压电式多点触控技术的原理与优势分析

摘要：当前触控产业中有许多支持多点触控的技术，本文针对不同多点触控技术的原理做扼要说明，并详述压电式多点触控之原理，可看出推出的压电式多点触控兼顾了各种触控技术的优点，并弥补了电阻式和投射电容式触控技术许多先天的缺点，展现更佳的多点触控表现。

关键词：压电式多点触控技术、无限制多点、压力感测、矩阵式ITO结构

中图分类号：TN141.9 文献标识码：B

引言

过去触控面板主要用于售票机、卡拉OK、银行提款机等，且大多使用单点式电阻触控技术。但自从2007年苹果公司推出iPhone之后，带动了多点触控应用技术的风潮，并广泛应用于手持设备，尤其是智能型手机甚至笔记本电脑产业当中，因此多点触控产业的市场需求未来数年内仍将持续强劲成长。

1　触控面板产业概况与当前技术瓶颈

电阻式触摸屏因技术成熟，良率较高，大量应用于电子产品，目前全球市场占有率超过五成；电容式触摸屏的出货量也在近两年大幅提升，市场占有率约三成左右：其它技术如红外线式、表面声波式与电磁感应式等应用于中大尺寸触摸屏，市场占有率约占一至两成。

2007年苹果推出iPhone随即引领触控屏幕技术革命与人性化接口的设计风潮，除了智能型手机之外，其它产品如MP3／MP4播放器、MID与电脑等均陆续采用触控技术作为操作接口。全球各种触控技术的上下游厂商不断创新开发，相继投入此市场，目前全球触控面板主要由台湾与日本生产，韩国虽起步时间点与台湾接近，不过占全球出货比重尚低。

触控面板产业链中，上游都掌握在日本业者身上，中游材料加工则在日本与台湾，下游面板之贴合、压合、测试则在中国大陆和台湾完成。目前虽然投射电容式面板在市场上看似相当红火，但是由于面板加工制造系全新领域，多数仍在摸索与试产阶段，良率提升仍有一段差距，这也就是为何市场上真正量产的投射电容式产品屈指可数。而面对全新的投射电容式面板，目前触控面板厂均无整合、测试与系统支持之经验，此段仍必须由IC

设计厂商来执行。

基本上，投射电容式技术的初期发展被应用在触控板时是属于非透明式的触控面板，IC供货商如Atmel、Cypress、Synaptics、Alps、Broadcom及义隆电为主要的技术与IC来源。投射电容式是于一层或多层表面上，以ITO排列组成许多感测单体(Sens-ing element)。由于其具有X、Y、Z轴上的感测能力，因此表层上可用玻璃或cover lens来加强其表面耐用性。然而，当面板尺寸增大时，感测单体的数量相对增多，此时除面板出线数增加外，内阻值增大等不利因素均为现行投射电容式控制IC仅能支持小尺寸面板之主因。

Windows 7即将在2009年下半年推出，微软(Microsoft)新版操作系统最大的卖点之一，就是搭配多点触控功能，可使用户接口更符合人性化操作，也使得触控面板成为新版操作系统必备的零组件。虽然微软新操作系统可支持各种触控技术，不过，随着iPhone的使用经验已经成为消费者的衡量标准，因此市场上宣布推出电容式触控面板的业者不少，不过据了解，其多点触控等软件解决方案仍不够成熟，加上后期组装、贴合，在良率、技术方面，仍有待突破，因此虽然新操作系统上市迫在眉睫，但多点触控模块的方案仍相当有限。

在当前群雄并起的多点触控技术中，矽创选择以压电式技术为出发点发展多点触控技术，不仅避开投射电容式相关专利问题，且玻璃结构方面可根据客户需求选择传统电阻式(Film／Glass)或投射电容式(Glass／

Glass)制程稍做改良即可，另外也可使用蚀刻制程或是光罩制程来符合透光率与边框的规格。矽创不仅提供控制IC，更扮演着提供终端客户一个完整解决方案的供货商，从制程结构的选择到后期组装制程的技术，矽创借助在LCD产业长期的经验累积与客户关系，提供手持式电子产品以及笔记本电脑产业更具竞争力的全方位配套方案。

