由iPhone引爆的多點觸控熱潮，目前已延燒到Netbook、Notebook等產品的應用上，例如Apple即為自己的Macbook做了一個大大的觸控軌跡板，用來對螢幕實現多點觸控功能。除了已知的兩指點（click）、拖（scrolling）、轉（rotating）和縮放外，更新增三指及四指滑動（swiping）的操作方式。而多家NB廠商也開始跟進提供這樣的功能。

不過，在觸控板上提供多點觸控功能，難度並不算高，也不致於引發多大的市場變革。目前新的風潮是要讓多點觸控功能在中大尺寸的顯示面板上實現，最大的推力來自於即將在今年第四季上市的Windows 7，此一新版作業系統強調支援多點觸控功能，進而在觸控、面板及PC產業掀起很大的波瀾。大家都在問：什麼觸控技術將成為這個新興應用的主流解決方案？

事實上，目前市場上存在許多後選的技術，如電阻式、電容式、音波式、紅外線式等等。然而要用在NB、Netbook、PC顯示器或液晶電視的中大尺寸面板上，又要符合成本、尺寸及多點觸控的需求，那現行的技術可謂各有限制，難登中大尺寸液晶面板之堂。看起來最有機會的還是iPhone等智慧型手機所用的投射電容式觸控（Projective Capacitance Touch；PCT）技術，本文將剖析它的技術原理，以及實現上將面臨的主要技術挑戰。

投射電容式觸控技術原理

表面電容觸控技術原理

基本上，電容式觸控技術是透過手指接觸觸控螢幕造成靜電場的改變來進行偵測。在投射電容式出現前，市場上已廣泛使用的表面電容式（Surface Capacitive）觸控技術，即是運用此原理來實現觸控偵測。此技術的架構比較單純，只需一面ITO層即可實現，而且此ITO層不需做特殊的感測通道設計，週邊只需要接四條訊號線和接地線即可，因此生產上難度及成本都可降低。不過，它的限制是因電極的尺寸過大，並不適合小尺寸手持設備的設計，而且無法實現多點觸控功能。請參考圖一。

《圖一　表面電容式觸控工作示意圖 》 資料來源：Synaptics

投射電容觸控技術的實現方式

相較之下，投射電容式技術則採用單層或多層的樣式化（patterned）ITO層來形成行、列交錯的感測單元（sensing element）矩陣。如此一來，在整個使用的生命週期中，不需透過校準就能得到精確的觸控位置，而且可以使用較厚的覆蓋層，也能做到多點觸控的操作。不過，在設計上的難度也提升許多，以佈線來說，採用投射電容式的手機面板至少需要接15條線才行，若用在NB或Netbook上，勢必會更為複雜。

就技術原理上，有兩種方式可實現投射電容式的觸控感測，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之間產生電容偶合，並量測此電極的電容變化來確定觸碰的發生；互電容型則是當觸碰發生時，會在鄰近的兩層電極之間產生電容偶合的現象。

根據這兩種原理可以設計出不同的投射電容式架構，不同的架構能做到的多點觸控功能也就不同。多點觸控功能其實可細分為兩種：一種是手勢辨識的追蹤與互動（Gesture interaction），也就是僅偵測、分辨出多點觸控的行為，如縮放、拖拉、旋轉等動作，實現的方式為軸交錯式（Axis intersect）技術；另一種則是真正找出多點觸控的個別位置，此功能需採用複雜的所有觸點可定位式（All point addressable；APA）技術才能達成。以下將介紹這兩類型的技術作法。

軸交錯式（Axis intersect）

軸交錯式（又稱為Profile-based）技術是在導電層上進行菱形狀的感測單元規劃，每一個軸向需要一層導電層。以兩軸的型式為例，在觸控偵測時，感測控制器會分別掃描水平軸與垂直軸，產生電容偶合的水平或垂直感測點會出現上升的波峰（peak），而這兩軸的交會處即是正確的觸控點。由於每次的量測是利用單一導電層與觸碰物的電容偶合現象，因此屬於自電容型的技術。

軸交錯式應用從觸控版開始

軸交錯式的電容式觸控技術其實正是筆記型電腦觸控板（touch pad）的實現技術，所以發展的已相當成熟，但觸控板與觸控螢幕的最大差異，在於前者是不透明的，而後者是透明的。因為是不透明的，所以觸控板可以在感測區使用金屬或碳原子式的電極。投射電容式觸控螢幕則是透明的，因此需要採用透明的ITO做為導電電極，而且此層ITO不像電阻式或表面電容式是均勻的導電層，而需要做樣式化的設計。

軸交錯式定位多點觸控正確位置有困難

在單點觸控的應用上，軸交錯式能得到確切的觸控位置，因此不像表面電容式需要透過校準來修正。透過一些演算法，軸交錯式也能做到多點觸控的手勢辨識功能，但若要定出多點觸控的正確位置會有困難。以兩軸的掃描來說，兩個觸控點分別會在X軸與Y軸各產生兩個波峰，交會起來就產生四個點，其中兩個點是假性觸控點（Ghost point），這將造成系統無法進行正確的判讀，如圖二所示。

