觸摸屏原理

電容式感測技術(shù)進入內(nèi)嵌式(In-cell)技術(shù)研發(fā)，降低觸摸屏厚度

05月04日

分類：觸摸屏原理

降低觸控面板厚度，In-cell實現(xiàn)行動裝置輕薄體驗。電容式感測技術(shù)自發(fā)表以來已經(jīng)歷大幅演進，不僅能實現(xiàn)多指觸控、解讀各種復(fù)雜的手勢動作，更能應(yīng)付充斥干擾源的環(huán)境，以及支持大尺寸屏幕。如今，業(yè)者已積極投入內(nèi)嵌式(In-cell)技術(shù)研發(fā)，期進一步降低觸控面板厚度與成本。

而這種觸控功能也已跨入到平板計算機這種新類型的行動裝置中，應(yīng)用在平板計算機觸控中的電容感測技術(shù)發(fā)展將會持續(xù)帶動這波科技風潮。從家電產(chǎn)品到汽車、工業(yè)、住宅自動化、行動與家庭運算，電容感測技術(shù)正影響著用戶與電子裝置之間的互動方式。

電容式感測技術(shù)從首次發(fā)表以來已經(jīng)歷大幅的演進，一開始只是一種簡單的按鈕技術(shù)，主要用來追蹤手指的X與Y軸的坐標位置，之后演變成同時追蹤多只手指的位置。如今這些裝置能獨立追蹤手指的數(shù)量已無上限，且可解讀各種更復(fù)雜的手勢動作、應(yīng)付充斥干擾源的環(huán)境以及支持尺寸更大的屏幕。而下一個目標就是降低成本，因此各家廠商即開始進行內(nèi)嵌式(In-cell)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。

電容式觸控傳感器技術(shù)復(fù)雜

要在電子裝置內(nèi)運用電容感測技術(shù)，并非像買一顆硅芯片裝到印刷電路板(PCB)那樣簡單。電容式感測是一種復(fù)雜的電子機械系統(tǒng)，通常包含上覆鏡片(Cover Lens)、傳感器、軟扁平電纜(Flex Tail)以及芯片等幾個主要零件，一起組成觸控系統(tǒng)。

圖1是一個On-Stack或外掛式(Out-cell)堆棧的典型例子，外掛式觸控技術(shù)的傳感器位于顯示層空區(qū)(Display Cell)的外部，傳感器連結(jié)到一個軟式印刷電路板(Flexible Printed Circuit, FPC)，電容感測芯片就是置于FPC軟扁平電纜上。

圖1 On-Stack或Out-cell堆棧的結(jié)構(gòu)

分析這種堆棧，排除原本就需要的上層玻璃或屏幕，系統(tǒng)中最昂貴的零件就是傳感器本身。由于傳感器不容易制造，需要多個制程步驟以及壓膜，而且使用的材料亦相當昂貴，所以在手機應(yīng)用方面，這種傳感器的成本是芯片的三倍，且其成本和屏幕尺寸成比例而不是和屏幕對角線長度成正比。

傳感器結(jié)構(gòu)大不同

圖2即為市場上常見的三種傳感器。由于這些傳感器采用玻璃或聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板等材料制成，所以傳感器內(nèi)的電路圖型最常使用的材料是銦錫氧化物(ITO)。ITO是良好導(dǎo)體，而且極為透明，肉眼幾乎看不見，但非常昂貴。圖2左邊的第一個傳感器是一個兩層的傳感器，以PET材料制造而成。圖2中間第二個傳感器經(jīng)常被誤稱為單層式，因為它只有一層基板，但實際上它更應(yīng)該稱作是1.5層傳感器。它的厚度比雙層傳感器來得薄，還得附上一層絕緣層并插入介接層(Bridge)。圖2右則是一款真正單層式傳感器，該傳感器既沒有絕緣或介接組件，且價格只有前兩種傳感器的一半。

市場上較為常見的三種傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 市場上較為常見的三種傳感器結(jié)構(gòu)

減少傳感器層數(shù)　In-cell與On-cell可降低系統(tǒng)成本

對于手機制造商而言，藉由減少系統(tǒng)的層數(shù)讓傳感器更薄且更便宜，是相當具有吸引力的作法，顯示器制造商則是竭盡全力把傳感器的感測層整合到自己的顯示器里。這種作法不僅可簡化供應(yīng)鏈，而且還能降低系統(tǒng)成本與厚度，但卻同時會限制了設(shè)計的彈性，因此許多人預(yù)測當市場成熟后，On-cell與In-cell式堆棧僅會占有一部分的市場版圖。

現(xiàn)今兩種主要的顯示器整合觸控傳感器技術(shù)為On-cell與In-cell。根據(jù)考慮的顯示器種類，如薄膜晶體管(TFT)、橫向電場效應(yīng)(IPS)以及有機發(fā)光二極管(OLED)，在不同顯示器應(yīng)用中，兩種技術(shù)的定義也略有差別，且亦有一些共同原則。On-cell顯示器在彩色濾光片上整合感測層，而In-cell顯示器則如圖3所示，把感測層整合在彩色濾光片下方。