2　常见的触控技术原理介绍

2.1　传统电阻式

传统电阻式因原理简单(如图1)，其感应控制电路无需独立控制IC，主要是通过两层镀上导电电极的上下面板导通电极，使其回路让电流一直导通，透过外界压力的按压，使上下两极板之间的电阻分压产生变化，由系统之主控CPU以软件计算处理因而判断触控点X／Y位置，因此即使没有触控动作仍持续在耗电。此传统电阻式触控技术无法支持多点触控的应用。

2.2　电阻式多点触控

电阻式多点触控是由传统四线式电阻触控衍生而来，可看成由多个小单位的传统电阻式组合而成(如图2)，因此同样具有传统电阻式即使没有触控点仍持续耗电的缺点。另外触控面板上X方向每一条ITO都要左右拉线出来，Y方向每一条ITO都需要上下拉线出来，因此需要四边出线，对边框宽度有很大的影响。

上层镀ITO在尺寸较大的膜上，其实不容易掌握整个均匀度，每个感应单位的阻抗值就很难达到一致：加上对角线两端两单位感应组件之间的电阻阻抗值会因为ITO拉线距离而差异很大，造成感测灵敏度有很大的落差，对JC的影响很大。此种电阻式多点触控目前只能支持三点，若要支持更多的触控点，需要提高其扫描频率，因而会使操作上产生延迟现象。

因为每个感测小单位(sensor unit)都可视为一个四线式电阻结构，再加上电阻式多点触控的ITO节距很大(8～10mm)，如果触摸的两点过于靠近，也就是说在此感测小单位同时发生两个触控点，是无法被分辨出来的，只会视为同一点。

2.3　投射电容式多点触控

投射电容式支持多点触控功能的面板，基本上都是选择玻璃作为基板，可选择单片或是双片组合并于基板上镀上ITO。目前常见的ITO形状有钻石结构与矩阵式结构两种(如图3)，除了苹果iPhone是矩阵式结构之外，其它电容式感应组件一般都是属于钻石结构，感应方式都是透过手指接近或碰触玻璃表面产生电荷变化产生电流源，透过控制IC的ADC与DSP电路计算判断手指碰触点。

苹果iPhone的工作原理如图4，透过手指碰触感应造成电荷量的变化而形成一个电流讯号源，从感应发射端透过X／Y轴扫描以及接收端接受讯号后，再透过模拟数字转换器依照与周围相邻感应节点的权重来计算判断触控位置，将原始X／Y坐标传给MCU与DSP作进一步移动速度与手势判断等处理。

一般投射电容式触控IC其技术门坎相对较高，若非具有相当研发实力恐难完成。其主要技术门坎在：(a)系统噪声干扰之处理；(b)手指上汗、油、膏、污之克服：(c)Cover lens或机构保护面之厚度使感应灵敏度降低；(d)外在环境噪声之干扰问题使操作稳定性降低；(e)无法支持大尺寸面板，目前仅能支持中小 尺寸市场；(f)在小尺寸应用上手指分辨率低，使光标分辨率不易提升，往往是展示容易，量产困难，若无长期经验累积是无法克服量产之稳定问题。

3　矽创压电式技术之原理与优势

压电式多点触控技术所搭配的面板结构(如图5)与苹果iPhone的矩阵式ITO结构非常相似，但并不局限于何种制程结构，可依照产品需求选用Film／Glass或是Glass／Glass玻璃结构，再作矩阵式ITO图形加工，加工方式也可依据客户是否需求窄边框的外观设计使用蚀刻制程或是光罩制程。此弹性的制程选择，将使得客户对于产品设计有更多元的发挥空间。

压电式多点触控技术可说是介于电阻式与电容式之间，其感应原理与iPhone类似，最主要的不同之处在于其讯号为电压源而非电流源(如图6)；当上板与下板接触所导通后形成回路造成电压值改变，再透过如同LCD驱动IC之扫描方式由“行”发送讯号再由“列”接收回来判定触摸点位置，由于其扫描频率最高可达200Hz，因此可以实时快速的获取触点信息，再通过其专用的MCU、DSP来准确计算出多点坐标，给出信号。此压电式技术在没有触摸动作时，触摸屏不会耗电，因此功耗远低于传统的电阻式多点触控技术。

IC内部SAR ADC除了当作讯号转换器之外，另外也可作为比较器设定一个门限值(Thresholdvalue)来侦测触控动作，判断为0或1的数字讯号，如此一来IC感应的灵敏度就不会受到ITO拉线的远近所造成的阻抗偏移量影响。此外即使外界的水气油污沾黏在表面，若重量没有达到上下板接触且超过设定之门限值，是不会被误判为触控点的。