不過，仍然有一些方法能解決多點定位的問題。在兩軸式的觸控螢幕中，可以利用兩根手指觸控的時間差來分辨前後的觸控點，或以觸控點的不同移動方向來加以辨別。此外，也可以增加軸向來提高可辨識的觸控點位置數目，每增加一個軸向可多辨識一個點（如三軸可辨識二個點、四軸為三個點）；不過，每增加一個軸向，就要多一層導電層，這會增加設計上的觸控面板厚度、重量與成本，這都不是可攜式產品樂見的結果。

《圖二　多點觸控時，軸交錯式會產生假性觸控點 》 資料來源：Synaptics

所有觸點可定位式（All point addressable；APA）

APA的作法能夠辨別觸控點的確切位置，可以說是理想的多點觸控解決方案，但其技術的實現上，不論是導電層的規劃、佈線或CPU的運算，難度上都提高許多。這類解決方案目前有兩種作法，一種是獨立矩陣感測單元（Independent-matrix sense elements），它只有一層透明的電極矩陣；另一種是交錯矩陣感測單元（Intersection-matrix of row and column sense elements），它由兩層相互隔離的水平（列）及垂直（欄）導電層組成交錯的矩陣。

獨立矩陣感測單元

在應用上，兩種作法都能得到確切的多個觸控點，因此感覺上並無太大差異，但在實際的建置技術上，獨立矩陣感測單元的複雜度相當高，仍不是理想的作法。獨立矩陣式的每個感測單元都需與控制器相連，因此解析度的要求愈高，佈線就愈複雜，請參考圖三。以一個10×10的矩陣，就需要有100條連接到控制器的感測線。

很顯然地，獨立矩陣式需要採用多腳位、高運算能力的控制器／處理器來處理複雜的矩陣感測資料，也需要更大容量的RAM記憶體做為暫存區，此外，掃描的時間也會拉長。然而，即使解決了這些問題，在面板的製程上仍有難解的議題：由於ITO導電層並不能穿孔，再將線路從外部連結到控制器，因此訊號線必然得與感測單位佈置在同一層的空間中，這就會擠壓到感測單元的可感觸面積，而縮小面積意味著靈敏度會下降；此外，鄰近的走線也容易造成電容洩露的問題。

《圖三　獨立矩陣感測單元架構圖 》 資料來源：Howstuffworks.com

交錯矩陣感測單元

相較於獨立矩陣感測單元，交錯矩陣感測單元是比較合乎商業化要求的解決方案。iPhone即是採用此種架構的觸控技術。它的主要架構是兩層導電層，其中一層為驅動線（driving lines），另一層為感測線（sensing lines），兩層的線路彼此垂直。在運作上會輪流驅動一條一條的驅動線，並量測與這條驅動線交錯的感測線是否有某一點發生電容偶合的現象。經過逐一的掃描，即可獲知確切的觸控點位置。請參考圖四。

在製程上，交錯矩陣式能解決自電容式所面臨的複雜繞線問題，不過，要逐一掃描欄列的步驟，仍然是相當耗時的工作。由於每次的全面板掃描中，大部分的時間是花在非觸控區上，因此其實可透過更聰明的方法來加速掃描的工作，例如透過迴歸式（recursive）的作法，也就是一次只掃半區，若沒找到，再將另外半區對切一半來掃描，以逐漸逼近的方式來加速找到觸控點的位置。

交錯矩陣式雖然在製程上較為可行，但其運作上的負荷與獨立矩陣式是相同的，因此也需要採用更強大的處理器。以iPhone來說，它就以兩顆獨立的晶片來分擔這項工作，一顆是感測控制器，將原始的類比感測訊號轉為X-Y軸座標的數位訊號；另一顆則是ARM7的處理器，專門用來解讀這些數位資料，辨識用戶的手勢動作，並作出相應的應用功能。

此外，交錯矩陣式也需面臨一些設計上的挑戰，例如需要供應高電壓才能得到較好的噪訊比（SNR）表現。此外，其導電層的作法雖然能克服自電容的走線問題，但本身的電路仍存在極大的電阻值，這會影響充、放電的速度。尺寸愈大，衝擊愈大，因此並不適合在大尺寸的面板上使用此類觸控技術。

《圖四　交錯矩陣感測單元架構圖 》 資料來源：Howstuffworks.com

比較軸交錯式和APA

若比較軸交錯式和APA，前者所需的運算資源會少許多，記憶體不需太小（小於1kB即可）；後者因複雜許多，運算要求也會非常高，許憶體要求也很高（需數kB）。兩者都同樣能實現多點觸控偵測，但軸交錯式較難做到多點解析，除非採用獨特的軟體後處理技術，相較之下，APA就能做到多點解析的要求。請參考表一。

中大尺寸投射電容式的技術挑戰

機構整合設計考量

現在的投射電容技術，主要是應用在3～4吋的智慧型手機之上，而且市場上採用此技術的觸控手機還屈指可數，可見得觸控產業還處於摸索學習的階段，而最大的挑戰在於對微小電容變化的正確感測及干擾屏蔽設計。由於手指產生的電容變化只有1～2 pF，遠小於設備本身的背景電容（background capacitance），而且機構中的線路、連接器、電路板，甚至是接地面、遮蔽處理等佈局作法，都會影響電容感測的正確性。

