發布日期：2022-10-09 點擊率：47
一前言：電子設備發展史，鍵盤、鼠標與觸摸板出現，解決輸入控制問題。不過，對初學者而言，學會使用這些輸入接口門坎相當高，而且所占空間不小，例如，筆記本電腦或手機一半體積都被鍵盤占據。若能省下鍵盤空間，自然能提升產品可移植性，最可行的方式，就是直接于面板以觸控方式進行操作。
觸控技術發展，其實已行之有年，然而，自去年iPhone推出，為觸控市場投下了1枚震撼彈，電子產業了解到，觸控屏幕并非只是小眾市場，其實足以成為主流輸入接口。iPhone證明好的觸控接口，確實能取代大多數鍵盤功能，并賦與用戶更直覺、便利的操作體驗；以更大的面板替代鍵盤，還能設計出更輕薄、時尚造型；加上完全采用固態面板技術，不需擔心鍵盤、滑輪…等機械零件故障問題。
上述這些優點，其實早就存在，為何到現在才看到iPhone在市場脫穎而出？這是供需上的時勢所趨。今日手機內建功能愈來愈復雜，尤其是智能型手機，iPhone貼心的觸控接口，讓智能型手機有機會贏得更多人的青睞。多點觸控功能出現，造成使用接口的新革命，用戶能以更直觀的方式使用產品。
然而，有需求而沒技術，仍只是空談。在中小尺寸面板的手持式市場上，一向是電阻式觸控屏幕的天下，但iPhone改采投射電容式技術實現多點觸控功能，讓大家將注意力轉移到新的觸控技術。除iPhone，還有LG Prada手機、iPod Touch、Samsung Yepp YP-P2媒體播放器…等，都采用投射電容式觸控技術，可見此技術已從小眾走向大眾市場。
表面電容式技術&電容式觸控技術，是透過手指接觸觸控屏幕造成靜電場改變進行偵測，其中單點觸控電容式技術，其實已相當成熟，也就是表面電容式(Surface Capacitive)。此技術架構較單純，只需1面ITO層即可實現，而且此ITO層不需特殊感測信道設計，外圍只需接4條訊號線和接地線即可，生產難度及成本都可降低。運作架構上，系統會在ITO層產生1個均勻電場，當手指接觸面板會出現電容充電效應，面板上的透明電極與手指間形成電容耦合，進而產生電容變化，控制器只要量測4個角落電流強度，就可依電流大小計算接觸位置。表面電容式技術雖然生產容易，但需進行校準工作，也得克服難解的EMI及噪訊問題。最大的限制則是，它無法實現多點觸控功能，因電極尺寸過大，并不適合小尺寸手持設備設計。
圖說：表面電容式觸控工作示意圖。(Synaptics)" 投射電容式技術; 投射電容式(Projected Capacitive)技術是實現多點觸控的希望所在。相較于表面電容式，投射電容式采單層或多層樣式化(patterned)ITO層形成行/列交錯感測單元(sensing element)矩陣。如此一來，整個使用生命周期中，不需透過校準就能得到精確觸控位置，而且可以使用較厚的覆蓋層，也能做到多點觸控操作不過，在設計上的難度也提升許多，以布線來說，采投射電容式的手機面板，至少需要接15條線。
就技術原理，有2種方式可實現投射電容式觸控感測，一種是自電容型(self capacitance，也稱absolute capacitance)，另一種為互電容型(mutual capacitance，也稱transcapacitance)。自電容型是指觸控物與電極間產生電容耦合，并量測電極的電容變化確定觸碰發生；互電容型則是當觸碰發生，會在鄰近2層電極間產生電容耦合現象。
根據這2種原理，可以設計不同的投射電容式架構，不同架構能做到的多點觸控功能也就不同。多點觸控其實可細分為2種：一種是手勢辨識追蹤與互動(Gesture interaction)，也就是僅偵測、分辨多點觸控行為，如縮放、拖拉、旋轉…等，實現方式為軸交錯式(Axis intersect)技術；另一種則是找出多點觸控個別位置，此功能需采復雜觸點可定位式(All point addressable；APA)技術才能達成。以下將介紹這2類技術作法：
