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觸控面板關鍵技術分析 掌握不同技術進階資訊

Peter Dagang Pen 2009/02/05

前言：
依現有的市場應用來分析，近乎7成以上市場均採電阻式觸控技術；在小尺寸消費性電子商品中，其市佔更高達9成。雖在基礎原理上卻有不少共通性，但因設計和製造技術有別，衍生4線、5線、6線、7線及8線，甚至有高溫製程和低溫製程的差異，此外還有電容式與紅外線式等，也都有不同的技術範疇與應用領域…

本文：
電阻式觸控技術是目前市場採用最多、技術衍生也最多的觸控面板技術。電阻式觸控面板結構由具絕緣性質的微小間隔物(Dot Spacer)將上/下2層導電層隔開，當上層導電受壓而接觸下層導電層形成導通時，接觸點上所產生的電壓值，可經由類比轉換為觸動位置。

通常上層導電層為電阻值分布均勻氧化銦錫(ITO)、聚脂膜(PET Film)或導電玻璃(ITO-Glass)；下層則可用導電聚脂膜(ITO-PET Film)，導電膠板(ITO-Plastic Plate)或導電玻璃(ITO-Glass)任1種；所以電阻式觸控面板除常見的ITO PET與ITO玻璃(F/G)結構外，另外尚有G/G；F/F/G；F/F/P；F/P；F/F等，不同結構的功能差異相當明顯。

技術單純、成本低、限制少 類比式電阻技術為主流

由於電阻式觸動靠壓力施予上層導電層，使其與下層導電層能導通，舉凡能對上層導電層有效施力的介質，均可用來觸發電阻式觸控面板，如手指、筆、信用卡、鑰匙…等。

此類技術的機械特性(如抗磨損能力)決定在上層導電層材料，光學特性則和材料與結構有關，簡言之，玻璃透光率優於聚脂膜(PET Film)，愈厚的材料透光率損失愈多。

不過光學表現不應只檢視透光率，應同時要求低反射；部分強光下使用的觸控面板即應有偏光應用需求。正由於電阻式結構單純、且使用限制少，又歷經長期市場檢驗，是目前最普遍、且最經濟的觸控技術，但類比式電阻觸控技術雖相對簡易，仍逐漸發展分為4線、5線、6線、7線及8線…等，以下分別就其技術特性進行深入探討。


圖說：4線電阻式觸控面板結構圖。(萬達光電)

4線式與8線式電阻技術。

4線式是最簡單且較易製作的電阻式觸控技術，早期由日商所發展。原理上4線式利用上/(下)層導電層在X/(Y)軸2側部設置銀電極，並利用良好、均勻的ITO阻抗性質，當控制器提供5V電壓予下層導電層時，觸動發生位置上可在上層導電層偵測得出類比電壓值，如此得到X軸位置，反之則可取得觸動發生時Y軸位置；雖然4線式在尾部出線端有4個連接點，但當觸動發生時的任一瞬間，總是只有3線形成迴路用以計算觸按位置訊息。

4線式的主要缺點是，上層導電層由ITO聚脂膜組成，其ITO阻值均勻性及耐受性(磨損、在溫/溼度下的變化)經使用一段時間後，電氣特性即明顯衰退，進而造成線性及準確度不足。

因此多數4線式點擊壽命規格多採100萬次，實際應用以POS為例，只需幾個月即可達到10萬次點擊數。此外，聚脂膜因環境因素而有熱脹冷縮並受溼度影響，長期下來不僅破壞ITO均勻性，更會造成使用時游標漂移現象。4線式多半存在於小尺寸應用市場，當尺寸愈大時，上述缺點就愈顯著。

8線式基本上由4線式演化而來，多增的4條感測線主要用來降低環境影響因素，所造成的系統不穩定與使用時游標漂移缺憾，由於電路走線加倍，因此常見於大尺寸設計中，設計和外觀上不易達到窄邊要求。8線式結構雖改善環境因素造成的系統不穩定與漂移現象，但因並未改善4線上層導電層材料特性，對增進耐用(受)性和延長面板壽命方面並無助益。


圖說：4線式電阻的走線設計。(萬達光電)


