電容式多點(diǎn)觸摸技術(shù)

 多點(diǎn)觸控技術(shù)隨著iPhone的火爆讓人們所熟知和關(guān)注，傳統(tǒng)的電阻式觸控技術(shù)也逐漸被LLP技術(shù)和電容式觸控技術(shù)所取代。雖然途拓科技專注于大尺寸觸控技術(shù)和LLP技術(shù)，但是對(duì)于電容式觸控技術(shù)也有所涉獵。本文主要就電容式觸控技術(shù)的幾個(gè)分類做簡(jiǎn)要分析。

多點(diǎn)觸控示意圖

要進(jìn)行多點(diǎn)觸控的技術(shù)操作，必然經(jīng)過(guò)一個(gè)載體才能夠完美實(shí)現(xiàn)，這就是我們今天所面對(duì)的屏幕。以手機(jī)這個(gè)大家熟知的產(chǎn)品為例，目前在手機(jī)領(lǐng)域具有觸控屏設(shè)計(jì)的手機(jī)已經(jīng)占領(lǐng)絕大部分，也就是我們現(xiàn)在用的手機(jī)大多數(shù)都是可以進(jìn)行觸控指令來(lái)完成操作的。典型的例子有：諾基亞的5800XM、蘋果的iPhone、或者索尼愛(ài)立信的X10等，但是有沒(méi)有想過(guò)為什么諾基亞的5800XM與蘋果iPhone 4不能夠站在一個(gè)級(jí)別上?究其原因有很多種，其中一點(diǎn)必須被我們承認(rèn)：即它們都是觸控屏手機(jī)，屏幕材質(zhì)選用不一樣導(dǎo)致最終產(chǎn)品定位的高低。前者選用電阻屏只能進(jìn)行單點(diǎn)觸控，后者搭配電容屏能夠多點(diǎn)觸控，分辨率更高、顯示效果更為清晰、娛樂(lè)性更多等。這也是電阻式觸控技術(shù)逐漸被電容式技術(shù)取代的原因。

看來(lái)在屏幕選材方面，也是能夠定義該機(jī)是否處于高端水平的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。但是又有疑問(wèn)被我們發(fā)現(xiàn)，即：iPhone手機(jī)與索尼愛(ài)立信X10同為電容屏，為什么前者能夠多點(diǎn)觸控，后者亦不能?諾基亞5800XM不能多點(diǎn)觸控，是其電阻屏原因，那么X10又是電容屏為什么不能進(jìn)行多點(diǎn)觸控，軟件還是硬件?同樣，iPhone 4既然支持多點(diǎn)觸控，那么兩者主要區(qū)別在哪里?這就要說(shuō)說(shuō)電容觸控技術(shù)的幾大分類。

電容觸控技術(shù)分類

電容屏技術(shù)主要分兩種：表面電容(Surface Capacitive)技術(shù);投射電容(Projective Capacitive)技術(shù)。

表面電容(Surface Capacitive)技術(shù)，即它的架構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用一層ITO玻璃為主體，外圍至少有四個(gè)電極，在玻璃四角提供電壓，在玻璃表面形成一個(gè)均勻的電場(chǎng)，當(dāng)使用者進(jìn)行觸按操作時(shí)，控制器就能利用人體手指與電場(chǎng)靜電反應(yīng)所產(chǎn)生的變化，檢測(cè)出觸控坐標(biāo)的位置。此類架構(gòu)決定了表面電容式技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能，因?yàn)樗捎昧艘粋€(gè)同質(zhì)的感應(yīng)層，而這種感應(yīng)層只會(huì)將觸控屏上任何位置感應(yīng)到的所有信號(hào)匯聚成一個(gè)更大的信號(hào)，同質(zhì)層破壞了太多的信息，以致于無(wú)法感應(yīng)到多點(diǎn)觸控。另外，表面電容式觸控屏還存在小型化的困難，很難應(yīng)用于手機(jī)屏幕，大多用于中大尺寸領(lǐng)域。(該技術(shù)在手機(jī)應(yīng)用方面很難實(shí)現(xiàn)，排除X10、iPhone 4)