軸交錯式'軸交錯式(又稱Profile-based)技術，是在導電層上進行菱形狀感測單元規劃，每個軸向需要1層導電層。以2軸型式為例，觸控偵測時，感測控制器會分別掃描水平/垂直軸，產生電容耦合的水平/垂直感測點會出現上升波峰(peak)，而這2軸交會處即正確觸控點。由于每次量測為利用單導電層與觸碰物電容耦合現象，因此屬自電容型技術。
@軸交錯式電容式觸控技術，其實正是筆記本電腦觸摸板(touch pad)的實現技術，技術相當成熟，但觸摸板與觸控屏幕最大差異在于，前者是不透明、后者是透明的。因為不透明，所以觸摸板可在感測區使用金屬或碳原子式電極。投射電容式觸控屏幕則是透明的，因此需采透明ITO做為導電電極，而且此層ITO不像電阻式或表面電容式是均勻導電層，而需要做樣式化設計。 單點觸控應用上，軸交錯式能得到確切觸控位置，因此不像表面電容式需經校準修正。透過一些算法，軸交錯式也能做到多點觸控手勢辨識功能，但若要定位多點觸控正確位置會有困難。以2軸的掃描來說，2個觸控點分別會在X軸與Y軸各產生2個波峰，交會起來就產生4個觸點，其中2個點是假性觸控點(Ghost point)，這將造成系統無法進行正確判讀。
不過，仍有方法能解決多點定位問題。在2軸式觸控屏幕中，可以利用2根手指觸控時間差分辨前/后觸點，或以觸點的不同移動方向辨別。此外，也可增加軸向提高可辨識觸點位置、數目，每增加1軸向可多辨識1點(如3軸可辨識2點、4軸為3點)；不過，每增加1個軸向，就要多1層導電層，這會增加設計的觸控面板厚度、重量與成本，這都不是可攜式產品樂見的結果圖說：多點觸控時，軸交錯式會產生假性觸控點 所有觸點可定位式的作法能辨別觸控點確切位置，可以說是理想多點觸控解決方案，但其技術實現上，不論是導電層規劃、布線或CPU運算，難度都提高許多。這類解決方案目前有2種作法，一種是獨立矩陣感測單元(Independent-matrix sense elements)，它只有1層透明的電極矩陣；另一種是交錯矩陣感測單元(Intersection-matrix of row and column sense elements)，它由2層相互隔離水平(列)及垂直(欄)導電層組成交錯矩陣。. 獨立矩陣感測單元'應用上，2種作法都能得到確切的多觸控點，因此感覺上并無太大差異，但實際建置技術上，獨立矩陣感測單元復雜度相當高，仍不是理想作法。獨立矩陣式每個感測單元都需與控制器相連，因此分辨率要求愈高，布線就愈復雜。以1個10x10矩陣，就需要有100條連接控制器的感測線。顯然地，獨立矩陣式需采多腳位、高運算能力控制器/處理器處理復雜矩陣感測數據，也需更大容量的RAM內存做為暫存區，此外，掃描時間也會拉長。然而，即使解決這些問題，面板制程仍有難解議題：由于ITO導電層并不能穿孔，再將線路從外部連結到控制器，因此訊號線必然得與感測單位布置在同1層空間，這就會擠壓到感測單元的可感觸面積，而縮小面積意味靈敏度會下降；此外，鄰近走線也容易造成電容泄露問題。
7圖說：獨立矩陣感測單元架構圖交錯矩陣感測單元相較獨立矩陣感測單元，交錯矩陣感測單元是比較合乎商業要求的解決方案。iPhone即是采用此種架構的觸控技術。主要架構是2層導電層，其中1層為驅動線(driving lines)，另1層為感測線(sensing lines)，2層的線路彼此垂直。運作上會輪流驅動1條1條驅動線，并量測與這條驅動線交錯的感測線是否有某點發生電容耦合現象。經逐一掃描即可獲知確切觸點位置制程上，交錯矩陣式能解決自電容式面臨的復雜繞線問題，不過，要逐一掃描欄列步驟，仍然是相當耗時的工作。由于每次全面板掃描中，多數時間是花在非觸控區，因此，其實可透過更聰明的方法加速掃描，例如，透過回歸式(recursive)作法，也就是1次只掃半區，若沒找到，再將另外半區對切1半掃描，逐漸逼近方式來加速找到觸點位置。
