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　　偶爾有人把拆解東西當(dāng)作樂趣! @內(nèi)文:有些人真的喜歡拆開電子裝置，看看里面裝了什么東西，如果不必?fù)?dān)心如何裝回去的話就更有趣了。就現(xiàn)今的消費(fèi)性電子裝置而言，產(chǎn)品一旦被拆解，幾乎可以保證無法回復(fù)原狀，很少人真正了解觸控顯示屏系統(tǒng)是如何組成的。為了解現(xiàn)今最熱門的技術(shù)之一，我們得拆開觸控顯示屏手機(jī)的上層，看看里面有什么結(jié)構(gòu)。一旦動(dòng)手，我們將發(fā)掘現(xiàn)今觸控顯示屏背后的運(yùn)作原理。

　　所有消費(fèi)者都看得到現(xiàn)今最熱門手機(jī)的外貌，其中有許多機(jī)型擁有塑膠或玻璃材質(zhì)的顯示屏，但大多數(shù)人并不了解里面的結(jié)構(gòu)與其運(yùn)作原理。接下來我們將探索這類產(chǎn)品感測器的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)，以及從外觀看不出的技術(shù)，用來感測在顯示屏表面進(jìn)行的觸碰操作，還有行動(dòng)產(chǎn)品制造商在設(shè)計(jì)搭載觸控顯示屏的產(chǎn)品時(shí)，必須做何技術(shù)面的取舍。

　　值得一提的，本文是三部曲專文的第一篇，旨在幫助讀者了解觸控產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)（本文），產(chǎn)品如何判定解讀在顯示屏表面上的觸碰動(dòng)作與手勢(shì)（專文二），以及消費(fèi)性產(chǎn)品和觸控筆的運(yùn)用（專文三）。這些專文的目的都是讓讀者從技術(shù)層面詳細(xì)了解觸控顯示屏的各個(gè)子系統(tǒng)。

　　觸控技術(shù)最顯著的特征：運(yùn)用手指，不論觸控顯示屏采用何種技術(shù)，手指都作為系統(tǒng)提供阻隔效果的物件。有些觸控顯示屏是利用觸碰動(dòng)作的物理力量來輸入觸碰動(dòng)作，其他技術(shù)則是利用手指來阻隔紅外線或攝影機(jī)的視野，其他技術(shù)則是量測當(dāng)手指接近時(shí)電流的變化，本文大部分探討的是最后一種技術(shù)。量測觸控顯示屏面板的電氣屬性變化，這種技術(shù)稱為「電容式觸控」。在本文中，觸控顯示屏系統(tǒng)能量測觸控顯示屏上電容的微幅變化。

　　《圖一導(dǎo)電的手指會(huì)阻隔觸控顯示屏上的電場（互容式電容感測） 》

　　事實(shí)上，投射式電容感測硬體包含一片玻璃或塑膠材質(zhì)的覆層，旁邊則是整排的X 與Y軸感測器所組成的氧化銦錫ITO元件層，ITO以沉積法置于一層絕緣層上。 ITO是一層透明的導(dǎo)電膜，它能傳導(dǎo)電荷，讓電荷進(jìn)出觸控顯示屏的表面。由傳送與接收電極負(fù)責(zé)觸控顯示屏上的電荷，這些電極通常排列成直行或橫列圖案，借以判定阻斷電場的物體位置。　

　　當(dāng)手指或其他導(dǎo)電物體接近顯示屏?xí)r，感測器與手指之間就會(huì)形成一個(gè)電容。這個(gè)電容值低于系統(tǒng)的其他電容，但可透過許多技巧量測到，通常涉及線路內(nèi)電容的快速變化，以及透過電阻器（resistor）量測放電時(shí)間。常用的感測方法有兩種，亦即「互容」與「自容」感測法。自容法是偵測當(dāng)手指觸碰到顯示屏?xí)r，感測器自容的增加。互容法則是量測傳送感測器與接收感測器之間電容耦合的下降（如圖一所示）。

　　投射式電容感測器陣列的設(shè)計(jì)方法，讓手指在任一時(shí)刻都會(huì)和超過一個(gè)X軸感測器以及Y軸感測器進(jìn)行互動(dòng)。這讓軟體能利用內(nèi)插法（interpolation），精準(zhǔn)判定手指的位置，因?yàn)榛ト莞袦y法會(huì)檢查每個(gè)X/Y軸的交叉點(diǎn)，而不光只是檢查每個(gè)X/Y軸感測器，因此互容感測法能同時(shí)偵測到多個(gè)觸碰動(dòng)作。

