中、小尺寸行動裝置的電容式觸控設計方案
編輯：詩玉 [ 2011-4-8 9:06:40 ] 文章來源：數字標牌網
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中、小尺寸行動裝置的觸控屏幕解決方案，其實就是相當單純的混和信號處理技術的考驗，尤其在手指與觸屏之間的噪訊與實際訊號的些微差異，如何用最佳化、最具效率的偵測效果與最能壓低成本的產制技術，提供最佳的產品體驗與維持較低的裝置成本，特別是電容式觸控搭配顯示屏的軟體加持，可以一舉取代實體按鍵的設置方式，提供更富彈性與多元變化的使用者操作體驗，實際的成品效果更可讓終端產品在同質商品間凸顯其前衛的設計成果，此也成為各大硬體廠商爭相導入相關設計的重要關鍵...
以往實體開關、按鍵的設計方案，產品設計必須考量的按鍵處理多半較為單純，頂多必須處理按鍵(鍵盤)接點的彈跳、噪訊處理，去控制輸入訊號轉換數位化后相對干凈俐落的內容值或狀態值的轉換，因此早期的電子商品尤其喜愛各式實體按鍵設計。
Android兼具開放授權、透明架構、容易取得多項優勢，可讓硬體開發商專注于硬體專業，依循軟體需求開發最佳行動裝置產品。
大屏幕的平板裝置，在視覺娛樂體驗相對較佳，但也必須在電源管理與觸屏設計更加重視使用者體驗。motorola
但實體按鍵的設計，仍有許多物理性的考量，例如，實體按鍵即便有效縮小按鍵體積，也具備一定程度的尺寸，而實體按鍵會有按鍵彈性疲乏、接點氧化...等問題需改善，按鍵若為開放性設計，使用裝置環境的水氣、灰塵也會出現影響開/關偵測的訊號穩定性，在按鍵的處理靈敏度、可靠性都會呈現相對較低的問題。
實體按鍵的尺寸在面對產品集積化(小型化)的演進過程，也成為產品開發的一大限制！例如，對于行動裝置需要的輸入鍵盤需求，若以實際按鍵的標準101鍵鍵盤設置，肯定會讓產品的重量、厚度、成本相對增加，而產品還未享受到搭載實際鍵盤的效益前，硬體開發商就必須面對零件成本的問題，即便新一代的設計采取模組化按鍵或是薄膜按鍵以改善設置體積與成本問題，但這類按鍵也會面臨按鍵使用耐用度與觸按體驗較差的物理限制問題。
Apple的iOS Device產品設計概念，以顯示觸屏去解決大量的按鍵需求，在市場上獲得消費者的青睞，不只是利用顯示觸屏帶來的效益，更多的消費性電子，如DV、DC、NB也大量采行非顯示的電容式觸按開關，逐一取代實體開關與按鍵，讓產品的外觀設計朝向更簡潔的方向。
電容式觸控方案已使用多年
實際上，電容式觸控方案，在觸按傳感器的廣泛使用方面，已發展多年，也散見于各種電子裝置的設計中！尤其是近期采混合信號的可程式化元器件開發設計，讓電容式觸控傳感器成為取代各種消費電子產品機械式開關的一大關鍵，讓產品設計增添實用性價值與更多額外效益。
典型的電容式傳感器設計方案，觸按面的產品設計一般要求覆蓋層的厚度必須低于3mm以下，因為越厚的覆蓋層將會導致觸按訊號偵測劣化，造成裝置誤判觸按訊號，讓裝置出現失誤的問題增多。新的消費性電子設計，為求機構的強度要求，或產品的設計方案要求(例如整合顯示屏)，讓覆蓋層的厚度持續增加，此會讓觸按控制IC進行手指電容的觸按偵測過程變得越來越困難與復雜，尤其增加了更多處理信號的環境變數。
換句話說，隨著產品的覆蓋層厚度持續增加，對于觸按的傳感系統，也必須經過系統的對應調整，尤其是對于終端產品的開發需求，要求的是開關表現的穩定性與實用性，如何制作一個能提升電容觸按偵測的高精確度電容式傳感器，成為整合終端應用的一大關鍵。
電容式觸控必須克服厚度的傳感限制