其他的挑戰還包括樣式化ITO佈線規劃、觸控演算法的邏輯，以及人性化使用介面的設計等。如今要將它的應用目標放在Netbook、NB或顯示器上，即使是Netbook，其螢幕尺寸至少也是智慧型手機的四倍以上，這些技術挑戰自然會更為嚴苛。例如佈線數量必然會大幅增加，這會考驗控制器的運算能力，而且在走線上也會相當複雜。為了達到大面積的感測控制，未來的中大尺寸投射電容式觸控面板可能會採用兩顆以上的控制器。

製程成本考量

另一個門檻則是成本問題。投射電容式的成本至少是電阻式的兩倍，面板愈大，所需的成本自然愈高，而成本的決定關鍵在於觸控面板的製程作法。目前有兩種主要的製程方式，一是光罩蝕刻的黃光製程，採用的陣營主要來自傳統面板業的彩色濾光片業者；另一種是網印製程，廠商的背景主要是既有的電阻式觸控面板廠商，以台灣為主。

黃光製程能有效將蝕刻線及傳導線的線寬線距縮小，然而線寬小意味著大尺寸面板的寄生電容會很高，更重要的是其開模費用很高，如同半導體製程一樣，動輒上百萬。相較之下，網印製程的開模費用低上許多，ITO薄膜和玻璃的貼合良率也高，因此在中大尺寸的觸控應用上相當有成本優勢，不過在蝕刻痕跡的光學處理上，仍然有待加強。

其他可行的多點觸控技術

FTIR多點觸控技術

要實現多點觸控功能，投射電容式並非唯一的可行技術。其實早在2005年紐約大學的Jeff Han博士就已實機展示多點觸控的有趣應用。該實驗室研發了一種稱為受抑全內反射（frustrated total internal reflection；FTIR）的光學感測技術，可用多個手指在桌上型的螢幕上進行繪圖和多點操控。其技術架構是用背投方式將畫面投射在螢幕上，然後將 LED光線打入壓克力板，並利用光線碰到指頭產生的散射來抓取正確位置。請參考圖五。

《圖五　Jeff Han發明的FTIR多點觸控技術》

微軟的Surface觸控感測技術

微軟的Surface電腦則利用類似的原理來做到多人多點的觸控感測。Surface是一個表面安裝了30吋觸控顯示器的工作台，在這層防刮、防水的面板下，隱藏了多台紅外線攝影機，可感應手指或其他碰觸到表面的物件；另有一個DLP投影機側放，投放出用戶可看得到的影像，如圖六所示。Surface最多可同時感測52個觸控點，因而支援多人同時操作，而且還能自動識別放置在螢幕上的物體。不過，它的售價高達1萬美元，目前的訴求市場是飯店、餐廳、零售點和賭場的遊戲桌。

《圖六　微軟的Surface觸控感測技術》

不過，上述這類採用影像感測的技術，需要一定的機構空間，很顯然不適合LCD液晶顯示面板的薄型觸控應用。當然，還有其他的可行技術，例如透過螢幕分區或多點觸控的時間差，電阻式觸控技術也能做到多點觸控的動作辨識。此外，電阻式也能與電磁式技術整合，以提供多點觸控的功能。

觸控功能整合LCD面板

由於觸控功能廣泛應用在液晶面板之上，因此，另一個主流的發展趨勢則是將觸控功能整合到LCD面板製程中，例如嵌入CCD感測器。也有廠商嘗試開發內置觸摸感測器的液晶面板，主流的方式有三種，分別是電荷式、光感測式和電阻膜式。電荷式是在液晶面板中置入電荷容量變化感測器，當手指或輸入筆在面板表面施加應力，會使液晶分子的分佈狀態產生變化，從而導致液晶分子的電荷容量變化，透過檢測此變化可以偵測觸控輸入的行為。此作法的瓶頸是當改變了液晶的分佈狀況，會使影像產生一定程度的紊亂現象。

光感測式是利用畫素內形成的光電二極體來檢測外光和背照燈發出的光，以實現觸控輸入的偵測；此技術的瓶頸是因周圍亮度不同，導致檢測靈敏度不均，因此檢測參數的設定比較困難。電阻膜式的原理是當觸壓面板時，壓力會在畫素內形成圓柱（隔離物），並與TFT陣列底板上的電極（ITO等）接觸而形成電阻開關，而採用此技術的問題在於隔離物與ITO的強度設計。

結論

目前各大面板廠都在努力開發嵌入式的多點觸控面板，但顯然在Windows 7上市之前，市場上還不會看到成熟的技術問世。在此情況下，投射電容式技術仍是NB、Netbook和PC顯示器的優先選擇。當然，基於成本與技術門檻的考量，電阻式也可望隨著這一波風潮而一同打入中大尺寸面板的市場，而一些優化的專屬技術，也能滿足動作偵測的多點觸控應用。

（作者為零組件雜誌編輯總監，聯絡方式：ou.owen@gmail.com）