圖說：由4線式電阻改良而來的8線式走線設計。(萬達光電)

7線式電阻觸控技術

7線式主要為改善4線式在大尺寸上準確度不足和穩定性不佳而產生；結構上最大差異在ITO玻璃的上/右2側及下/左2側各部置1條銀電極；另在右上和左下2邊各設2處電壓監控電極，加上ITO-Film定位信號輸出電極，如此共計7組電極；其感應原理採偵測電壓方式。

當上層ITO-Film因受力形成導通時，透過電極提供電壓，並切換電壓方向，經由電壓監控電極測定，可得受力點位置X、Y方向所造成的電壓差從而計算出位置資訊。由於7線式結構在面板邊緣須安排數個二極體，藉以產生具方向性的誘導電流，因此，不但增加組裝難度、也提高故障率，市場應用並不普遍。


圖說：改善4線式大尺寸面板上不準確問題而衍生的7線式走線圖。(萬達光電)

5線式與6線式電阻技術

4線式結構雖然簡單，但實際應用時受限上層導電層的電阻均勻性、環境變化下的物性變動，使得面板壽限、電氣特徵方面均浮現顯著缺憾；此一現象在愈大尺寸時愈加明顯。

實務經驗顯示，4線式的下層導電層(若為玻璃)出現錯誤的情況遠較上層導電聚脂膜為低，因此，設計上若能將位置相關的電氣特性決定於下層導電層玻璃，不僅可得到較4線更佳的觸動位置準確率和線性表現，更甚者，上層ITO-PET也因只負責導通迴路，對於表面電阻均勻性要求不再重要。因此同時改善4線式的多項缺失。由此，5線式也因而誕生，因為5線式的銀電極部置全在ITO玻璃上，走線遠較4線式複雜。

5線式的4條銀電極全部建置在ITO玻璃上，上層ITO-PET只負責在觸動發生位置上產生迴路(E)並藉以偵測電壓值來轉換成位置參數。控制器先供以5V電壓予A、C，並將B、D接地，此時由面板上方至下方產生一均勻電壓降，當面板觸按發生時，經由E的導通而得Y方向的電壓值。

相同的，將A、B接地及C、D予以5V電壓，以此類推可得到觸動發生時X方向電壓值，從而轉換成位置座標。由於上層ITO-PET只用來形成電流迴路，相對的，5線式設計在壽命、穩定性、耐用性就較4線式觸控面板表現優越許多。

至於6線式的設計構想源自於改善5線式的定位表現，做法上是在5線式的下層ITO玻璃下方增加1條接地迴路，事實上這對改善功能性方面的訴求是毫無意義的，有時市場的個案甚至有並未搭配使用6線式控制器卻也強調能達成所聲稱的功能。


圖說：5線式走線設計。(萬達光電)

電容式透光性高、耐磨性佳 IPC應用多採此技術

表面電容式利用排列於面板4邊的透明電極，透過與人體間的靜電結合產生的靜電變化，進而透過電流偵測觸動位置。其感應原理透過4個角落供給觸動感應區特定電壓，使其形成均勻電場，當手指接觸感應區時電場產生電流，誘生電流經控制器計算測定後，依其距4個角落比例不同，計算實際位置。

表面電容式使用時因利用靜電變化誘發偵測電流，因此，實務上往往因環境電磁場干擾、高頻干擾造成游標飄移或誤動作。表面電容式的最大優勢即在光學穿透率高，表面保護鍍膜使其耐磨表現更佳，然而觸動必須以手指(導電性介質)來完成。

表面電容式具防水、防刮、透光率佳，故常見於大尺寸戶外應用，如公共資訊平台(Kiosk、Point of Information；POI)及公共服務(銷售)平台(Point of Sales/ Services；POS)等產品上。


圖說：大型IPC設備常採用電容式觸控面板運作圖。(萬達光電)

投射電容式與表面聲波式技術

投射電容式最大優勢即是觸動無須直接接觸，面板因而可置於透明基材下方，因而得到良好保護，觸動可經由手指或特殊筆，即便是帶著手套亦可使投射電容式面板作動。

結構是在2個不同導電基材上(或同一導電基材的正/反2面)，分別置於平行的X導線與Y導線，導線相互垂直但卻不在同一表面，每個X、Y相交處即形成一電容節點。對導電基材上的導線(驅動線driver line)供以特定振幅與頻率的交流電壓，另1組導線此時即形成迴路偵測電容改變量(感應線sense line)。

