iPhone 電阻式觸控 電容式觸控 智慧手機 智慧型手機 Smart Phone 觸控技術 行動裝置 平板電腦

精簡製程與成本 單層電容式觸控方案超吸睛

2011-12-26
就可攜式和非行動式電子產品使用者介面的快速進展而言,觸控技術絕對是其中的重要關鍵之一。在龐大的行動手持裝置市場中,iPhone可說是最膾炙人口的成功故事。
不過,仍有其他許多產品的功能性、人因工程及美學因為整合觸控螢幕而改善許多,呈現出與傳統電機開關、電位計及其他類似機制完全不同的面貌。其中的範例包括一些車內系統,例如衛星導航和空調系統(HVAC)控制,以及更專業的市場,如醫療設備、工業機器及測試設備等。

觸控操作體驗蔚為風潮

在相關領域中,電阻式觸控螢幕被視為當前的主流技術,已被手機及其他應用如可攜式全球定位系統(GPS)和手持式遊戲平台所廣泛採用。然而,無論電阻式螢幕技術如何改進,在使用者經驗這一部分,始終無法獲得產品設計人員,以及更重要的終極評鑑者,也就是終端消費者的完全肯定;而投射式電容觸控螢幕這類的破壞性創新技術的出現,更是突顯了電阻式觸控技術在此方面的不足。

經過積極推動,並獲得蘋果iPhone與之後的iPad的直覺式使用者介面所採用,在這兩項空前成功及具有劃時代意義產品的背書下,投射式電容觸控螢幕已成為智慧型手機和平板電腦所偏愛的觸控介面技術。

比較具有電容觸控螢幕的iPhone與採用電阻式螢幕的智慧型手機,就好比是將跑車和卡丁車擺在一起比較一般。在實際使用後,一個很棒的比喻是,使用電阻式螢幕總讓人覺得「拖泥帶水」,使用電容式螢幕則像是「輕推冰塊」般流暢自如。

然而,相較於電阻式技術,傳統的電容式觸控螢幕昂貴許多,且其中存在許多挑戰,須一一克服才能成功實現全新設計,而與其循著成本降低有限的路徑,不如轉向找出能大幅減少成本的新方法,才能讓電容式觸控螢幕被認真地視為更多應用的選項之一。

除了領先開跑的電容式與電阻式兩項觸控螢幕技術外,事實上還有其他的技術存在。這些技術包括表面聲波(SAW)、紅外線、光學圖像、彎曲波及主動數位化等。這其中有些技術適用於螢幕尺寸極大的利基型應用。至於其他技術,就很大的程度而言,由於無法和電阻式或電容式技術競爭,因此已被擱置,這在小型和可攜式的設備應用中尤其如此。

電阻式觸控螢幕成本低惟不耐用

圖1 電阻式觸控螢幕依賴頂端導電層的偏向,讓導電層之間可以形成機械性接觸。
電阻式觸控螢幕(圖1)包含一個具有導電內層的彈性硬塗層外膜,並以絕緣分隔層「點」隔開另一片類似的導電層,可以達到一定的效能水準,雖可接受,但並不是太好。由於這兩片導電層間的物理接觸是必要的,因此點狀施壓(通常透過觸控筆)就成為必要。

除此之外,這種方法有一些重大缺點,也就是它之所以可以低成本的原因,就是多片導電層所導致的極低的顯示器透光性(約在75~85%的範圍間),以及聚酯薄膜外層的耐久性相當有限(約可承受十萬至一百萬次的觸控)。雖然具有這些缺點,電阻式觸控螢幕仍獲得許多行動電話和智慧型手機公司多年採用,這些製造業者包括Palm、樂金(LG)、宏達電及三星(Samsung)。

電阻式觸控螢幕的最新進展多集中於美學層面,而非功能考量,其中包括更時尚的無邊框設計,以及閃耀光澤而非霧面的外觀。然而,這些觸控螢幕終究需要來自觸壓的物理壓力,以作為辨識之用,如此便無法讓使用者優雅地使用裝置。

對於電阻式觸控螢幕而言,一個重要的加分來自於支援電路。在手機錙銖必較的內部空間中,擁有整合先前離散元件的潛力會大受設計工程師的歡迎。在近期許多採用電阻式觸控螢幕的設計中,將螢幕控制器整合至應用處理器、主控制器,或者在某些Treo、明基電通、日立(Hitachi)的手機中,整合至音訊編解碼器,這些整合都已是可行的。