表面電容應(yīng)用

投射電容(Projective Capacitive)技術(shù)，它的基本技術(shù)原理仍是以電容感應(yīng)為主，但相較于表面電容式觸摸屏，投射電容式觸摸屏采用多層ITO層，形成矩陣式分布，以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當(dāng)手指觸碰屏幕時(shí)，可通過(guò)X、Y軸的掃描，檢測(cè)到觸碰位置電容的變化，進(jìn)而計(jì)算出手指之所在?；诖朔N架構(gòu)，投射電容可以做到多點(diǎn)觸控操作。

投射電容的應(yīng)用

投射電容的觸控技術(shù)主要有兩種：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(chǎn)生電容耦合，并量測(cè)電極的電容變化確定觸碰發(fā)生;互電容型則是當(dāng)觸碰發(fā)生，會(huì)在鄰近2層電極間產(chǎn)生電容耦合現(xiàn)象。

根據(jù)這兩種原理，可以設(shè)計(jì)不同的投射電容式架構(gòu)，不同架構(gòu)能做到的多點(diǎn)觸控功能也就不同。多點(diǎn)觸控其實(shí)可細(xì)分為兩種：一種是手勢(shì)辨識(shí)追蹤與互動(dòng)(Gesture interaction)，也就是僅偵測(cè)、分辨多點(diǎn)觸控行為，如縮放、拖拉、旋轉(zhuǎn)…等，實(shí)現(xiàn)方式為軸交錯(cuò)式(Axis intersect)技術(shù);另一種則是找出多點(diǎn)觸控個(gè)別位置，此功能需要復(fù)雜觸點(diǎn)可定位式(All point addressable;APA)技術(shù)才能達(dá)成。

投射電容實(shí)際應(yīng)用

軸交錯(cuò)式

軸交錯(cuò)式(又稱Profile-based)技術(shù)，是在導(dǎo)電層上進(jìn)行菱形狀感測(cè)單元規(guī)劃，每個(gè)軸向需要1層導(dǎo)電層。以2軸型式為例，觸控偵測(cè)時(shí)，感測(cè)控制器會(huì)分別掃描水平/垂直軸，產(chǎn)生電容耦合的水平/垂直感測(cè)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)上升波峰(peak)，而這2軸交會(huì)處即正確觸控點(diǎn)。由于每次量測(cè)為利用單導(dǎo)電層與觸碰物電容耦合現(xiàn)象，因此屬自電容型技術(shù)。

軸交錯(cuò)式電容式觸控技術(shù)，其實(shí)正是筆記型電腦觸控板(touch pad)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，技術(shù)相當(dāng)成熟，但觸控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?yàn)椴煌该鳎杂|控板可在感測(cè)區(qū)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，因此需用透明ITO做為導(dǎo)電電極，而且此層ITO不像電阻式或表面電容式是均勻?qū)щ妼?，而需要做樣式化設(shè)計(jì)。

筆記本觸控板

單點(diǎn)觸控應(yīng)用上，軸交錯(cuò)式能得到確切觸控位置，因此不像表面電容式需經(jīng)校準(zhǔn)修正。透過(guò)一些演算法，軸交錯(cuò)式也能做到多點(diǎn)觸控手勢(shì)辨識(shí)功能，但若要定位多點(diǎn)觸控正確位置會(huì)有困難。以2軸的掃描來(lái)說(shuō)，2個(gè)觸控點(diǎn)分別會(huì)在X軸與Y軸各產(chǎn)生2個(gè)波峰，交會(huì)起來(lái)就產(chǎn)生4個(gè)觸點(diǎn)，其中2個(gè)點(diǎn)是假性觸控點(diǎn)(Ghost point)，這將造成系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行正確判讀。

不過(guò)，仍有方法能解決多點(diǎn)定位問(wèn)題。在2軸式觸控屏幕中，可以利用2根手指觸控時(shí)間差分辨前/后觸點(diǎn)，或以觸點(diǎn)的不同移動(dòng)方向辨別。此外，也可增加軸向提高可辨識(shí)觸點(diǎn)位置、數(shù)目，每增加1軸向可多辨識(shí)1點(diǎn)(如3軸可辨識(shí)2點(diǎn)、4軸為3點(diǎn));不過(guò)，每增加1個(gè)軸向，就要多1層導(dǎo)電層，這會(huì)增加設(shè)計(jì)的觸控面板厚度、重量與成本，這都不是可攜式產(chǎn)品樂(lè)見(jiàn)的結(jié)果。