On-cell與In-cell差異處在于感測層的位置

圖3 On-cell與In-cell差異處在于感測層的位置

在一個典型的On-cell液晶屏幕中，ITO感測層沉積于偏光片的下方，并且位于彩色濾光片的上方。On-cell的主要挑戰(zhàn)是顯示器耦合到感測層的噪聲數(shù)量，觸控屏幕組件必須運用精密的算法來處理這種噪聲。On-cell技術(shù)提供將傳感器整合到顯示器的所有好處，例如使觸控面板更加輕薄與大幅降低成本等優(yōu)點，但整體系統(tǒng)成本降低的幅度仍然遠遠不及In-cell技術(shù)。

In-Cell噪聲/觸控靈敏度問題棘手

In-cell在成熟后，各界相信其能提供最低廉的顯示器整合式觸控解決方案。這是因為In-cell式觸控屏幕把ITO感測層沉積在彩色濾光片的下方。這也減少了制造顯示器所需的步驟。而且意味著顯示器僅須一個軟扁平電纜連結(jié)點，而不是On-cell須要用到兩個連結(jié)點。

除此之外，若是把ITO層沉積在彩色濾光片玻璃的下方以及Vcom層的正上方，這種作法的確會產(chǎn)生一些問題。

首先，In-cell堆棧內(nèi)的觸控屏幕控制器，會開始有顯示器內(nèi)部產(chǎn)生噪聲的嚴重問題。再者，Vcom層則會形成一個大接地層，充滿投射電容訊號，因而降低觸控時的靈敏度。最后，堆棧的方式會對感測信道產(chǎn)生一個相當大的寄生電容，這意味觸控屏幕組件供應(yīng)的Tx電流，其強度必須要夠高，才足以帶動一個較大的電流負載。以上因素讓In-cell技術(shù)面臨極難克服的工程挑戰(zhàn)。

解決In-cell噪聲過高與電流不足　DDI控制器模擬處理功能顯優(yōu)勢

顯示器制造商應(yīng)該如何克服In-cell的挑戰(zhàn)，以便讓這種新技術(shù)能順利推入市場呢？首先，廠商可運用Display Armor技術(shù)來解決噪聲問題，這種技術(shù)會監(jiān)聽顯示器噪聲，并利用精密的硬件來消除電容量測信道傳出的噪聲。其次，評估多種拓撲，研究其在驅(qū)動最大寄生負載方面的成效。這些架構(gòu)通常包括運用顯示驅(qū)動IC(DDI)組件，來為電容式觸控控制器驅(qū)動屏幕面板。

DDI控制器屬于高電壓組件，采用20～30奈米(nm)的極小型動態(tài)隨機存取內(nèi)存(DRAM)制程技術(shù)。該組件輸出最高可高達50伏特(V)。而電容式觸控控制器通常采用130～250奈米制程技術(shù)，市面上最高Tx功率的組件通常為10伏特。DDI控制器的高輸出功率，使其更加適合用來驅(qū)動傳感器組件，而觸控芯片的先進模擬處理功能，則可讓它們非常適合執(zhí)行感測作業(yè)，強化觸控的效能。

促使DDI與觸控芯片互相通訊　專利總線大展身手

如何讓DDI與觸控芯片這些組件一起運作為重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前已有觸控IC供貨商正嘗試把這兩種技術(shù)整合到一個芯片內(nèi)，但是這種架構(gòu)可能不是最有效率的。

若把DDI技術(shù)引進到觸控技術(shù)制程，結(jié)果會造成組件體積太大且成本昂貴，而要是把觸控技術(shù)導(dǎo)入DDI制程，則又會在模擬通道上面臨許多嚴重的問題。除此之外，另一個艱難的挑戰(zhàn)是DDI芯片對于所驅(qū)動的顯示器而言一向都會具有排他性，因此對于觸控IC設(shè)計廠商而言，要結(jié)合這兩種產(chǎn)品須要投入極多的心力。

為了解決此一問題，可以使用另一種架構(gòu)讓兩種芯片能夠相互通訊。在圖4中可清楚看到DDI芯片驅(qū)動傳感器，而觸控芯片則負責量測電容傳感器。兩者可透過一個專利總線進行通訊，此為目前最為先進的解決方案。它讓DDI模型能夠維持原貌，并且使觸控解決方案可以有最高的彈性。在這種專利總線的架構(gòu)中，觸控芯片可以是緊靠著DDI旁玻璃上的晶?；蚴侵糜诳蓳鲜奖馄诫娎|內(nèi)，以便為客戶空出更多的設(shè)計空間。

DDI與觸控芯片透過專利總線可進行通訊