矽创压电式多点触控IC的运算流程如图7，IC对于坐标撷取的原理是首先透过滤波器将原始数据中的背景噪声消除，界定触控的区域范围，接着可算出面积与重心位置，因此除了可提供坐标之外，另一个特性是侦测压力的变化，透过接触面积的不同而改变导通电流量，IC内部电路进而根据该电流变化量转化为压力值变化，这可应用在“小画家”的应用软件上，根据输入介质接触面积的不同使笔触有粗细变化，很适合教育软件的开发。

除此之外，轨迹追踪也是多点触控一个很重要的功能，很多手势与应用程序操作都是根据方向与加速度来作判断，因此在IC内部的算法也要把时间因子加进来，根据多点在t1、t2两个时间点的相对位置、行进方向，并加入加速度的概念，推算出t3时间点的位置。

因此透过扫描系统侦测触控点信息，透过滤波器得到有效触控面积并计算出重心位置后，经过DSP作运算处理判断是否合并成为坐标，再由MCU将多点移动动作转换成手势指令，将此指令传给主系统CPU就可以控制面板显示内容以及执行一些应用程序软件了。

4　压电式多点触控技术优势比较分析

与电阻式多点触控技术相比较：

(1)压电式多点触控技术的上、下面板不必用回路的模式让电流一直导通，在没有触摸动作时，触摸屏不会耗电，因此，功耗远低于传统电阻式多点触控技术。

(2)在电阻式多点触控技术下实现多点触控时，如果触摸的两个点过于靠近，电阻传感器没有办法辨别这是一个点还是两个点。而压电式多点触控技术则可以精确的追踪到每一个触摸轨迹。

(3)电阻式多点触控对于ITO均匀与否产生的阻抗变化会对感应灵敏度有很大的影响，而压电是基本上经由比较器已经转换为数字讯号，并不会有影响。

(4)电阻式多点触控无法表现出接触压力的大小，压电式多点触控则可透过触控面积的变化侦测出压力的变化量。

与投射电容式触控技术相比较：

(1)投射电容式触摸屏最为人诟病的就是天生的原理限制输入介质只能透过手指来操作，而压电式多点触控技术支持手指、笔、卡片的一角等任何物质来操作，甚至戴手套也可以进行操作。

(2)针对像Windows Mobile 6.5以下的操作系统需要点选一些小图标以及侧边的页面滚动条，微软也曾经有正式文件表示电容式触控无法支持该系统，且电容式的先天限制在面板周围因只有半个菱形结构而有触控死角，无法准确地操作：压电式多点触控不仅可准确按压小按键的虚拟键盘，甚至在面板四边画线都准确无死角。

(3)在电容式多点触控技术下，面板必须保持干净，任何污渍甚至是雾气所带的静电都可能导致误操作，而压电式多点触控技术靠压力来进行触点识别，污渍不会产生影响。

(4)电容式多点触控在使用时常常会出现所谓的“鬼点”，而压电式多点触控技术则不会，大大提高了精准度。

(5)投射电容式容易受RF、EMI以及TFT面板或系统所产生的噪声所干扰而误动作，而压电式多点触控针对系统所产生的突波(约150mV左右)，远低于门限设定值(Threshold Value)，因此不会产生误动作。

5　结论

苹果iPhone的多点触控功能由三颗IC(Scan-ning system+DSP+MCU)所组成才能够达到当前iPhone无人能及的触控表现，矽创目前所开发的压电式多点触控将整合为单芯片(Single chip)，不仅能大大地降低成本，也节省模块或系统的机构设计空间：另外也加以改善投射电容式一些先天上关于触控介质以及噪声干扰的缺点，将提供终端客户除了电阻式或电容式之外的另一种选择。

电阻式多点触控虽然有一些特性表现与压电式相仿，但是仍有许多原本四线电阻式原理的缺点，除了要四边拉线影响边框之外，在三指以上的多指表现会有延迟现象，太接近的两点无法被辨识等问题，而压电式多点触控能大幅改善这些问题。综合以上所述(如表1)，即可看出压电式多点触控不仅具备各项优势，同时弥补了电阻式或电容式多点触控技术先天上的限制，整体也有相对突出的表现，因此没有触控点数限制也没有尺寸设计限制的压电式多点触控技术，无疑地将是终端应用客户一个最合适的选择!