　　現(xiàn)在我們有基本的概念，了解何以手指能阻斷觸控顯示屏上的電場，接下來我們進(jìn)一步探討觸控顯示屏系統(tǒng)的硬體，以及了解每個(gè)元件為整體系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。

　　      《圖三觸控顯示屏系統(tǒng)的元件》

　　圖三顯示多個(gè)重要元件，包括外層防護(hù)片與感測器、LCD以及印刷電路板。防護(hù)片是產(chǎn)品最外層的元件，消費(fèi)者就是在這層元件上和產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)。在某些產(chǎn)品中，防護(hù)片只是一層保護(hù)的元件，具有防刮與防損的功能，或者本身就是觸控感測系統(tǒng)的一部分。對(duì)于大多數(shù)電容式觸控系統(tǒng)而言，觸控顯示屏「感測器」就位在防護(hù)片的底下。感測器其實(shí)是透明的玻璃或壓克力材質(zhì)的面板，具有觸控反應(yīng)的表面元件，以印刷或沉積的方式制成，感測器通常直接附貼在保護(hù)片上。接著，觸控感測器會(huì)覆上一個(gè)圖形顯示元件，讓面板的觸控區(qū)域覆蓋顯示屏的可視區(qū)域。最后一個(gè)關(guān)鍵元件就是觸控控制器本身的硬體系統(tǒng)。

　　在現(xiàn)今的系統(tǒng)中，觸控控制器是一顆微小的微控制器晶片，像是Cypress 的TrueTouch，置于觸控感測器與系統(tǒng)主控控制器之間。這顆晶片置于系統(tǒng)內(nèi)的控制器電路板內(nèi)，或是位于貼附在玻璃觸控感測器之上的可撓式電路板（FPC）。這個(gè)觸控控制器能接收觸控感測器的資訊，并將資訊轉(zhuǎn)譯成系統(tǒng)主控控制器能判讀的格式，然后再透過像是I2C或SPI等常用通訊匯流排，把資訊傳送出去，這類匯流排僅需要5至8根針腳，就能連結(jié)至主印刷電路板的連結(jié)器（如圖四所示）

　　《圖四各種不同制造組態(tài)的觸控面板》

　　以上的描述提供系統(tǒng)的基本構(gòu)造，接下來我們要探討觸控感測器本身的技術(shù)細(xì)節(jié)。圖3顯示感測器的橫截面，顯示多重不同導(dǎo)電材料的分層。根據(jù)感測器選用的電路圖案與材料，ITO分層、薄膜、或玻璃基板，還有中間黏接的材料（OCA，光學(xué)透明膠），這些元件會(huì)構(gòu)成各種不同的組合。制造商會(huì)依據(jù)厚度、成本、透明度、堅(jiān)固性、邊框?qū)挾取⑶胺揭暣安馁|(zhì)、重量以及效能等因素，選擇適合的組合。

　　在電容式觸控顯示屏中，觸控反應(yīng)表面的材質(zhì)幾乎都是氧化銦錫（ITO）。氧化銦錫通常用來制造透明的導(dǎo)電覆層，能透過電子束蒸鍍（electron-beam evaporation）、或?yàn)R鍍（sputtering）等方法沉淀制成。 ITO薄膜的光學(xué)與電氣屬性和沉積法、采用材料的品質(zhì)以及執(zhí)行的制程之間有密切的關(guān)連（就像汽車的涂漆，若是在低于標(biāo)準(zhǔn)的制程下，即使使用相同的漆料也會(huì)涂出差異極大的成品）。對(duì)于ITO而言，沉積層應(yīng)含有高密度的電荷載子才能有高導(dǎo)電性。高導(dǎo)電性（或低薄層電阻，單位為歐姆/單位面積），與高透明率之間得取一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。 

　　薄層電阻可取極低值（20-50 Ohms/sq），搭配超過80%的可視透明率，但若要讓透明率接近90%，薄層電阻必須超過100 Ohms/sq。透射率（穿透感測器至LCD的可視透明度）與電阻（電流輕易輕過觸控面板）之間的微妙平衡，使得感測器的設(shè)計(jì)成為各家廠商極力保護(hù)的商業(yè)機(jī)密。事實(shí)上，市場上有許多不同的設(shè)計(jì)，讓業(yè)者根據(jù)效能的先后來做不同取舍。

