手機訪問
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(shù)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(chǎn)制技術(shù)，提供最佳的產(chǎn)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(shè)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(chǎn)品在同質(zhì)商品間凸顯其前衛(wèi)的設(shè)計成果，此也成為各大硬體廠商爭相導(dǎo)入相關(guān)設(shè)計的重要關(guān)鍵...
以往實體開關(guān)、按鍵的設(shè)計方案，產(chǎn)品設(shè)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(zhuǎn)換數(shù)位化后相對干凈俐落的內(nèi)容值或狀態(tài)值的轉(zhuǎn)換，因此早期的電子商品尤其喜愛各式實體按鍵設(shè)計。
Android兼具開放授權(quán)、透明架構(gòu)、容易取得多項優(yōu)勢，可讓硬體開發(fā)商專注于硬體專業(yè)，依循軟體需求開發(fā)最佳行動裝置產(chǎn)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(shè)計更加重視使用者體驗。motorola
但實體按鍵的設(shè)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(shè)計，使用裝置環(huán)境的水氣、灰塵也會出現(xiàn)影響開/關(guān)偵測的訊號穩(wěn)定性，在按鍵的處理靈敏度、可靠性都會呈現(xiàn)相對較低的問題。
實體按鍵的尺寸在面對產(chǎn)品集積化(小型化)的演進過程，也成為產(chǎn)品開發(fā)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(shè)置，肯定會讓產(chǎn)品的重量、厚度、成本相對增加，而產(chǎn)品還未享受到搭載實際鍵盤的效益前，硬體開發(fā)商就必須面對零件成本的問題，即便新一代的設(shè)計采取模組化按鍵或是薄膜按鍵以改善設(shè)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(chǎn)品設(shè)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(guān)，逐一取代實體開關(guān)與按鍵，讓產(chǎn)品的外觀設(shè)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(fā)展多年，也散見于各種電子裝置的設(shè)計中！尤其是近期采混合信號的可程式化元器件開發(fā)設(shè)計，讓電容式觸控傳感器成為取代各種消費電子產(chǎn)品機械式開關(guān)的一大關(guān)鍵，讓產(chǎn)品設(shè)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(shè)計方案，觸按面的產(chǎn)品設(shè)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(dǎo)致觸按訊號偵測劣化，造成裝置誤判觸按訊號，讓裝置出現(xiàn)失誤的問題增多。新的消費性電子設(shè)計，為求機構(gòu)的強度要求，或產(chǎn)品的設(shè)計方案要求(例如整合顯示屏)，讓覆蓋層的厚度持續(xù)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(fù)雜，尤其增加了更多處理信號的環(huán)境變數(shù)。
換句話說，隨著產(chǎn)品的覆蓋層厚度持續(xù)增加，對于觸按的傳感系統(tǒng)，也必須經(jīng)過系統(tǒng)的對應(yīng)調(diào)整，尤其是對于終端產(chǎn)品的開發(fā)需求，要求的是開關(guān)表現(xiàn)的穩(wěn)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(yīng)用的一大關(guān)鍵。
電容式觸控必須克服厚度的傳感限制
除了3C產(chǎn)品外，大量的觸控設(shè)計方案被應(yīng)用于家電設(shè)計中，尤其是白色家電的相關(guān)應(yīng)用里，常見的狀況是機構(gòu)設(shè)計為了要求裝置在強度、耐用度方面的提升，在觸按區(qū)必須采取較強固的設(shè)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(zhì)對物理電容感應(yīng)并不會產(chǎn)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(zhì)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(yīng)數(shù)值變得更加微弱，觸按傳感器的偵測結(jié)果還必須克服環(huán)境雜訊的問題。
觀察最簡單的電容器設(shè)計，由簡單的兩片平行板電容器，具備兩組導(dǎo)體，在導(dǎo)體之間隔著一層電介質(zhì)，此系統(tǒng)中絕大部分的能量會直接聚集在電容器的導(dǎo)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(tǒng)核心設(shè)計，多是由一組與電場相互作用的導(dǎo)體組合而成，在人類的皮膚下面，人體組織充滿可傳導(dǎo)電解質(zhì)，此為手指的導(dǎo)電特性，這也讓電容式觸控方案成為可能被實踐的基礎(chǔ)原理。
實作電容觸控傳感器
實作電容觸控傳感器的關(guān)鍵問題在于，需要設(shè)計一組預(yù)先印制的導(dǎo)線板，將前述電容效應(yīng)引導(dǎo)至有效感應(yīng)區(qū)域之中。由手指所產(chǎn)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(tǒng)正確運行，手指必須呈現(xiàn)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(guān)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(guān)系，影響程度亦不大。
若以電容觸按的虛擬按鍵設(shè)計，采取10~15mm直徑的方式設(shè)置(此為指尖觸按的平均表面積)為例，多數(shù)電路的組裝PCB會整合5~10個觸點虛擬按鍵，在實際設(shè)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(yù)留尺寸設(shè)計參數(shù)，若按鍵間的間隙尺寸設(shè)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(shè)計參數(shù)就必須經(jīng)過實驗反覆測試以找出最佳參數(shù)。
性能測試重點
