电容式触控技术

1、感測電路結構各展所長 電容式觸控技術百家爭鳴新通訊 2008 年 4 月號 86 期 技術前瞻 文高聖弘觸控面板(Touch Panel)與觸控按鍵(Touch Pad)一直都廣泛應用在售票機、銀行自動提款機(ATM)、筆記型電腦與各種攜帶式電子裝置上。其實，觸控感測器相當於傳統的機械式切換器(Switch)，然因控制器單元的製作成本過高，難以普及，因此以往觸控按鍵大多使用具備接點的傳統機械式切換器較為可行。不過，近年賽普拉斯半導體(Cypress Semiconductor)推出可編程系統單晶片(Programmable System on Chip, PSoC)技術，研究人員發現，透過類比

2、電路與單晶片微處理器的一體化，製作低價電容式觸控感測器更加可行，適合應用於MP3播放器等各種攜帶型電子裝置的操作面板，因此觸控面板的應用潛力再度受到全球高度重視。值得一提的是，包含觸控按鍵在內的觸控面板技術，由於國外大廠已經搶先申請專利，且這些專利多集中於觸控方式與觸控控制技術，要迴避這些既有的專利並不容易，尤其是設計觸控面板應用產品時，更須廣泛深入調查專利的內容，才不致於被專利費用壓垮。正因如此，本文將介紹觸控面板的各種觸控位置感測方法，以及最近成為注目焦點的電容式觸控感測器感測方法。感測方式有差異 觸控面板技術應用多元首先介紹貼在陰極射線管(CRT)與液晶顯示器(LCD)上，可以直接操控畫

3、面上顯示按鍵的觸控面板技術，其主要方式與特徵如表1。最佳 佳 普通 差 基本上，觸控面板以X-Y座標感測觸控位置，再利用畫面上數個感測器，取得距離觸控位置的距離與距離的差分、角度資料，以計算觸控座標，這種方法與在平面上進行量測的方式非常類似。感測的方式分為兩種，一為在X與Y軸鋪設網孔狀感測裝置，觸控時只要知道交點部位，也就是網孔的位置即可判定。一般而言，這種方式的感測器數量與結構較多，且結構複雜，不過計算過程較為簡單。第二種方式，則是利用與三角量測方式來判定位置，具有感測器數量較少，觸控面積容易大型化等優點，但缺點是演算容量大，且在要求反應時間須同步時，更須使用複雜的演算處理技術。實現觸控面板

4、的方式頗多，詳述如下：?阻抗膜阻抗膜的感測方式可分為四線式與五線式。四線式觸控面板長期以來一直廣泛被使用，並可被稱為類比阻抗膜方式。如圖1，它是在上下玻璃基板表面內側，鋪設條紋狀方向呈90的交錯電極膜片。圖1下方的基板為玻璃基板，上方基板為樹脂膜片，可以直接黏貼在顯示器表面。而膜片之間設有隔板(Separator)，未觸控時膜片之間維持一定間隙，並保持絕緣狀態，一旦手指觸壓膜片時，該部位會變形，導致電極相互接觸、電流導通，此時只要感測已導通的對線(Pair)，就可以獲得交點的座標。圖1 四線式阻抗膜觸控面板基本結構從圖1的導線可以看見，實際上它是在玻璃基板與透明膜片表面間形成透明電極，電極材料

5、為可視光穿透率超過90%以上，材料使用液晶面板常用的氧化銦錫(Indium Tin Oxide, ITO)。四線式觸控面板的結構單純，但缺點是穿透率不利於廠商，且膜片端的電極一旦受損，面板容易發生故障，導致使用壽命過短。至於五線式則是四線式的改良版。如圖2所示，它是全面製作透明電極，再從玻璃端的四個角落與膜片端處拉出電線，合計5條線因而稱為五線式。其運作方式是在觸控時，電壓會施加至左右方向的電極之間，膜片的電壓隨著觸控位置改變，如右側施加+5伏特，左側施加-5伏特時，一旦觸控中央部位，膜片的電壓就變成2.5伏特，隨著手指移動至右側就接近5伏特、移動至左側就接近0伏特。圖2 五線式阻抗膜觸控面板

6、基本結構在左右方向關閉，再將電壓施加於上下方向時，即可以隨著上下方向的位置獲得電壓變化量。由於五線式觸控面板整面都是透明電極，因此抗損性很高，使用壽命也較長。?紅外線掃描由於紅外線掃描屬於縱橫鋪設紅外線，再感測手指的遮光，因此又被稱為Carrol Touch。如圖3所示，發光二極體(LED)透過鏡片收斂光軸，再將光電晶體對向設置，LED點燈時，對向的光電晶體即為開啟；而一旦光線被遮斷，就無法到達，光電晶體變成關閉。類似這樣將對線在X與Y方向呈現網格設置，其中光電晶體一旦關閉，X、Y座標都可以清楚掌握。圖3 紅外線掃描觸控面板基本結構理論上紅外線掃描方式可以改用可視光，不過為避免受到外部光源影響

7、，紅外線仍較為常見。且紅外線掃描方式的優點不少，如即使顯示器表面沒有任何物件，面板的可視性也不會受到影響，而且紅外線掃描方式沒有時間變化，不論戴手套或是棒柱等物體都可以觸控操作。 不過，紅外線掃描方式還是有缺點，例如日光直射時容易發生錯誤，且即使是粉塵、衣袖或其他雜質都會被感測到。此外，動作時必須與畫面維持一定距離，因此使用者切不可使用複數手指、手掌、掌心等來觸控面板。?超音波表面彈性波這種方式是利用集中在物體表面附近傳播的表面彈性波(Surface Acoustic Wave, SAW)(圖4)，進而產生位置的判斷。更進一步的解釋，是先在角落設置呈45與90的反射器，利用收訊用轉換器(Tra