除了3C產品外，大量的觸控設計方案被應用于家電設計中，尤其是白色家電的相關應用里，常見的狀況是機構設計為了要求裝置在強度、耐用度方面的提升，在觸按區必須采取較強固的設計方案，例如厚達10mm的強化玻璃或是ABS塑膠件，雖然對于手指電容的感測，玻璃或塑膠介質對物理電容感應并不會產生太大影響，只要不是金屬或金屬鍍層問題，都算是可以接受的介質選擇，但覆蓋層的厚度劇增即造成手指電容的偵測難度提升，因為表面電容的反應數值變得更加微弱，觸按傳感器的偵測結果還必須克服環境雜訊的問題。
觀察最簡單的電容器設計，由簡單的兩片平行板電容器，具備兩組導體，在導體之間隔著一層電介質，此系統中絕大部分的能量會直接聚集在電容器的導電極板間，少許能量會泄露于電容器的極板以外空間。 而所有電容式觸摸傳感系統核心設計，多是由一組與電場相互作用的導體組合而成，在人類的皮膚下面，人體組織充滿可傳導電解質，此為手指的導電特性，這也讓電容式觸控方案成為可能被實踐的基礎原理。
實作電容觸控傳感器
實作電容觸控傳感器的關鍵問題在于，需要設計一組預先印制的導線板，將前述電容效應引導至有效感應區域之中。由手指所產生的額外電荷儲存容量，即已知之手指電容，相對無手指觸摸的傳感器原有電容(寄生電容)，兩者會有些微差異，而常見電容式傳感器的誤解是，裝置為使系統正確運行，手指必須呈現接地才能讓整套機制順利運作？實際的狀況則是，手指能夠被偵測的關鍵在于手指本身即帶有電荷，此與手指是否有接地或是懸空完全沒有關系，影響程度亦不大。
若以電容觸按的虛擬按鍵設計，采取10~15mm直徑的方式設置(此為指尖觸按的平均表面積)為例，多數電路的組裝PCB會整合5~10個觸點虛擬按鍵，在實際設計中，每組按鍵必須有均勻間距，虛擬按鍵過近則必須考量間隙的預留尺寸設計參數，若按鍵間的間隙尺寸設置過小，將造成過多的電場能量直接傳遞至接地端，尤其在面對較厚的覆蓋層時，間隙的設計參數就必須經過實驗反覆測試以找出最佳參數。
性能測試重點
電容觸按設計要取代傳統機械按鍵的關鍵，就在于操作體驗是否能達到穩定、無誤的狀態，此必須在產品開發階段進行更完善的性能測試，例如，開發階段可以利用一個終端產品的仿真設計模型進行大量測試，透過實驗模型擷取差分計數，再藉助數位繪圖即時檢視觸按狀態。
實際進行實驗測試性能時，以前例設計方案為例，可以將手指放置于預設較厚的覆蓋層上方，并持續2~3秒的觸按時間，虛擬電容觸按按鍵的開/關狀態，即時被累加于計數器，實驗進行中可以針對按鍵的輸出訊號，檢視能否在按鍵開/關兩種狀態間俐落轉換，即便發現增厚的覆蓋層進行檢測出現較大噪訊時，也必須維持較佳的觸按訊號反饋。
導入電容觸按設計的實質效益
電容觸按設計與機械式開關比較，會發現電容觸按設計有相當多的優點，尤其是基于電容原理的觸按傳感器耐用性相當好，具不易損壞的特性，并可獲得較長的使用壽命表現，不像機械開關在后期會有較大按鍵彈跳、故障等問題，尤其是現今混合信號處理搭配可程式化的控制IC技術整合，使觸按式傳感器的導入效益持續提升、成本持續降低，并提高電路靈敏度與可靠性，是取代機械式開關元件的首選替代方案。
基于顯示屏的電容式觸按技術趨勢
過去很多LCD模組都采行電阻式觸控屏設計，這類觸控屏設計將螢幕的面積等效于物理位置而進行X、Y軸座標轉換，控制IC的輸出為將螢幕表面ITO的觸點座標電壓值傳回進行座標換算，常見的有4、5、7和8線觸控屏設計，但實際上電阻式顯示觸控屏設計方案的物理限制較多，如顯示效果因ITO較多影響視覺效果，實際電阻式觸屏的基礎原理也是透過機械原理達成，會容易出現觸按反應疲乏、使用壽命也較低的問題。
基于電容式設計方案的顯示屏觸控技術，與目前市占率較高的電阻式觸控技術相比，其實為使用者帶來更多優點，例如，高達97%穿透率、更真實的色彩呈現、螢幕的觸控功能僅需輕觸即可確認觸點、更長的觸控屏使用壽命等，電容式觸控屏的Touch壽命約2億次，4線電阻觸控屏壽命約100萬次，多線電阻觸控屏因ITO結構更復雜，其Touch壽命更低。