操作時控制器交互提供電壓至其中1組導線，使每個節點上的電容耦合(coupling)造成驅動線和每1相交的感應線有微小電流；當手指接近1個或多個節點時，會吸走部份電流，進而改變節點上的電容值。控制器交互掃描感應線上每節點電容值改變，利用3個以上電容改變的節點估算觸動實際位置。由於投射電容式原理仍無法完全免除電磁和高頻干擾，有效防護必須由面板和控制器方面的進行強化設計。

投射電容式對於面板(Sensor)和控制器(IC)間的配合要求甚高，即便是相互垂直的導線(可為實體金屬線或蝕刻後導電線)亦有內阻值均勻與否問題，其直接影響即是面板所輸出的訊號雜訊比(S/N)，因此降低面板導線內阻與加強IC訊號處理能力，是這類技術由小尺寸邁向中/大尺寸確保功能穩定的先決條件。由於投射電容式觸控面板亦可用於多點觸控平台，因此，未來商機不可限量。


圖說：未來性相當被看好的投射式電容技術。(萬達光電)

表面聲波式與紅外線式

除電阻與表面電容式在市場應用最為常見外，其他應用多半使用表面聲波式、紅外線式與投射電容式3種。此三者又以聲波式市佔較高，此與ELO Touch System於1987年自增你智(Zenith)購入表面聲波技術即積極推廣有關。表面聲波式原理是在普通玻璃基板四周設置聲頻發射、反射及接收裝置，讓聲波在基板表面傳遞；當觸動發生時，部分聲波能量會被吸收，控制器則分析能量傳遞前/後時間差與能量衰減大/小辨認觸動位置。

表面聲波最大優勢是透光性、防火性佳，但必須由軟性物質(吸收聲波能量)觸動；當面板上有水滴、塵埃、泥土或水氣凝結時，極易造成誤動作。另由於聲波傳導受溫度與溼度影響甚巨，環境條件改變太大也會造成觸動準確率不佳問題。

紅外線式類似矩陣式設計，不同的是以LED設置在面板的X或Y軸1端，另1端則對應設置感光晶體(Photo Transistor)。當觸動發生時，光源受遮斷，對應端感光晶體無法接收來自發射端的紅外線訊號，從而交替作偵測觸動位置。

紅外線式可靠性佳、耐刮，但解析度不佳。它是唯一可以不需基板來達成觸控偵測的技術，但舉凡大於5公釐的任何可以阻斷紅外線的外來物(蠅、蟲、塵土等)，都會使觸控偵測造成誤動作，此外，由於塵、油漬…等隨時間在面板上累積，最終造成LED訊號阻斷或不良，也使其產生功能異常。

觸控技術綜合比較 材質與技術並重的發展趨勢

觸控面板技術若比較原理差異，並沒有太多困難，但是如果以技術評估比較最終成品優劣時，常因其中涉及材料差異、設計和製程能力不同，則會出現較大落差。倘因資訊不足或錯誤，甚至由於對特定技術上的偏見，都可能誤導設計。即便是某一應用市場由特定技術所主導，這亦可能因供應來源、地域因素所造成的結果。簡言之，若是價格成本是關鍵決定因素，那麼電阻式必然是最佳選擇。

但是就電阻式為例，產品面的優勢決定於成品的機械特性、電氣特性、光學特性、耐受性及可靠度；上述內容決定於材料及製造商設計和製程能力，因此採用何種電阻式技術只是其中1個因素。倘若材料為功能優劣的主因時，單純比較數據並不具實質意義，因為更換材料即可改善功能，但成本終究會反應在售價中；反之，功能優勢源於設計與製造能力，則產品整體價值顯著，其特性也可能超越原本採用的技術限制。(本文由萬達光電科技提供，作者Peter Dagang Pen)

Labels: 觸控式面板

posted by C.H. Chen @ 6:02 PM