一前言：電子設(shè)備發(fā)展史，鍵盤(pán)、鼠標(biāo)與觸摸板出現(xiàn)，解決輸入控制問(wèn)題。不過(guò)，對(duì)初學(xué)者而言，學(xué)會(huì)使用這些輸入接口門(mén)坎相當(dāng)高，而且所占空間不小，例如，筆記本電腦或手機(jī)一半體積都被鍵盤(pán)占據(jù)。若能省下鍵盤(pán)空間，自然能提升產(chǎn)品可移植性，最可行的方式，就是直接于面板以觸控方式進(jìn)行操作。

    觸控技術(shù)發(fā)展，其實(shí)已行之有年，然而，自去年iPhone推出，為觸控市場(chǎng)投下了1枚震撼彈，電子產(chǎn)業(yè)了解到，觸控屏幕并非只是小眾市場(chǎng)，其實(shí)足以成為主流輸入接口。iPhone證明好的觸控接口，確實(shí)能取代大多數(shù)鍵盤(pán)功能，并賦與用戶更直覺(jué)、便利的操作體驗(yàn)；以更大的面板替代鍵盤(pán)，還能設(shè)計(jì)出更輕薄、時(shí)尚造型；加上完全采用固態(tài)面板技術(shù)，不需擔(dān)心鍵盤(pán)、滑輪…等機(jī)械零件故障問(wèn)題。

    上述這些優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)早就存在，為何到現(xiàn)在才看到iPhone在市場(chǎng)脫穎而出？這是供需上的時(shí)勢(shì)所趨。今日手機(jī)內(nèi)建功能愈來(lái)愈復(fù)雜，尤其是智能型手機(jī)，iPhone貼心的觸控接口，讓智能型手機(jī)有機(jī)會(huì)贏得更多人的青睞。多點(diǎn)觸控功能出現(xiàn)，造成使用接口的新革命，用戶能以更直觀的方式使用產(chǎn)品。

     然而，有需求而沒(méi)技術(shù)，仍只是空談。在中小尺寸面板的手持式市場(chǎng)上，一向是電阻式觸控屏幕的天下，但iPhone改采投射電容式技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能，讓大家將注意力轉(zhuǎn)移到新的觸控技術(shù)。除iPhone，還有LG Prada手機(jī)、iPod Touch、Samsung Yepp YP-P2媒體播放器…等，都采用投射電容式觸控技術(shù)，可見(jiàn)此技術(shù)已從小眾走向大眾市場(chǎng)。

     表面電容式技術(shù)&電容式觸控技術(shù)，是透過(guò)手指接觸觸控屏幕造成靜電場(chǎng)改變進(jìn)行偵測(cè)，其中單點(diǎn)觸控電容式技術(shù)，其實(shí)已相當(dāng)成熟，也就是表面電容式(Surface Capacitive)。此技術(shù)架構(gòu)較單純，只需1面ITO層即可實(shí)現(xiàn)，而且此ITO層不需特殊感測(cè)信道設(shè)計(jì)，外圍只需接4條訊號(hào)線和接地線即可，生產(chǎn)難度及成本都可降低。運(yùn)作架構(gòu)上，系統(tǒng)會(huì)在ITO層產(chǎn)生1個(gè)均勻電場(chǎng)，當(dāng)手指接觸面板會(huì)出現(xiàn)電容充電效應(yīng)，面板上的透明電極與手指間形成電容耦合，進(jìn)而產(chǎn)生電容變化，控制器只要量測(cè)4個(gè)角落電流強(qiáng)度，就可依電流大小計(jì)算接觸位置。表面電容式技術(shù)雖然生產(chǎn)容易，但需進(jìn)行校準(zhǔn)工作，也得克服難解的EMI及噪訊問(wèn)題。最大的限制則是，它無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能，因電極尺寸過(guò)大，并不適合小尺寸手持設(shè)備設(shè)計(jì)。

    圖說(shuō)：表面電容式觸控工作示意圖。(Synaptics)" 投射電容式技術(shù); 投射電容式(Projected Capacitive)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控的希望所在。相較于表面電容式，投射電容式采單層或多層樣式化(patterned)ITO層形成行/列交錯(cuò)感測(cè)單元(sensing element)矩陣。如此一來(lái)，整個(gè)使用生命周期中，不需透過(guò)校準(zhǔn)就能得到精確觸控位置，而且可以使用較厚的覆蓋層，也能做到多點(diǎn)觸控操作不過(guò)，在設(shè)計(jì)上的難度也提升許多，以布線來(lái)說(shuō)，采投射電容式的手機(jī)面板，至少需要接15條線。

