【導(dǎo)讀】：隨著產(chǎn)品的覆蓋層厚度持續(xù)增加，對(duì)于觸按的傳感系統(tǒng)，也必須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)調(diào)整，尤其是對(duì)于終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求，要求的是開(kāi)關(guān)表現(xiàn)的穩(wěn)定性與實(shí)用性，如何制作一個(gè)能提升電容觸按偵測(cè)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。
北京時(shí)間04月08日消息，中、小尺寸行動(dòng)裝置的觸控屏幕解決方案，其實(shí)就是相當(dāng)單純的混和信號(hào)處理技術(shù)的考驗(yàn)，尤其在手指與觸屏之間的噪訊與實(shí)際訊號(hào)的些微差異，如何用最佳化、最具效率的偵測(cè)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(yàn)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(shí)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(yàn)，實(shí)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(jì)成果，此也成為各大硬體廠商爭(zhēng)相導(dǎo)入相關(guān)設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵...
以往實(shí)體開(kāi)關(guān)、按鍵的設(shè)計(jì)方案，產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(pán))接點(diǎn)的彈跳、噪訊處理，去控制輸入訊號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)位化后相對(duì)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(ài)各式實(shí)體按鍵設(shè)計(jì)。
但實(shí)體按鍵的設(shè)計(jì)，仍有許多物理性的考量，例如，實(shí)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(shí)體按鍵會(huì)有按鍵彈性疲乏、接點(diǎn)氧化...等問(wèn)題需改善，按鍵若為開(kāi)放性設(shè)計(jì)，使用裝置環(huán)境的水氣、灰塵也會(huì)出現(xiàn)影響開(kāi)/關(guān)偵測(cè)的訊號(hào)穩(wěn)定性，在按鍵的處理靈敏度、可靠性都會(huì)呈現(xiàn)相對(duì)較低的問(wèn)題。
實(shí)體按鍵的尺寸在面對(duì)產(chǎn)品集積化(小型化)的演進(jìn)過(guò)程，也成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一大限制！例如，對(duì)于行動(dòng)裝置需要的輸入鍵盤(pán)需求，若以實(shí)際按鍵的標(biāo)準(zhǔn)101鍵鍵盤(pán)設(shè)置，肯定會(huì)讓產(chǎn)品的重量、厚度、成本相對(duì)增加，而產(chǎn)品還未享受到搭載實(shí)際鍵盤(pán)的效益前，硬體開(kāi)發(fā)商就必須面對(duì)零件成本的問(wèn)題，即便新一代的設(shè)計(jì)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(wèn)題，但這類(lèi)按鍵也會(huì)面臨按鍵使用耐用度與觸按體驗(yàn)較差的物理限制問(wèn)題。
Apple的iOS Device產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，以顯示觸屏去解決大量的按鍵需求，在市場(chǎng)上獲得消費(fèi)者的青睞，不只是利用顯示觸屏帶來(lái)的效益，更多的消費(fèi)性電子，如DV、DC、NB也大量采行非顯示的電容式觸按開(kāi)關(guān)，逐一取代實(shí)體開(kāi)關(guān)與按鍵，讓產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)朝向更簡(jiǎn)潔的方向。
電容式觸控方案已使用多年
電容式觸控感應(yīng)按鍵技術(shù)原理
實(shí)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(jiàn)于各種電子裝置的設(shè)計(jì)中！尤其是近期采混合信號(hào)的可程式化元器件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，讓電容式觸控傳感器成為取代各種消費(fèi)電子產(chǎn)品機(jī)械式開(kāi)關(guān)的一大關(guān)鍵，讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)增添實(shí)用性價(jià)值與更多額外效益。
典型的電容式傳感器設(shè)計(jì)方案，觸按面的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般要求覆蓋層的厚度必須低于3mm以下，因?yàn)樵胶竦母采w層將會(huì)導(dǎo)致觸按訊號(hào)偵測(cè)劣化，造成裝置誤判觸按訊號(hào)，讓裝置出現(xiàn)失誤的問(wèn)題增多。新的消費(fèi)性電子設(shè)計(jì)，為求機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度要求，或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(huì)讓觸按控制IC進(jìn)行手指電容的觸按偵測(cè)過(guò)程變得越來(lái)越困難與復(fù)雜，尤其增加了更多處理信號(hào)的環(huán)境變數(shù)。
