兼?zhèn)渥?互電容感應(yīng)，下一代In-cell觸控方案核心技術(shù)詳解

自iPhone 5掀起內(nèi)嵌式(In-cell)觸控發(fā)展風(fēng)潮至今，礙于技術(shù)成本高、良率不佳，以及觸控IC開發(fā)困難等因素，In-cell一直局限于高階產(chǎn)品應(yīng)用;所以相關(guān)面板廠及晶片商均致力改良In-cell感應(yīng)層(Rx)結(jié)構(gòu)及控制晶片，并克服In-cell觸控嚴(yán)重雜訊問題與實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，以達(dá)成較佳的量產(chǎn)投資效益，加速切入中低階智慧型手機(jī)。

自電容感應(yīng)技術(shù)對下世代In-cell觸控方案的發(fā)展重要性大增。為壓低量產(chǎn)成本并提高良率，除觸控面板廠積極研發(fā)整合感應(yīng)層與驅(qū)動層的單層自電容In-cell多點(diǎn)觸控方案外，觸控IC業(yè)者也加緊補(bǔ)強(qiáng)自電容感應(yīng)功能，并打造可同時支援自/互電容感應(yīng)的整合型方案。

現(xiàn)階段，晶片業(yè)者已鎖定可同時支援自電容與互電容感應(yīng)的In-cell觸控方案，全面提升晶片訊噪比(SNR)、差動訊號分析功能，包括賽普拉斯(Cypress)、義隆電子皆已整合兩種電容偵測技術(shù)，開發(fā)新款觸控IC;至于其他晶片商也開始補(bǔ)強(qiáng)自電容矽智財(IP)陣容，加緊腳步跟進(jìn)。

兼?zhèn)渥?互電容感應(yīng)觸控IC減輕面板雜訊

圖1 賽普拉斯TrueTouch行銷總監(jiān)John Carey表示，賽普拉斯除已在In-cell觸控市場搶占一席之地外，近期在OGS領(lǐng)域的發(fā)展也大有斬獲。

賽普拉斯TrueTouch行銷總監(jiān)John Carey(圖1)表示，In-cell觸控感應(yīng)層相當(dāng)接近液晶顯示器(LCD)訊號源，同時也會受到電源雜訊干擾，目前最大的技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何精確量測訊號;因此，觸控IC必須擴(kuò)增運(yùn)算及感測能力，同時還要加強(qiáng)與LCD驅(qū)動IC的通訊與分時處理機(jī)制，才能讓In-cell同時兼顧輕薄設(shè)計與優(yōu)異的觸控使用體驗。

基于上述考量，觸控IC廠紛紛補(bǔ)強(qiáng)晶片自電容感應(yīng)功能，以擷取更多In-cell觸控感應(yīng)層訊號，再透過分析過濾雜訊，提升觸控反應(yīng)速度與精準(zhǔn)度表現(xiàn)。不過，Carey強(qiáng)調(diào)，由于自電容技術(shù)還不能支援三指以上的多點(diǎn)觸控，須搭配互電容感應(yīng)，因而掀起新一代觸控IC支援雙電容感應(yīng)的設(shè)計風(fēng)潮。

其中，賽普拉斯憑借完整自電容、互電容IP陣容，已打造業(yè)界首款整合型觸控IC，其可自動切換兩種感應(yīng)方式，再透過差動訊號分析功能，改善In-cell觸控面板充斥大量雜訊的弊病。Carey指出，該公司于2013年國際消費(fèi)性電子展(CES)展出的最新觸控方案--TrueTouch Gen4X，其抗雜訊能力較前一代產(chǎn)品提升三倍，訊號更新率更高達(dá)100?120Hz，大幅超越業(yè)界60Hz的平均水準(zhǔn)。