    就技術(shù)原理，有2種方式可實(shí)現(xiàn)投射電容式觸控感測(cè)，一種是自電容型(self capacitance，也稱absolute capacitance)，另一種為互電容型(mutual capacitance，也稱transcapacitance)。自電容型是指觸控物與電極間產(chǎn)生電容耦合，并量測(cè)電極的電容變化確定觸碰發(fā)生；互電容型則是當(dāng)觸碰發(fā)生，會(huì)在鄰近2層電極間產(chǎn)生電容耦合現(xiàn)象。

    根據(jù)這2種原理，可以設(shè)計(jì)不同的投射電容式架構(gòu)，不同架構(gòu)能做到的多點(diǎn)觸控功能也就不同。多點(diǎn)觸控其實(shí)可細(xì)分為2種：一種是手勢(shì)辨識(shí)追蹤與互動(dòng)(Gesture interaction)，也就是僅偵測(cè)、分辨多點(diǎn)觸控行為，如縮放、拖拉、旋轉(zhuǎn)…等，實(shí)現(xiàn)方式為軸交錯(cuò)式(Axis intersect)技術(shù)；另一種則是找出多點(diǎn)觸控個(gè)別位置，此功能需采復(fù)雜觸點(diǎn)可定位式(All point addressable；APA)技術(shù)才能達(dá)成。以下將介紹這2類(lèi)技術(shù)作法：

    軸交錯(cuò)式'軸交錯(cuò)式(又稱Profile-based)技術(shù)，是在導(dǎo)電層上進(jìn)行菱形狀感測(cè)單元規(guī)劃，每個(gè)軸向需要1層導(dǎo)電層。以2軸型式為例，觸控偵測(cè)時(shí)，感測(cè)控制器會(huì)分別掃描水平/垂直軸，產(chǎn)生電容耦合的水平/垂直感測(cè)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)上升波峰(peak)，而這2軸交會(huì)處即正確觸控點(diǎn)。由于每次量測(cè)為利用單導(dǎo)電層與觸碰物電容耦合現(xiàn)象，因此屬自電容型技術(shù)。

     @軸交錯(cuò)式電容式觸控技術(shù)，其實(shí)正是筆記本電腦觸摸板(touch pad)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，技術(shù)相當(dāng)成熟，但觸摸板與觸控屏幕最大差異在于，前者是不透明、后者是透明的。因?yàn)椴煌该鳎杂|摸板可在感測(cè)區(qū)使用金屬或碳原子式電極。投射電容式觸控屏幕則是透明的，因此需采透明ITO做為導(dǎo)電電極，而且此層ITO不像電阻式或表面電容式是均勻?qū)щ妼樱枰鰳邮交O(shè)計(jì)。  單點(diǎn)觸控應(yīng)用上，軸交錯(cuò)式能得到確切觸控位置，因此不像表面電容式需經(jīng)校準(zhǔn)修正。透過(guò)一些算法，軸交錯(cuò)式也能做到多點(diǎn)觸控手勢(shì)辨識(shí)功能，但若要定位多點(diǎn)觸控正確位置會(huì)有困難。以2軸的掃描來(lái)說(shuō)，2個(gè)觸控點(diǎn)分別會(huì)在X軸與Y軸各產(chǎn)生2個(gè)波峰，交會(huì)起來(lái)就產(chǎn)生4個(gè)觸點(diǎn)，其中2個(gè)點(diǎn)是假性觸控點(diǎn)(Ghost point)，這將造成系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行正確判讀。