換句話說(shuō)，隨著產(chǎn)品的覆蓋層厚度持續(xù)增加，對(duì)于觸按的傳感系統(tǒng)，也必須經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)調(diào)整，尤其是對(duì)于終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求，要求的是開(kāi)關(guān)表現(xiàn)的穩(wěn)定性與實(shí)用性，如何制作一個(gè)能提升電容觸按偵測(cè)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(jì)方案被應(yīng)用于家電設(shè)計(jì)中，尤其是白色家電的相關(guān)應(yīng)用里，常見(jiàn)的狀況是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為了要求裝置在強(qiáng)度、耐用度方面的提升，在觸按區(qū)必須采取較強(qiáng)固的設(shè)計(jì)方案，例如厚達(dá)10mm的強(qiáng)化玻璃或是ABS塑膠件，雖然對(duì)于手指電容的感測(cè)，玻璃或塑膠介質(zhì)對(duì)物理電容感應(yīng)并不會(huì)產(chǎn)生太大影響，只要不是金屬或金屬鍍層問(wèn)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(cè)難度提升，因?yàn)楸砻骐娙莸姆磻?yīng)數(shù)值變得更加微弱，觸按傳感器的偵測(cè)結(jié)果還必須克服環(huán)境雜訊的問(wèn)題。
觀察最簡(jiǎn)單的電容器設(shè)計(jì)，由簡(jiǎn)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(huì)直接聚集在電容器的導(dǎo)電極板間，少許能量會(huì)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(jì)，多是由一組與電場(chǎng)相互作用的導(dǎo)體組合而成，在人類(lèi)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(shí)踐的基礎(chǔ)原理。
實(shí)作電容觸控傳感器
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實(shí)作電容觸控傳感器的關(guān)鍵問(wèn)題在于，需要設(shè)計(jì)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(chǔ)存容量，即已知之手指電容，相對(duì)無(wú)手指觸摸的傳感器原有電容(寄生電容)，兩者會(huì)有些微差異，而常見(jiàn)電容式傳感器的誤解是，裝置為使系統(tǒng)正確運(yùn)行，手指必須呈現(xiàn)接地才能讓整套機(jī)制順利運(yùn)作？實(shí)際的狀況則是，手指能夠被偵測(cè)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(méi)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(jì)，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(huì)整合5~10個(gè)觸點(diǎn)虛擬按鍵，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，每組按鍵必須有均勻間距，虛擬按鍵過(guò)近則必須考量間隙的預(yù)留尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)，若按鍵間的間隙尺寸設(shè)置過(guò)小，將造成過(guò)多的電場(chǎng)能量直接傳遞至接地端，尤其在面對(duì)較厚的覆蓋層時(shí)，間隙的設(shè)計(jì)參數(shù)就必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)反覆測(cè)試以找出最佳參數(shù)。
性能測(cè)試重點(diǎn)
電容觸按設(shè)計(jì)要取代傳統(tǒng)機(jī)械按鍵的關(guān)鍵，就在于操作體驗(yàn)是否能達(dá)到穩(wěn)定、無(wú)誤的狀態(tài)，此必須在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行更完善的性能測(cè)試，例如，開(kāi)發(fā)階段可以利用一個(gè)終端產(chǎn)品的仿真設(shè)計(jì)模型進(jìn)行大量測(cè)試，透過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿X取差分計(jì)數(shù)，再藉助數(shù)位繪圖即時(shí)檢視觸按狀態(tài)。
實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試性能時(shí)，以前例設(shè)計(jì)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(shí)間，虛擬電容觸按按鍵的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，即時(shí)被累加于計(jì)數(shù)器，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中可以針對(duì)按鍵的輸出訊號(hào)，檢視能否在按鍵開(kāi)/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(jìn)行檢測(cè)出現(xiàn)較大噪訊時(shí)，也必須維持較佳的觸按訊號(hào)反饋。
導(dǎo)入電容觸按設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)效益
電容觸按設(shè)計(jì)與機(jī)械式開(kāi)關(guān)比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)電容觸按設(shè)計(jì)有相當(dāng)多的優(yōu)點(diǎn)，尤其是基于電容原理的觸按傳感器耐用性相當(dāng)好，具不易損壞的特性，并可獲得較長(zhǎng)的使用壽命表現(xiàn)，不像機(jī)械開(kāi)關(guān)在后期會(huì)有較大按鍵彈跳、故障等問(wèn)題，尤其是現(xiàn)今混合信號(hào)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(jī)械式開(kāi)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(shì)