電容式觸控屏的觸點偵測原理
電容式觸控屏技術，其偵測信號的原理為偵測手指觸碰引起的螢幕表面電性微量變化，依其工作原理差異可大致分成表面電容式觸控屏技術(Surface Capacitive Touch；SCT)與投射電容式觸控屏技術(Projected Capacitive Touch；PCT)。
SCT常見于大尺寸的戶外顯示、互動式電子看板應用，PCT技術因Apple推出具Multi-Touch多觸點偵測技術的iOS Device而暴紅。以觸控技術的發展歷程觀察，最早導入觸控技術以工業控制應用為多，其使用目的為將原本繁復的工廠運作控制盤(多為機械式設計)，整合至單組屏幕去進行控制，整合更方便、直覺的觸屏人機介面設計。然而，前述的應用早期多采行電阻式觸控屏設計方案，但電阻式觸控屏因ITO具壽命與耐用性限制，無法完全滿足工控應用領域需求，因應大尺寸觸屏設計需求的SCT，成為高階設備機臺的首選應用方案。
而PCT的使用趨勢為延續中、小尺寸電阻式觸控屏市場出現的爆發性成長！早期中小尺寸的PND、PDA、智慧型行動電話產品，其屏幕觸控多采行電阻式觸控設計，2006年Apple于iPhone導入小尺寸PCT電容觸控技術，以大幅超越電阻式觸控屏的光學特性、多點觸控功能掀起市場風潮，成為近來最受矚目的中、小尺寸面板當紅觸控技術。
PCT與SCT電容式觸摸技術
PCT技術， 觸摸屏制作是建構于矩陣的概念，PCT面板之ITO為經過蝕刻制成特定圖案，目的在提高各觸碰點的SNR噪訊比，藉此加強識別手指觸點的精確度。
SCT面板是由一片涂布均勻的ITO，自面板四角落各設置一條導線(UR、UL、LR、LL)與SCT觸控IC連接，為精確偵測手指觸點位置，SCT控制器需于面板建構均勻電場，此工作由IC內驅動電路對面板進行充電達成，而手指接觸顯示屏即引發微量電流，觸控IC即時感測解析UR、UL、LR、LL這4條導線電流量，并換算觸碰點的正確X、Y座標值。
而PCT與SCT技術間最大差異在PCT有機會實踐Multi-touch多點觸控，而SCT為Single-touch單點觸控應用。目前小尺寸顯示屏應用市場較少見SCT觸控方案，主要是元件的制造成本問題，SCT面板制造商較欠缺的是關鍵光學鍍膜技術整合，此部分的關鍵制作關卡，多數必須采取委外加工方式制成，是成本偏高的主因，而SCT觸控IC的成本單價也較高。
PCT與SCT觸控方案限制
PCT電容式觸控技術工作原理并不復雜，但若試圖量產就需克服多項技術挑戰，例如，待偵測的手指觸按信號相當微弱，極易受傳導環境影響而讓整個觸按機制變得相當不穩定，導致觸控功能的靈敏度在不同面板位置的表現不一致，甚至經常性發生錯誤動作反應。
加上手指觸按產生的電容變化值，實際的物理表現易受環境溫度、濕度影響，目前常用的改善方針，是利用定時自動校準技術克服元件問題，尤其在目前大量用于中、小尺寸的行動裝置，同時會整合大量RF元件(3G、Wi-Fi、Bluetooth)，也會對觸按信號量測造成干擾，影響PCT電容式觸控技術的SNR，此需搭配軔體或硬體技術進行元件的性能改善。
相較PCT，雖SCT電容式觸控技術在控制器設計方面，同樣面臨手指電容觸按訊號易受干擾問題，但可藉由內建于IC之各種提升SNR應用機制，進行技術克服，除控制IC限制外，SCT電容式觸控技術的觸屏結構，也較PCT結構更簡單，較容易于硬體技術方面進行SNR提升設計，解決環境噪訊干擾問題。
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