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      觸控螢幕技術動態觀察

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      前言:觸控螢幕技術應用,雖然已是多年已有的舊技術,但以應用層面來說,由iPhone與iPod Touch爆發的多點觸控螢幕(Multi-touch)應用。

      前言:觸控螢幕技術應用,雖然已是多年已有的舊技術,但以應用層面來說,由iPhone與iPod Touch爆發的多點觸控螢幕(Multi-touch)應用,才算是將觸控螢幕技術效用,推到極致的關鍵!但觸控技術僅有Apple選用的電容式觸控才有未來?還是螢幕多點觸控技術真的沒有別的選擇?其實現有觸控技術已有電阻、電容、投射電容、表面聲波與紅外線…等5種技術解決方案,但適用行動裝置的技術僅前3種,而這些觸控技術想達到進階應用,或勝於iPhone的多點觸控功效,技術上並不是太大的難題…

      觸控螢幕操控,並不是iPhone或iPod Touch才擁有的特點,早在多年前,觸控螢幕已經廣泛被用於如工控電腦、POS端點電腦、手持式PDA、博奕機臺、嵌入式系統…等電腦設備,這些應用區塊的特點是,多半是應用環境不方便使用鍵盤、滑鼠進行輸入,或是根本就是僅需簡單的按鍵輸入搭配操作,利用觸控面板救能解決一大半的操作需求,待需要進階操控、微調設定時,再利用鍵盤/滑鼠搭配操作。

      早期觸控螢幕技術發展,由於受限使用區塊的用量較少,很難透過大量生產壓低面板成本,搭配的技術多半是利用現有液晶或是CRT顯示器(面板),在螢幕上頭直接加掛觸控控制膜或是觸控感應元件,基本顯示功能很容易因此而減損視覺效果!早期技術 多半選用成本較低的電阻式觸控技術,而電阻式觸控概念整合的觸控技術,容易因為長期使用讓其接觸端點磨損,減損觸控感應訊號處理速度與品質。

      我們對這類觸控螢幕操作,多半會有很不好的使用經驗,例如,觸控輸入和實際感應位置產生偏移?或是觸控壓按螢幕反應遲緩、不明確?甚至是觸控反應時有時無,讓使用者不斷嘗試加大指壓力道!種種的問題,讓舊式設計的觸控螢幕處於不斷被蹂躪、過度操作的現狀下,不僅使用者不滿意,對於整合應用的業者,也儘可能避免整合這類功能,改用如軌跡球、光筆…等另類輸入裝置解決不利使用鍵盤/滑鼠的操控需求。

      改良觸控技術 操作應用更直覺

      目前CE或IT設備,常用的觸控螢幕技術共有5大類:電阻式、表面電容式、投射電容式、表面聲波式與紅外線式…等。前3種技術因為構裝體積較小,精密度相對可以做得較高,因此適用於體積較小巧的隨身行動裝置或是消費性電子上,而就成本而言,電阻式、表面電容式、投射電容式成本並不會太高,不會因為整合這些觸控技術而讓商品成本增加太多。

      至於表面聲波、紅外線…等技術,在感測觸按的精密度表現略遜於電阻式、表面電容式、投射電容式觸控,而且構裝硬體的體積較大,較適合用於顯示區域相對較大,甚至對於觸控相對要求較不精密的大型顯示面板,像是戶外尺寸較大的公眾顯示器、電子白板…等應用場合。

      以目前觸控螢幕用量最多的應用來說,小尺寸的電子商品,可以是選用觸控技術最豐富多元的應用場合,因為觸控技術可以解決過往操控按鍵過多的問題,加速消費者應用資訊產品的學習曲線,甚至提升操作效率與對品牌的正面印象!像是以前1部DV攝影機,少說也要設置20~30種大小操控按鍵,這種設計無疑是把沒有操作經驗的首次購買DV者拒於門外。

      而有了觸控螢幕或觸控介面整合,可以將DV操控按鍵減少一半甚至僅剩10個必要按鍵就能處理整部DV所有操作,而iPhone更把一部至少需要20鍵的行動電話設計,減少到僅需3、4鍵就能搞定,剩餘進階操作全由觸控螢幕取代,這已是新一代3C電腦商品的設計趨勢,沒跟上潮流就會被是場所淘汰。

      電阻式觸控螢幕

      電阻式觸控螢幕,在技術原理上或許不能全然以「觸控式」螢幕來稱呼!因為電阻式的技術原理是利用散布於2片透明薄膜的導電端點,透過螢幕表面的壓按動作,去偵測這些端點的導電或是斷電狀態,導電點即為對應的觸控點!