過(guò)去很多LCD模組都采行電阻式觸控屏設(shè)計(jì)，這類(lèi)觸控屏設(shè)計(jì)將螢?zāi)坏拿娣e等效于物理位置而進(jìn)行X、Y軸座標(biāo)轉(zhuǎn)換，控制IC的輸出為將螢?zāi)槐砻鍵TO的觸點(diǎn)座標(biāo)電壓值傳回進(jìn)行座標(biāo)換算，常見(jiàn)的有4、5、7和8線觸控屏設(shè)計(jì)，但實(shí)際上電阻式顯示觸控屏設(shè)計(jì)方案的物理限制較多，如顯示效果因ITO較多影響視覺(jué)效果，實(shí)際電阻式觸屏的基礎(chǔ)原理也是透過(guò)機(jī)械原理達(dá)成，會(huì)容易出現(xiàn)觸按反應(yīng)疲乏、使用壽命也較低的問(wèn)題。
基于電容式設(shè)計(jì)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(shí)為使用者帶來(lái)更多優(yōu)點(diǎn)，例如，高達(dá)97%穿透率、更真實(shí)的色彩呈現(xiàn)、螢?zāi)坏挠|控功能僅需輕觸即可確認(rèn)觸點(diǎn)、更長(zhǎng)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(wàn)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(diǎn)偵測(cè)原理
電容式觸控屏技術(shù)，其偵測(cè)信號(hào)的原理為偵測(cè)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(jiàn)于大尺寸的戶外顯示、互動(dòng)式電子看板應(yīng)用，PCT技術(shù)因Apple推出具M(jìn)ulti-Touch多觸點(diǎn)偵測(cè)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(yùn)作控制盤(pán)(多為機(jī)械式設(shè)計(jì))，整合至單組屏幕去進(jìn)行控制，整合更方便、直覺(jué)的觸屏人機(jī)介面設(shè)計(jì)。然而，前述的應(yīng)用早期多采行電阻式觸控屏設(shè)計(jì)方案，但電阻式觸控屏因ITO具壽命與耐用性限制，無(wú)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(jì)需求的SCT，成為高階設(shè)備機(jī)臺(tái)的首選應(yīng)用方案。
而PCT的使用趨勢(shì)為延續(xù)中、小尺寸電阻式觸控屏市場(chǎng)出現(xiàn)的爆發(fā)性成長(zhǎng)！早期中小尺寸的PND、PDA、智慧型行動(dòng)電話產(chǎn)品，其屏幕觸控多采行電阻式觸控設(shè)計(jì)，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(xué)特性、多點(diǎn)觸控功能掀起市場(chǎng)風(fēng)潮，成為近來(lái)最受矚目的中、小尺寸面板當(dāng)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(guò)蝕刻制成特定圖案，目的在提高各觸碰點(diǎn)的SNR噪訊比，藉此加強(qiáng)識(shí)別手指觸點(diǎn)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(cè)手指觸點(diǎn)位置，SCT控制器需于面板建構(gòu)均勻電場(chǎng)，此工作由IC內(nèi)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)面板進(jìn)行充電達(dá)成，而手指接觸顯示屏即引發(fā)微量電流，觸控IC即時(shí)感測(cè)解析UR、UL、LR、LL這4條導(dǎo)線電流量，并換算觸碰點(diǎn)的正確X、Y座標(biāo)值。
而PCT與SCT技術(shù)間最大差異在PCT有機(jī)會(huì)實(shí)踐Multi-touch多點(diǎn)觸控，而SCT為Single-touch單點(diǎn)觸控應(yīng)用。目前小尺寸顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)較少見(jiàn)SCT觸控方案，主要是元件的制造成本問(wèn)題，SCT面板制造商較欠缺的是關(guān)鍵光學(xué)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(jià)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(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，例如，待偵測(cè)的手指觸按信號(hào)相當(dāng)微弱，極易受傳導(dǎo)環(huán)境影響而讓整個(gè)觸按機(jī)制變得相當(dāng)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(cuò)誤動(dòng)作反應(yīng)。
加上手指觸按產(chǎn)生的電容變化值，實(shí)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(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)克服元件問(wèn)題，尤其在目前大量用于中、小尺寸的行動(dòng)裝置，同時(shí)會(huì)整合大量RF元件(3G、Wi-Fi、Bluetooth)，也會(huì)對(duì)觸按信號(hào)量測(cè)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(jìn)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(jì)方面，同樣面臨手指電容觸按訊號(hào)易受干擾問(wèn)題，但可藉由內(nèi)建于IC之各種提升SNR應(yīng)用機(jī)制，進(jìn)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(jiǎn)單，較容易于硬體技術(shù)方面進(jìn)行SNR提升設(shè)計(jì)，解決環(huán)境噪訊干擾問(wèn)題。 |