交錯矩陣式雖制程上較可行，但其運作負荷與獨立矩陣式是相同的，因此也需采更強大的處理器。以iPhone來說，它就以2顆獨立芯片分擔這項工作，1顆是感測控制器，將原始模擬感測訊號轉為X-Y軸坐標；另1顆則是ARM7處理器，專門用來解讀這些數字數據，辨識用戶手勢動作，并作出相應功能。
此外，交錯矩陣式也需面臨一些設計挑戰，例如，需要供應高電壓才能得到較好的噪訊比(SNR)表現。此外，其導電層作法雖能克服自電容走線問題，但本身電路仍存在極大電阻值，這會影響充/放電速度。尺寸愈大，沖擊愈大，因此，并不適合在大尺寸面板使用此類觸控技術
圖說：交錯矩陣感測單元架構圖。比較軸交錯式和APA，前者所需運算資源會少許多，內存不需太小(小于1kB即可)；后者因復雜許多，運算要求也會非常高，內存要求也高(需數kB)。兩者同樣能實現多點觸控偵測，但軸交錯式較難做到多點解析，除非采獨特軟件后處理技術，相較APA就能做到多點解析要求(請參考表1)。其它可行多點觸控技術實現多點觸控功能，投射電容式并非唯一可行技術。早在2005年紐約大學的Jeff Han博士就已實機展示多點觸控的有趣應用。該實驗室研發了1種稱為受抑全內反射(frustrated total internal reflection；FTIR)光學感測技術，可用多手指在桌上型屏幕進行繪圖和多點操控。其技術架構是用背投方式將畫面投射于屏幕上，再將 LED光線打入壓克力板，利用光線碰到指頭產生散射抓取正確位置。
微軟Surface計算機則利用類似原理達成多人、多點觸控感測。Surface是1個表面安裝30吋觸控顯示器的工作臺，在這層防刮、防水面板下，隱藏多臺紅外線攝影機，可感應手指或其它碰觸表面對象；另有1個DLP投影機側放，投放用戶可看得到的影像。Surface最多可同時感測52個觸點，因而支持多人同時操作，而且還能自動識別放置于屏幕上的物體。不過，它售價高達1萬美元，目前要求市場是飯店、餐廳、零售點和賭場游戲桌。圖說：Jeff Han發明的FTIR多點觸控技術。圖說：微軟的Surface技術。
結論除投射電容和影像感測方式外，還有不少觸控感測技術可實現多點觸控應用，或正朝這個方向努力，如IR Matrix、Imaging LCD(Matrix)、IR Waveguide(Matrix)…等。就如Apple所要求的：「手指是萬能的」，為避開專利障礙，未來可望見到更多多點觸控技術，甚至直接內嵌在顯示器LCD面板當中。然而，投射電容式仍是小尺寸手持設備較可行的多點觸控解決方案。在過去，電容式主要用于大尺寸面板，今日要取代電阻式置于小尺寸面板，系統業者必須學習解決電容式觸控的設計議題。就環境因素觀察，EMI是常見的設計挑戰，在訊號復雜的手機中，又顯得更為困難；天候變化也是不容忽視的因素，不同溫、濕度或下雨狀況，都會影響觸控感測正確性。此外，電容式是使用手指進行觸控，設計者也須考慮使用者手指大小，感測單元夠大，正確性就會提升，但相對就會犠牲分辨率，因此，必須在正確性和分辨率間取得平衡點。以人的手指來說，感測單元約介于6~10mm間。還有一些設計議題，例如，該選擇玻璃或PET做為基板，及偵測訊號輸出后的處理架構該如何規劃…等。
投射電容式觸控技術可望在手持面板應用中愈來愈普及，但現在仍處于摸索階段，從制程到軟/硬件技術，還有不少挑戰待克服。
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