觸點(diǎn)可定位式

觸點(diǎn)可定位式(All point addressable)技術(shù)則能達(dá)成多點(diǎn)觸控功能，且能辨別觸控點(diǎn)確切位置，可以說(shuō)是理想的多點(diǎn)觸控解決方案，iPhone即是采用此種觸控技術(shù)。它主要架構(gòu)為兩層導(dǎo)電層，其中一層為驅(qū)動(dòng)線(driving lines)，另一層為感測(cè)線(sensing lines)，兩層的線路彼此垂直。運(yùn)作上會(huì)輪流驅(qū)動(dòng)一條驅(qū)動(dòng)線，并量測(cè)與這條驅(qū)動(dòng)線交錯(cuò)的感測(cè)線是否有某點(diǎn)發(fā)生電容耦合現(xiàn)象。經(jīng)逐一掃描即可獲知確切觸點(diǎn)位置。

Multi-Touch All-Point基于互電容的檢測(cè)方式，而不是自電容，自電容檢測(cè)的是每個(gè)感應(yīng)單元的電容(也就是寄生電容Cp)的變化，有手指存在時(shí)寄生電容會(huì)增加，從而判斷有觸摸存在，而互電容是檢測(cè)行列交叉處的互電容(也就是耦合電容Cm)的變化，如圖2所示，當(dāng)行列交叉通過(guò)時(shí)，行列之間會(huì)產(chǎn)生互電容(包括：行列感應(yīng)單元之間的邊緣電容，行列交叉重疊處產(chǎn)生的耦合電容)，有手指存在時(shí)互電容會(huì)減小，就可以判斷觸摸存在，并且準(zhǔn)確判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)位置。

iPhone 4

但是，要實(shí)現(xiàn)此種技術(shù)不論是導(dǎo)電層規(guī)劃、布線或CPU運(yùn)算，難度都提高許多，需要采用更加強(qiáng)大的處理器。以iPhone為例，它就是以兩顆獨(dú)立芯片分擔(dān)這項(xiàng)工作，一顆感測(cè)控制器，將原始模擬感測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)為X-Y軸坐標(biāo);另一顆則是ARM7處理器，專門用來(lái)解讀這些信息，辨識(shí)手指動(dòng)作，并做出相應(yīng)的反應(yīng)。此外，復(fù)雜觸點(diǎn)可定位技術(shù)還會(huì)面臨一些設(shè)計(jì)上挑戰(zhàn)，如需要供應(yīng)高電壓才能得到較好的信噪比表現(xiàn)，不適合在大尺寸面板使用等，這也是iPhone沒(méi)能采用4.0級(jí)別屏幕原因之一。

當(dāng)然，還有另一種多點(diǎn)觸控方式，即Multi-Touch Gesture，通俗地講，就是多點(diǎn)觸摸識(shí)別手勢(shì)方向。我們現(xiàn)在看到最多的是Multi-Touch Gesture，即兩個(gè)手指觸摸時(shí)，可以識(shí)別到這兩個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)方向，但還不能判斷出具體位置，可以進(jìn)行縮放、平移、旋轉(zhuǎn)等操作。這種多點(diǎn)觸摸的實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，軸坐標(biāo)方式即可實(shí)現(xiàn)。把ITO分為X、Y軸，可以感應(yīng)到兩個(gè)觸摸操作，但是感應(yīng)到觸摸和探測(cè)到觸摸的具體位置是兩個(gè)概念。XY軸方式的觸摸屏可以探測(cè)到第2個(gè)觸摸，但是無(wú)法了解第二個(gè)觸摸的確切位置。單一觸摸在每個(gè)軸上產(chǎn)生一個(gè)單一的最大值，從而斷定觸摸的位置，如果有第二個(gè)手指觸摸屏面，在每個(gè)軸上就會(huì)有兩個(gè)最大值。這兩個(gè)最大值可以由兩組不同的觸摸來(lái)產(chǎn)生，于是系統(tǒng)就無(wú)法準(zhǔn)確判斷了。