相對地,在現階段,電容觸控螢幕處理器一般仍只能以離散元件的形式存在,並放置在靠近觸控螢幕之處,以達到最佳效能並減少雜訊干擾。

投射式電容觸控螢幕效果佳成本也高

自2007年面世以來,iPhone的累積銷售量已超過八千萬支,這便是投射式電容觸控技術的最佳證明。回應於直接的人體觸摸而非點狀施壓,透光率達到90%甚至更高,且覆以剛性鏡面,讓螢幕耐久性得以大幅提升,這些都是讓蘋果選擇投射電容式觸控螢幕的重要關鍵。

圖2 在電容式觸控螢幕中,一個輕輕的觸摸便能自螢幕的每一個角落汲出電流,控制器會測量電流的比例,以決定觸摸的確實位置。
不過,實現前述優雅和直覺式使用者介面經驗的基本要素,則是來自電容式觸控螢幕獨特的靈巧「輕施壓」觸控辨識及多點觸控功能。流暢捲動,輕巧點擊便能下拉選單,多點手勢則能放大或縮小,消費者輕輕鬆鬆、毋需任何技巧便能快速地在iPhone的各種功能間切換瀏覽(圖2)。

投射式電容觸控螢幕傳統上包含型化導電塗層,有一片X軸層膜及一片Y軸層膜,兩片排列在一起以形成矩陣結構,通常還需要第三片遮蔽層以保護觸控螢幕不受到液晶顯示器(LCD)或主動矩陣有機發光二極體(AMOLED)顯示器的影響。

引人注目的設計、帶給使用者許多的好處,以及iPhone的市場成功,儘管這些優勢在四年前便已浮現,然而電容式解決方案在其他市場區塊的使用率仍然相對保守許多,阻礙普及的背後原因來自技術和商業兩個層面。

首先,現有的兩層或三層電容式觸控螢幕約較電阻式產品貴上二至五倍,這對許多潛在使用者而言,成本負擔太高。

另一個原因則是無法提供現成的解決方案,這意味新產品的開發曲線不會太短,如此便造成許多挑戰,系統解決方案必須經過仔細的調整。

例如,螢幕和控制器無法簡單地橋接在一起,而必須小心翼翼地搭配。觸控控制器IC本身便是一種相當複雜的元件,具有拒斥雜訊的類比前端、內建專有感應IP及複雜、客製化的演算法。

關於電容式解決方案產品實現的最後一個問題則與電氣強度有關。為確保來自LCD的雜訊不會影響效能,因此便必須將觸控控制器的位置盡可能地靠近感測器。在大部分的情況中,這個位置是在靠近觸控螢幕的尾端部分。

單層電容式觸控螢幕可擴大市場應用

隨著市場擴大及供應商的增加,傳統多層感測架構的成本已在逐漸降低,然而降幅仍不足以讓現有的電容式觸控技術快速普及。

真正單層、多點觸控銦錫氧化物(ITO)的解決方案,才能從根本上簡化感測器的製造,且能更顯著地節省成本。現有的方法需要多達三片的ITO導電層:X和Y電極層,通常還需要第三片遮蔽層。一般而言,3~5吋螢幕的一層導電層的價格約為1美元,因此,單層解決方案的潛在好處顯而易見(圖3)。

圖3 真正的一層式電容式觸控螢幕能以專有的單一導電層取代X和Y軸電極。有效的控制器IC類比前端設計能管理雜訊,並省掉遮蔽層的需求。

此外,層數越少意味可以更簡化製造過程、提高良率,且LCD的透光性也會更佳,如此能夠減少背光需求,進一步省下珍貴的電力,於是電池壽命便得以延長。

IDT PureTouch系列的最新產品採用專有的單層ITO感測型式,可一併整合X和Y感應層的功能。此一真正的單層多點觸控設計,不再需要以額外的遮罩步驟去隔離感測器交點及橋接X和Y感測矩陣線路。

再者,藉由將所有感測器整合至單一導電層,PureTouch的解決方案還能避免傳統多點觸控的鬼影問題,亦即當多根手指位置模糊時,便很難判定精確的X/Y數據。隨著許多客戶採用主端解讀的特定手勢以創造各自解決方案的差異化,來自觸控控制器的精確X/Y數據也就更形重要。

最後,觸控控制器的設計和穩固性至關重要。倘若類比前端的設計提供高水準的雜訊拒斥效能,便無需一片單獨的觸控螢幕遮蔽層。而結合極佳的成本效率、支援多點觸控感測器及穩固的觸控控制器,將讓單層電容式觸控螢幕能夠擴大市場應用,以與眾不同的方式鎖定這成長中的市場。

(本文作者為IDT先進使用者介面事業群總經理)

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