電容觸按設(shè)計要取代傳統(tǒng)機械按鍵的關(guān)鍵，就在于操作體驗是否能達到穩(wěn)定、無誤的狀態(tài)，此必須在產(chǎn)品開發(fā)階段進行更完善的性能測試，例如，開發(fā)階段可以利用一個終端產(chǎn)品的仿真設(shè)計模型進行大量測試，透過實驗?zāi)Ｐ蛿X取差分計數(shù)，再藉助數(shù)位繪圖即時檢視觸按狀態(tài)。
實際進行實驗測試性能時，以前例設(shè)計方案為例，可以將手指放置于預(yù)設(shè)較厚的覆蓋層上方，并持續(xù)2~3秒的觸按時間，虛擬電容觸按按鍵的開/關(guān)狀態(tài)，即時被累加于計數(shù)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(guān)兩種狀態(tài)間俐落轉(zhuǎn)換，即便發(fā)現(xiàn)增厚的覆蓋層進行檢測出現(xiàn)較大噪訊時，也必須維持較佳的觸按訊號反饋。
導(dǎo)入電容觸按設(shè)計的實質(zhì)效益
電容觸按設(shè)計與機械式開關(guān)比較，會發(fā)現(xiàn)電容觸按設(shè)計有相當多的優(yōu)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(xiàn)，不像機械開關(guān)在后期會有較大按鍵彈跳、故障等問題，尤其是現(xiàn)今混合信號處理搭配可程式化的控制IC技術(shù)整合，使觸按式傳感器的導(dǎo)入效益持續(xù)提升、成本持續(xù)降低，并提高電路靈敏度與可靠性，是取代機械式開關(guān)元件的首選替代方案。
基于顯示屏的電容式觸按技術(shù)趨勢
過去很多LCD模組都采行電阻式觸控屏設(shè)計，這類觸控屏設(shè)計將螢?zāi)坏拿娣e等效于物理位置而進行X、Y軸座標轉(zhuǎn)換，控制IC的輸出為將螢?zāi)槐砻鍵TO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(shè)計，但實際上電阻式顯示觸控屏設(shè)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(chǔ)原理也是透過機械原理達成，會容易出現(xiàn)觸按反應(yīng)疲乏、使用壽命也較低的問題。
基于電容式設(shè)計方案的顯示屏觸控技術(shù)，與目前市占率較高的電阻式觸控技術(shù)相比，其實為使用者帶來更多優(yōu)點，例如，高達97%穿透率、更真實的色彩呈現(xiàn)、螢?zāi)坏挠|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(jié)構(gòu)更復(fù)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(shù)，其偵測信號的原理為偵測手指觸碰引起的螢?zāi)槐砻骐娦晕⒘孔兓�，依其工作原理差異可大致分成表面電容式觸控屏技術(shù)(Surface Capacitive Touch；SCT)與投射電容式觸控屏技術(shù)(Projected Capacitive Touch；PCT)。
SCT常見于大尺寸的戶外顯示、互動式電子看板應(yīng)用，PCT技術(shù)因Apple推出具Multi-Touch多觸點偵測技術(shù)的iOS Device而暴紅。以觸控技術(shù)的發(fā)展歷程觀察，最早導(dǎo)入觸控技術(shù)以工業(yè)控制應(yīng)用為多，其使用目的為將原本繁復(fù)的工廠運作控制盤(多為機械式設(shè)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(shè)計。然而，前述的應(yīng)用早期多采行電阻式觸控屏設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域需求，因應(yīng)大尺寸觸屏設(shè)計需求的SCT，成為高階設(shè)備機臺的首選應(yīng)用方案。
而PCT的使用趨勢為延續(xù)中、小尺寸電阻式觸控屏市場出現(xiàn)的爆發(fā)性成長！早期中小尺寸的PND、PDA、智慧型行動電話產(chǎn)品，其屏幕觸控多采行電阻式觸控設(shè)計，2006年Apple于iPhone導(dǎo)入小尺寸PCT電容觸控技術(shù)，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(shù)。
PCT與SCT電容式觸摸技術(shù)
PCT技術(shù)， 觸摸屏制作是建構(gòu)于矩陣的概念，PCT面板之ITO為經(jīng)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(shè)置一條導(dǎo)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(gòu)均勻電場，此工作由IC內(nèi)驅(qū)動電路對面板進行充電達成，而手指接觸顯示屏即引發(fā)微量電流，觸控IC即時感測解析UR、UL、LR、LL這4條導(dǎo)線電流量，并換算觸碰點的正確X、Y座標值。
而PCT與SCT技術(shù)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(yīng)用。目前小尺寸顯示屏應(yīng)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(guān)鍵光學鍍膜技術(shù)整合，此部分的關(guān)鍵制作關(guān)卡，多數(shù)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(shù)工作原理并不復(fù)雜，但若試圖量產(chǎn)就需克服多項技術(shù)挑戰(zhàn)，例如，待偵測的手指觸按信號相當微弱，極易受傳導(dǎo)環(huán)境影響而讓整個觸按機制變得相當不穩(wěn)定，導(dǎo)致觸控功能的靈敏度在不同面板位置的表現(xiàn)不一致，甚至經(jīng)常性發(fā)生錯誤動作反應(yīng)。
加上手指觸按產(chǎn)生的電容變化值，實際的物理表現(xiàn)易受環(huán)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(shù)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(shù)的SNR，此需搭配軔體或硬體技術(shù)進行元件的性能改善。
相較PCT，雖SCT電容式觸控技術(shù)在控制器設(shè)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(nèi)建于IC之各種提升SNR應(yīng)用機制，進行技術(shù)克服，除控制IC限制外，SCT電容式觸控技術(shù)的觸屏結(jié)構(gòu)，也較PCT結(jié)構(gòu)更簡單，較容易于硬體技術(shù)方面進行SNR提升設(shè)計，解決環(huán)境噪訊干擾問題。
更多相關(guān)： AV集成
©版權(quán)所有。未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載。