    不過(guò)，仍有方法能解決多點(diǎn)定位問(wèn)題。在2軸式觸控屏幕中，可以利用2根手指觸控時(shí)間差分辨前/后觸點(diǎn)，或以觸點(diǎn)的不同移動(dòng)方向辨別。此外，也可增加軸向提高可辨識(shí)觸點(diǎn)位置、數(shù)目，每增加1軸向可多辨識(shí)1點(diǎn)(如3軸可辨識(shí)2點(diǎn)、4軸為3點(diǎn))；不過(guò)，每增加1個(gè)軸向，就要多1層導(dǎo)電層，這會(huì)增加設(shè)計(jì)的觸控面板厚度、重量與成本，這都不是可攜式產(chǎn)品樂(lè)見(jiàn)的結(jié)果圖說(shuō)：多點(diǎn)觸控時(shí)，軸交錯(cuò)式會(huì)產(chǎn)生假性觸控點(diǎn) 所有觸點(diǎn)可定位式的作法能辨別觸控點(diǎn)確切位置，可以說(shuō)是理想多點(diǎn)觸控解決方案，但其技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，不論是導(dǎo)電層規(guī)劃、布線或CPU運(yùn)算，難度都提高許多。這類(lèi)解決方案目前有2種作法，一種是獨(dú)立矩陣感測(cè)單元(Independent-matrix sense elements)，它只有1層透明的電極矩陣；另一種是交錯(cuò)矩陣感測(cè)單元(Intersection-matrix of row and column sense elements)，它由2層相互隔離水平(列)及垂直(欄)導(dǎo)電層組成交錯(cuò)矩陣。. 獨(dú)立矩陣感測(cè)單元'應(yīng)用上，2種作法都能得到確切的多觸控點(diǎn)，因此感覺(jué)上并無(wú)太大差異，但實(shí)際建置技術(shù)上，獨(dú)立矩陣感測(cè)單元復(fù)雜度相當(dāng)高，仍不是理想作法。獨(dú)立矩陣式每個(gè)感測(cè)單元都需與控制器相連，因此分辨率要求愈高，布線就愈復(fù)雜。以1個(gè)10x10矩陣，就需要有100條連接控制器的感測(cè)線。顯然地，獨(dú)立矩陣式需采多腳位、高運(yùn)算能力控制器/處理器處理復(fù)雜矩陣感測(cè)數(shù)據(jù)，也需更大容量的RAM內(nèi)存做為暫存區(qū)，此外，掃描時(shí)間也會(huì)拉長(zhǎng)。然而，即使解決這些問(wèn)題，面板制程仍有難解議題：由于ITO導(dǎo)電層并不能穿孔，再將線路從外部連結(jié)到控制器，因此訊號(hào)線必然得與感測(cè)單位布置在同1層空間，這就會(huì)擠壓到感測(cè)單元的可感觸面積，而縮小面積意味靈敏度會(huì)下降；此外，鄰近走線也容易造成電容泄露問(wèn)題。

   7圖說(shuō)：獨(dú)立矩陣感測(cè)單元架構(gòu)圖交錯(cuò)矩陣感測(cè)單元相較獨(dú)立矩陣感測(cè)單元，交錯(cuò)矩陣感測(cè)單元是比較合乎商業(yè)要求的解決方案。iPhone即是采用此種架構(gòu)的觸控技術(shù)。主要架構(gòu)是2層導(dǎo)電層，其中1層為驅(qū)動(dòng)線(driving lines)，另1層為感測(cè)線(sensing lines)，2層的線路彼此垂直。運(yùn)作上會(huì)輪流驅(qū)動(dòng)1條1條驅(qū)動(dòng)線，并量測(cè)與這條驅(qū)動(dòng)線交錯(cuò)的感測(cè)線是否有某點(diǎn)發(fā)生電容耦合現(xiàn)象。經(jīng)逐一掃描即可獲知確切觸點(diǎn)位置制程上，交錯(cuò)矩陣式能解決自電容式面臨的復(fù)雜繞線問(wèn)題，不過(guò)，要逐一掃描欄列步驟，仍然是相當(dāng)耗時(shí)的工作。由于每次全面板掃描中，多數(shù)時(shí)間是花在非觸控區(qū)，因此，其實(shí)可透過(guò)更聰明的方法加速掃描，例如，透過(guò)回歸式(recursive)作法，也就是1次只掃半?yún)^(qū)，若沒(méi)找到，再將另外半?yún)^(qū)對(duì)切1半掃描，逐漸逼近方式來(lái)加速找到觸點(diǎn)位置。

    交錯(cuò)矩陣式雖制程上較可行，但其運(yùn)作負(fù)荷與獨(dú)立矩陣式是相同的，因此也需采更強(qiáng)大的處理器。以iPhone來(lái)說(shuō)，它就以2顆獨(dú)立芯片分擔(dān)這項(xiàng)工作，1顆是感測(cè)控制器，將原始模擬感測(cè)訊號(hào)轉(zhuǎn)為X-Y軸坐標(biāo)；另1顆則是ARM7處理器，專門(mén)用來(lái)解讀這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，辨識(shí)用戶手勢(shì)動(dòng)作，并作出相應(yīng)功能。

     此外，交錯(cuò)矩陣式也需面臨一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，例如，需要供應(yīng)高電壓才能得到較好的噪訊比(SNR)表現(xiàn)。此外，其導(dǎo)電層作法雖能克服自電容走線問(wèn)題，但本身電路仍存在極大電阻值，這會(huì)影響充/放電速度。尺寸愈大，沖擊愈大，因此，并不適合在大尺寸面板使用此類(lèi)觸控技術(shù)