據(jù)悉，該產(chǎn)品已開始送樣，未來1?2個月內(nèi)將導(dǎo)入量產(chǎn)。Carey透露，由于In-cell觸控對控制晶片的客制化程度大幅攀升，因此，賽普拉斯也積極與臺灣、中國大陸及日系面板大廠合作。另外，韓系面板廠也研擬與該公司共同推動In-cell觸控研發(fā)計畫。在一連串緊密合作之下，搭載Gen4X觸控IC的終端產(chǎn)品預(yù)計將于今年夏天出爐，搶進(jìn)高階智慧型手機(jī)市場。

無獨(dú)有偶，義隆電子也于今年CES秀出自/互電容感應(yīng)的多點(diǎn)觸控解決方案--Smart-Touchscreen。該產(chǎn)品鎖定小尺寸智慧型手機(jī)，采用數(shù)位訊號處理器(DSP)提高核心運(yùn)算能力，并整合自電容和互電容感應(yīng)的優(yōu)勢加強(qiáng)雜訊免疫能力，從而提供高準(zhǔn)確度和線性度;此外，其支援單層透明導(dǎo)電膜(ITO)觸控面板方案，并提供最高十指多點(diǎn)觸控及2毫米(mm)觸控筆，性價比表現(xiàn)出色。

至于新思國際(Synaptics)、敦泰科技等觸控IC廠則加快腳步研發(fā)自電容設(shè)計，近期已相繼揭露技術(shù)進(jìn)展與產(chǎn)品計畫，可望在未來跟進(jìn)發(fā)布自/互電容雙感應(yīng)產(chǎn)品。Carey強(qiáng)調(diào)，短期內(nèi)，觸控面板廠要開發(fā)具多點(diǎn)觸控、高抗雜訊能力的In-cell產(chǎn)品，導(dǎo)入自/互電容整合型控制晶片將是一條捷徑，遂激勵I(lǐng)C廠大舉投入研發(fā)。

除增強(qiáng)電容感測能力外，In-cell觸控IC也須與LCD驅(qū)動IC協(xié)同運(yùn)作，才能減低互相影響的風(fēng)險?，F(xiàn)階段業(yè)界大致分成兩大技術(shù)陣營，首先系新思國際力拱的模式，亦即將觸控IC與LCD驅(qū)動IC整合成系統(tǒng)單晶片(SoC);其次是透過顯示器驅(qū)動介面(DDI)，讓觸控IC與LCD驅(qū)動IC進(jìn)行溝通的設(shè)計方案。

Carey分析，In-cell觸控面板各家技術(shù)迥異;若搭配第一種整合方案，雖能強(qiáng)化客制化程度，但也缺乏設(shè)計彈性，要提升晶片的近接感測(Proximity Sensing)、雜訊分析，或增加懸浮觸控、防水等新功能相對困難;至于第二種分離式方案則能因應(yīng)不同LCD驅(qū)動需求，進(jìn)一步更改DDI設(shè)計，支援多樣化功能設(shè)計與In-cell觸控面板架構(gòu)，故為賽普拉斯及多數(shù)觸控IC廠采用。

不僅In-cell觸控IC出現(xiàn)重大技術(shù)突破，在感應(yīng)層設(shè)計方面也大有進(jìn)展。近來，供應(yīng)鏈業(yè)者正醞釀以單層自電容取代既有雙層互電容感應(yīng)技術(shù)，包括蘋果(Apple)、三星(Samsung)、臺/日系面板廠及一線觸控IC大廠均啟動專利布局，并投入開發(fā)新一代觸控IC、LCD驅(qū)動IC，從而改良In-cell感應(yīng)層設(shè)計結(jié)構(gòu)，并提升面板良率、降低成本和雜訊。

邁向In-cell終極目標(biāo)面板廠強(qiáng)攻單層自電容

圖2 發(fā)明元素總經(jīng)理李祥宇認(rèn)為，對面板廠而言，自電容In-cell結(jié)構(gòu)的制程復(fù)雜性較低，只要有相應(yīng)的觸控IC問世，就能順利展開量產(chǎn)。