      就技術原理來觀察,其實電阻式觸控更像螢幕布滿一堆開關,就技術實際應用面觀察,對於觸控應該更像是手指接觸或是還沒接觸前,就能感應到手指在螢幕前的位置才更為精確!但電阻式觸控技術畢竟還是能完成「類觸控」的操作體驗,而且此技術也是目前成本較低、使用最廣泛的觸控技術。
      電阻式觸控螢幕,是採2層鍍上有導電能力的ITO(銦錫氧化物)的PET塑膠膜,PET本身具有一定程度的透明度與耐用度,而2片ITO間設有微粒支點,避免未壓按螢幕時讓2層ITO保有一定的空氣層,讓ITO間能有一定處於Off未導電狀態的空氣間隙,而當操作者利用指尖或是筆尖壓按螢幕表面(PET膜外層)時,壓力將使PET膜內凹,使得2層ITO因變形而使銦錫氧化物導電層接觸導電,經由偵測x、y軸電壓變化換算出對應的壓力點,完成整個螢幕觸按處理機制。

      目前電阻式觸按技術,已知有4線、5線、6線與8線版本,當線數愈多,代表可偵測的觸按面積和精密度相對提高,這些觸按資訊也會送至微處理器運算、執行,因為此技術成本低廉,目前已大量用於電子商品上!

      觀察電阻式觸按技術可以發現,觸按重螢幕觸發到觸控點偵測運算、完成,技術上有物理條件上的限制!怎麼說呢?電阻式技術想要增加偵測面積、解析度,最直接的方法就是增加線數,但線數一拉高就代表處理運算資料相對增加,對處理器將是一大負擔,為提升效能成本也是問題。

      而觸按機制確認主要是由機械式的動作完成,PET膜再怎麼強化材質提升耐壓、抗變形、耐磨條件,畢竟還是有其極限,如此一來會造成透明度會因使用時間、頻率增加表現愈來愈差,至於觸按點偵測也會因經常性觸點就那幾處,造成特定區過度使用磨損,減低銦錫氧化物導電層接觸導通效率。
      此外,電阻式觸控另有其物理性不利條件限制,例如ITO膜一定要預留邊框,限制工業設計上的可選擇性,觸控螢幕厚度、光學效能不足,另無法達到近側偵查(手指靠近偵測未觸按狀態),與技術較難處理多指觸按要求,都限制了電阻式觸按技術的未來應用條件。

      表面電容式(Surface Capacitive)

      表面電容式觸控技術,是利用具金屬邊緣的平板銦錫氧化物ITO,透過電場感應方式感測螢幕表面的觸控行為進行。由於電場幾乎布滿整個銦錫氧化物表面,當手指觸壓螢幕時,它會從面板側發出電荷,由於電荷感側是由四處同時進行,因此觸控面板不用使用高精密度的銦錫氧化物模板,就能完成整個觸按點觸發、定位、輸出…等程序。

      運用表面電容式觸控技術,最具標竿的是Microtouch(目前為3M)擁有的電容觸控專利,這類型的觸控螢幕是William Pepper發明,並於1978年申請取得專利。

      但表面電容式並非完美的觸控解決方案,雖然表面電容式不須使用銦錫氧化物模板,而且也有電阻式觸控沒有的近側感應效果,但實際上,電容式觸控卻有「手影效應」的問題存在!

      所謂「手影效應」是指,當操作者在表面電容感應式觸控螢幕進行操作時,若操作者將手腕與手指一同靠近螢幕表面,會使得銦錫氧化物模板表層,面板側發出過多電荷,使電容產生耦合導致大量感側錯誤,因為表面電容螢幕是同性質的堆疊設計。

      在這種狀況下,會使真正的偵測觸點訊號與錯誤的偵測觸點訊號產生混淆,讓真實的觸點訊號與錯誤的訊號同時出現在3個訊號區間,錯誤的訊號致使真實觸點偵測無法被正確識別出來,若錯誤訊號無法有效抑制,將使整個觸按、偵測、輸出座標訊息過程,出現許多出乎意料的訊息狀態。
      除「手影效應」外,表面電容式也有一些應用上的限制!由於是透過螢幕表面電場變化進行觸點偵測,使用環境若電磁干擾問題較多,就會因此影響偵測觸點的精密度,而長時間應用後,觸點偵測也容易產生偏移,因此需要定時或是經常性校準。

      比較新穎的做法,雖然同樣也是利用透明電極與人體間結合產生的電容變化,從而產生的誘導電流進行偵測觸點做表,但透過面板感應區4個角落產生,在面板表面形成均勻電場,手指觸動時電場引起的電流由控制器偵測4處流強弱比例,換算出觸點位置,透過控制器強化錯誤訊號抑制技術,將表面電容式觸控技術的實用性大幅強化。