     圖說(shuō)：交錯(cuò)矩陣感測(cè)單元架構(gòu)圖。比較軸交錯(cuò)式和APA，前者所需運(yùn)算資源會(huì)少許多，內(nèi)存不需太小(小于1kB即可)；后者因復(fù)雜許多，運(yùn)算要求也會(huì)非常高，內(nèi)存要求也高(需數(shù)kB)。兩者同樣能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控偵測(cè)，但軸交錯(cuò)式較難做到多點(diǎn)解析，除非采獨(dú)特軟件后處理技術(shù)，相較APA就能做到多點(diǎn)解析要求(請(qǐng)參考表1)。其它可行多點(diǎn)觸控技術(shù)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能，投射電容式并非唯一可行技術(shù)。早在2005年紐約大學(xué)的Jeff Han博士就已實(shí)機(jī)展示多點(diǎn)觸控的有趣應(yīng)用。該實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了1種稱為受抑全內(nèi)反射(frustrated total internal reflection；FTIR)光學(xué)感測(cè)技術(shù)，可用多手指在桌上型屏幕進(jìn)行繪圖和多點(diǎn)操控。其技術(shù)架構(gòu)是用背投方式將畫(huà)面投射于屏幕上，再將 LED光線打入壓克力板，利用光線碰到指頭產(chǎn)生散射抓取正確位置。

    微軟Surface計(jì)算機(jī)則利用類(lèi)似原理達(dá)成多人、多點(diǎn)觸控感測(cè)。Surface是1個(gè)表面安裝30吋觸控顯示器的工作臺(tái)，在這層防刮、防水面板下，隱藏多臺(tái)紅外線攝影機(jī)，可感應(yīng)手指或其它碰觸表面對(duì)象；另有1個(gè)DLP投影機(jī)側(cè)放，投放用戶可看得到的影像。Surface最多可同時(shí)感測(cè)52個(gè)觸點(diǎn)，因而支持多人同時(shí)操作，而且還能自動(dòng)識(shí)別放置于屏幕上的物體。不過(guò)，它售價(jià)高達(dá)1萬(wàn)美元，目前要求市場(chǎng)是飯店、餐廳、零售點(diǎn)和賭場(chǎng)游戲桌。圖說(shuō)：Jeff Han發(fā)明的FTIR多點(diǎn)觸控技術(shù)。圖說(shuō)：微軟的Surface技術(shù)。

    結(jié)論除投射電容和影像感測(cè)方式外，還有不少觸控感測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控應(yīng)用，或正朝這個(gè)方向努力，如IR Matrix、Imaging LCD(Matrix)、IR Waveguide(Matrix)…等。就如Apple所要求的：「手指是萬(wàn)能的」，為避開(kāi)專利障礙，未來(lái)可望見(jiàn)到更多多點(diǎn)觸控技術(shù)，甚至直接內(nèi)嵌在顯示器LCD面板當(dāng)中。然而，投射電容式仍是小尺寸手持設(shè)備較可行的多點(diǎn)觸控解決方案。在過(guò)去，電容式主要用于大尺寸面板，今日要取代電阻式置于小尺寸面板，系統(tǒng)業(yè)者必須學(xué)習(xí)解決電容式觸控的設(shè)計(jì)議題。就環(huán)境因素觀察，EMI是常見(jiàn)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，在訊號(hào)復(fù)雜的手機(jī)中，又顯得更為困難；天候變化也是不容忽視的因素，不同溫、濕度或下雨?duì)顩r，都會(huì)影響觸控感測(cè)正確性。此外，電容式是使用手指進(jìn)行觸控，設(shè)計(jì)者也須考慮使用者手指大小，感測(cè)單元夠大，正確性就會(huì)提升，但相對(duì)就會(huì)犠牲分辨率，因此，必須在正確性和分辨率間取得平衡點(diǎn)。以人的手指來(lái)說(shuō)，感測(cè)單元約介于6~10mm間。還有一些設(shè)計(jì)議題，例如，該選擇玻璃或PET做為基板，及偵測(cè)訊號(hào)輸出后的處理架構(gòu)該如何規(guī)劃…等。

    投射電容式觸控技術(shù)可望在手持面板應(yīng)用中愈來(lái)愈普及，但現(xiàn)在仍處于摸索階段，從制程到軟/硬件技術(shù)，還有不少挑戰(zhàn)待克服。