cell螢幕把感測器層外掛在彩色濾光片上，而In-cell螢幕則整合在底部。  

在一個典型的On-cell液晶顯示器(LCD)中，觸控螢幕感測器層位於偏光板的下方，並位於彩色濾光片的上方。On-cell的主要挑戰是和螢幕耦合後傳入感測器的雜訊量。觸控螢幕必須用精密的演算法來處理這種雜訊(圖6)。  

圖6 On-cell式液晶顯示器

各界相信In-cell觸控螢幕在發展成熟後，將能提供最低成本的螢幕整合觸控解決方案。然而，ITO層置於彩色濾光玻璃的底部，又置於Vcom的上方，這將造成許多問題。首先，Vcom層會形成一個大型接地端，會積聚投射式電容訊號，而且若玻璃層厚度不夠則會降低靈敏度。第二，堆疊會產生大量寄生電容，意味觸控螢幕供應的Tx電流必須夠高。In-cell堆疊由於置於螢幕內部，勢必會面臨許多雜訊的挑戰。觸控螢幕控制器未來將必須處理這些問題。目前In-cell仍處於概念實作階段，尚未有量產的解決方案。  

(本文作者為賽普拉斯TrueTouch產品行銷總監)