      表面電容式觸控技術,由於不用使用高精密度的銦錫氧化物模板,製造成本可壓低,利用電場感應可以在觸按者接近螢幕前,即處理近側感應偵測,這對操作UI使用效率而言,可以增加消費者使用產品的正面體驗。

      甚至於,由於表面電容式觸按感側沒有電阻式的機械結構,因此不會有磨損、ITO層出現類似機械疲乏的觸按靈敏度下滑問題,利用控制器即可調整面板對於觸壓信號的處理靈敏度設計,對面板的使用壽命也有強化效果。

      投射電容式(Projective Capacitive)

      投射電容式觸控技術,根基的技術原理依舊還是以電容感應為主,基本上仍是電容是觸控面板的延伸應用觀念。技術上是利用經嚴謹設計1個或多個蝕刻後的銦錫氧化物模板,增加數組(組數愈多感測精度與豐富度相對較高)存在不同平面、同時又相互垂直的透明導線形成類似x、y軸驅動線而構成。

      而這些導線都是由電容感測晶片控制,當電流經驅動線驅動其中的導線時,與偵測電容值變化的導線相通,控制晶片依序輪流下載偵測電容值變化資料至主控制器,確認觸點位置後,由於透明導線早在面板形成3維電場,因此觸點的近測感應不須觸按螢幕即可發生,甚至此技術可以做到z軸感應分辨應用。

      投射電容式若用較簡單的說法,可以說是根據螢幕表面的x、y軸電極訊號分布改變狀態,進而計算出螢幕表面實際觸點的交叉幾何座標,目前此技術已知已可在5mm厚的面板達到1,024 x 1,024觸點偵測解析度。

      Apple的iPhone讓觸控面板產業重新被重視,以往觸控面板控制器技術,多以「4線電阻式」技術為主,而iPhone改採投射電容式技術觸控面板,讓觸控行為偵測更細緻,由於具近場偵測與較高的靈敏度,亦可避免刮損及螢幕破裂問題。

      據isuppli預測2008年全球觸控手機,仍以電組觸控技術為主,產值可達4,900萬美元,預估2012年將達6,500萬美元;投射電容式觸控技術,2008產值雖只有1,000美元,佔整體市場17%,isuppli估計,2012年投射電容式產值將突破2千萬美元,市場比重躍升至23%。

      投射式電容擁有支援多點觸控優勢,只需指腹輕觸無須使用觸控筆,擁有更高螢幕透光率,整體功耗將更省電,增加使用壽命且無需校正…等優點,電阻式龍頭地位將備受挑戰。

      電容式觸控的未來挑戰

      分析觸控技術的未來發展,即便電阻式觸控5年內仍佔有市場超過5成市佔,但電容式感應觸控技術擁有更高的感測效果與耐用特性,將逐步侵蝕電阻式感測的市場,甚至有超越的跡象,而在電容式感測技術市場不斷擴增,在面板、ITO技術、控制器…等多方條件不斷提升、改善,成本也可因此壓低,取代電阻式觸控感測的機會相當大。

      但電容式觸控仍有許多值得關注的問題!LCD本身非??拷熷a氧化物模板,新的技術甚至直接將兩者做在同1個真空堆疊,形成整個面板模組,而為了達到觸點偵測功效,銦錫氧化物模板不斷地掃描像素,會造成持續散發干擾範圍達20khz的干擾訊號。

      常見整合製作的實例中,都會在LCD與銦錫氧化物模板間增加屏蔽層設計,這代表著這類整合實例多半至少要有3層式設計(2層分別為x軸、y軸感應,1層為屏蔽層),造成成本提升是無可避免的結果,甚至也會影響電容感測原本的高透明度優勢。

      值得注意的是,電容式感應技術已有廠商開發出不用屏蔽層的單層銦錫氧化物模板整合結構,使用單層銦錫氧化物(ITO)能大量降低成本,也不會影響面板透明度,讓整合觸控技術的面板堆疊厚度更薄,甚至也有降低背光光亮的特性,單層結構對於量產成本、產品良率、應用條件各方面都有相當大的好處。

      除了零組件層面問題外,在應用層面的另1個熱門重點,就在於電容式觸控的「多點觸控」應用!由iPhone引發熱潮的應用技術,但為了達到多點觸控要求,對於銦錫氧化物的ITO層設計也必須進行調整。

      表面電容式感應由於使用同質感應層,螢幕上的所有觸點信號混合在1個較大信號中,同質層已損壞太多信號,因此無法回報多點觸點資訊,即便是單端變異也不能區隔2個觸點上的差異,更無法進行個別觸點追蹤。

      但2層式投射式電容觸控技術,就可以分辨1個以上的接觸點,當觸點在螢幕上移動時,也能進行獨立觸點追蹤,第3個感應層可以處理模糊不清的觸點狀態,但相對製作成本就會因此增加!

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