發(fā)明元素總經(jīng)理李祥宇(圖2)表示，In-cell觸控?zé)o疑為行動裝置輕薄設(shè)計帶來更多想像空間，但直接在LCD內(nèi)同時導(dǎo)入觸控感應(yīng)層與驅(qū)動層(Tx)，將引發(fā)大量雜訊，增加面板及觸控IC設(shè)計難度;所以該技術(shù)仍受限于制程良率低、成本高等問題，而無法快速普及。

此即驅(qū)動觸控面板廠及觸控IC業(yè)者各自聯(lián)合陣線，積極發(fā)展更具量產(chǎn)效益的下世代In-cell觸控技術(shù)。

李祥宇指出，目前業(yè)界已有共識，相繼舍棄以偵測感應(yīng)層和驅(qū)動層間互電容變化的In-cell設(shè)計，轉(zhuǎn)攻在感應(yīng)層中直接導(dǎo)入Vcom電極線的單層自電容感應(yīng)方式，一方面讓觸控面板廠省略隔離感測與驅(qū)動層的金屬跨橋制作工序、提高制程良率，同時降低20?30%成本;另一方面則解決兩層距離太近而引發(fā)相互電容干擾問題，改善觸控反應(yīng)速度和靈敏度。

其實(shí)，自電容技術(shù)已行之有年，但以往僅能收集觸控面板的水平或垂直面觸控訊號，支援單指或雙指觸控功能，且容易產(chǎn)生假性觸控(鬼點(diǎn))問題;所以在多點(diǎn)觸控功能發(fā)展浪潮下，不敵可精確感測到水平和垂直面交叉點(diǎn)的互電容方案而乏人問津。惟進(jìn)入In-cell時代后，互電容的雜訊問題卻更令人頭痛，因此業(yè)界才又轉(zhuǎn)向發(fā)展自電容多點(diǎn)觸控，期進(jìn)一步打造下世代In-cell觸控面板。

現(xiàn)階段，除三星最積極投入以外，多半In-cell觸控面板廠也都有涉獵專利研究;而觸控晶片或IP開發(fā)商，更是全力部署相關(guān)觸控IC解決方案。李祥宇認(rèn)為，整個產(chǎn)業(yè)鏈開始聚焦自電容運(yùn)作架構(gòu)，顯見該技術(shù)在In-cell應(yīng)用領(lǐng)域極具前瞻性。

不過，以自電容感應(yīng)層提供觸控訊號產(chǎn)生、擷取與驅(qū)動功能，初期面板廠須加厚ITO層，并增加水平與垂直面的金屬導(dǎo)線數(shù)，還要嚴(yán)格要求觸控IC效能、訊噪比及韌體功能規(guī)格，才能解決多點(diǎn)訊號感測與高電阻難題，勢將加重材料成本及影響面板透光度。此外，LCD驅(qū)動IC也須具備分時處理機(jī)制，并擴(kuò)充緩沖記憶體(Buffer)容量，才能同步處理In-cell觸控與LCD訊號。

李祥宇不諱言，單層自電容In-cell觸控技術(shù)門檻極高，仍須一段很長的時間發(fā)展。也因此，混合式On-cell與In-cell貼合方案遂開始獲得業(yè)界關(guān)注，如索尼率先將感應(yīng)層做在上玻璃上方，并于LCD內(nèi)導(dǎo)入驅(qū)動層的混合式In-cell結(jié)構(gòu)(圖3 )。由于兩層距離遠(yuǎn)相互干擾較少，故能減輕觸控IC開發(fā)難度;目前面板量產(chǎn)良率亦已高達(dá)八至九成，成本下滑速度快​​，已吸引友達(dá)、群創(chuàng)全速跟進(jìn)研發(fā)，壯大技術(shù)發(fā)展聲勢。

圖3 索尼利用混合式In-cell貼合技術(shù)，于2013年CES推出最新旗艦手機(jī)，螢?zāi)槐』Ч@著。