　　  《圖五針對(duì)訊號(hào)偵測設(shè)計(jì)不同交錯(cuò)模式的X/Y軸感測范例》

　　大多數(shù)觸控顯示屏感測器直接接附在LCD（液晶顯示器），較新的AMOLED 技術(shù)（主動(dòng)有機(jī)發(fā)光二極體）則采用各向異性導(dǎo)電薄膜（Anistropic conductive film），運(yùn)用微小的導(dǎo)電金屬球置于黏膠帶上，用來接合觸控顯示屏面板與LCD模組。搭載觸控功能的產(chǎn)品，挑選顯示屏所考量的因素和傳統(tǒng)系統(tǒng)一樣: 包括解析度、透明度、更新速度以及成本。觸控顯示屏其中一項(xiàng)主要考量因素，則是它們產(chǎn)生的電子輻射，或是雜訊。由于觸控感測器的技術(shù)，是根據(jù)面板被觸碰時(shí)產(chǎn)生微幅的電荷變化，因此會(huì)發(fā)出大量電子雜訊的LCD就很難補(bǔ)救，所以不宜采用。

　　點(diǎn)倒轉(zhuǎn)（Dot Inversion）

　　對(duì)于觸控顯示屏而言，這是較受歡迎的TFT LCD顯示技術(shù)，點(diǎn)倒轉(zhuǎn)型LCD在LCD表面上覆蓋直流共用電壓（DC Vcom）。直流Vcom會(huì)形成一個(gè)遮蔽層，可擋掉LCD的切換雜訊。

　　線倒轉(zhuǎn)（Line Inversion）與框倒轉(zhuǎn)（Frame Inversion）

　　線倒轉(zhuǎn)型的LCD，會(huì)運(yùn)用覆蓋LCD表面的交流共用電壓（AC Vcom）。這個(gè)交流電壓所產(chǎn)生的雜訊，會(huì)被感測器接收。這種LCD需要第三層ITO，利用遮蔽層來保護(hù)接收電極，避免收到LCD切換時(shí)所產(chǎn)生的雜訊。若選用這種LCD，業(yè)者務(wù)必選擇最慢的訊號(hào)上升時(shí)間，因?yàn)榍袚Q頻率和LCD產(chǎn)生的雜訊量有直接關(guān)連。

　　AMOLED

　　AMOLD 含有一個(gè)方陣排列的OLED像素，透過持續(xù)的電流來產(chǎn)生光線，就每個(gè)像素而言，這些電流是由至少兩個(gè)薄膜電晶體（TFT）來控制。其中一個(gè)TFT用來啟動(dòng)與停止儲(chǔ)存電容的充電，第二個(gè)TFT則用來提供必要的電壓來源以維持穩(wěn)定的電流。這種結(jié)構(gòu)能減少雜訊，適合用在電容式感測系統(tǒng)。

　　最后，當(dāng)手指觸碰到觸控感測器時(shí)，電荷就會(huì)離開面板并傳到接收電極，觸控顯示屏控制器會(huì)量測到電容的變化。根據(jù)LCD發(fā)射的雜訊，觸控控制器在辨識(shí)真正觸碰動(dòng)作與干擾訊號(hào)時(shí)，會(huì)面臨難易不同的情況。系統(tǒng)中其他硬體的實(shí)際性能，取決于觸控顯示屏的控制晶片。若面板的電阻過高，加上LCD發(fā)出過多雜訊，或者電路圖案的設(shè)計(jì)不精準(zhǔn)，抑或未針對(duì)效能進(jìn)行優(yōu)化，那么從觸控面板傳回到觸控控制晶片的訊號(hào)就會(huì)很微弱或不精準(zhǔn)。

　　結(jié)語

　　了解硬體與感測器結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，讀者可更深入掌握工程知識(shí)，開發(fā)出性能完善的觸控顯示屏產(chǎn)品。許多使用者要求的只是其手機(jī)介面能正確解讀自己手指要輸入的內(nèi)容，光是這樣產(chǎn)品幕后的觸控系統(tǒng)就需要極精密復(fù)雜的設(shè)計(jì)；關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)的成品必須讓使用者無縫且輕易地操作。包括電路圖案的設(shè)計(jì)、ITO沉積、材質(zhì)、LCD以及觸控控制器的類比與濾波效能，這些重要因素都決定產(chǎn)品是否能提供世界級(jí)的觸控與完美的使用者體驗(yàn)。