8、nsducer)將表面彈性波轉換成電氣訊號，並依照各路徑長度的延遲時間認定。圖4 超音波表面彈性波觸控面板的基本結構當手指觸控路徑時，面板振動會被吸收，無法到達前端的SAW，此時只要觀察轉換器產生的瞬間SAW脈衝，強度若急遽下降，就會被視為在路徑被吸收，接著再從延遲時間分離路徑，分別量測X與Y方向，就可以定義座標位置。超音波表面彈性波方式與上述阻抗膜方式不同，超音波表面彈性波主要優點是顯示領域不需要電極，而且它的穿透率非常高。而其缺點則是利用指甲等振動，無法有效感測觸控位置。此外，觸控面板若附著水滴、昆蟲時，也經常發生誤認等問題。?聲學脈衝波辨識聲學脈衝波辨識方式(Acoustic Pulse

9、 Recognition, APR)同樣可應用在觸控面板系統，它會感測觸控面板時，聲音脈衝波的變化，再透過訊號分析算出觸控位置。雖然聲學脈衝波辨識方式結構單純，不過訊號處理技術卻成為重要關鍵，如圖5所示，觸控面板產生的振動在面板傳播，不均等設置在面板四周的收訊元件會擷取振動，並根據聲音脈衝波辨識到達收訊元件的時間差，判定觸控位置。圖5 APR觸控面板基本結構聲學脈衝波辨識方式與集中在物體表面附近的彈性表面波不同，它是在物體內部傳遞振動，即使物體表面有異常振動，動作也不會受影響。此外，聲學脈衝波辨識方式的觸控領域內無任何電極，且由於光線的穿透率較高，因此容易大型化操作。舉例來說，如果合併使用收訊

10、波形分析、捕捉與觸控無關的波形，理論上即可支援複數部位同時觸控的動作，尤其是將大型平面顯示器當作觸控式遊戲機，就是一大應用。而當物體掉落、負載重物時，也不會發生錯誤辨識，而且可以進行多人操作。?紅外線影像感測紅外線影像感測方式(圖6)是由紅外線投光器與影像感測器(Image Sensor)兩種元件組合構成，利用設置在觸控領域三邊的反射框，使紅外線反射折返影像感測器，以判定位置。圖6 IR影像感測器觸控面板基本結構由於操作觸控面板時，紅外線無法折返，因此在影像感測器上變成陰影，此時只要知道陰影位置到觸控位置的角度，再量測兩處距離，就可以算出觸控部位。紅外線影像感測方式的結構簡易，不易故障且易大型

11、化，對設置對象物件無選擇性，且容易薄形化，運算上可作複數部位感測，對大型化很有利。而缺點是不易小型化，且容易受到粉塵、昆蟲的影響。?投射式電容觸控圖7是投射電容(Projected Capacitive)觸控面板的基本結構與動作原理，如圖所示，其縱橫鋪設電極與四線阻抗膜方式相同，不過投射電容方式的阻抗膜卻不是通過觸控領域，而是捕捉電極之間的電容變化。整體而言，幾乎可說是觸控切換器在使用電容感測方式時的二次元擴充版。關於觸控切換器，下文會有更多描述。圖7 投射容量式觸控面板基本結構由於人體會攜帶水分，也是優秀導體，故人體若靠近電極，手指與電極之間的電容會增加，此時只要調查哪條線的靜電容量變大，就

12、知道哪個點被觸控。投射電容方式不須類似阻抗膜方式的電極變形，距離觸控面板表面10毫米也能夠感測。此外，面板表面覆蓋玻璃抗刮性、耐久性、耐環境性都很強，不過不會產生電容變化的絕緣物觸控面板無法運作，因此手套觸控無法操作。?表面電容觸控表面電容方式(Surface Capacitive)與投射電容方式相同，都是感測靜電容量的變化，若將投射電容方式視為四線阻抗膜方式，表面電容方式就等於五線阻抗膜方式，其中第五線就是人體。表面電容方式的結構如圖8所示，是由透明導電膜與四角落的電極構成，操作時對四角落的電極施加相同電壓，面板整體會形成均勻電界，全部都是同相位時，面板上的電容會放電，此時電流不會流動。圖8

13、 靜電容量方式的基本結構反之，當手指觸控面板時，變成與利用電容器接地的狀態相同，電流從四角落通過手指流動，越靠近觸控部位的電極電流值越大，此時只要量測來自四角落的電流量的比率，就可以判斷特定部位。或許有人會擔心，電流對人體造成的影響，但其實電流值非常低，不會影響人體。此外，表面電容方式毋須鋪設電極，因此結構上相當簡潔。值得一提的是，表面若有水滴，容易影響電容觸控方式，因此某些設計利用演算處理排除水滴的影響。省去機械接點開關 電容觸控感測應用加溫以上介紹觸控面板常用的方式，不過由於近年數位消費性電子(CE)產品的小型化，無機械接點的觸控切換器(Touch Switch)也開始受到矚目，其使用的靜

14、電容量觸控感測方式也跟著受到重視。近期投入相關靜電容量觸控感測晶片供應廠商包括亞德諾(ADI)、賽普拉斯、飛思卡爾(Freescale)、在2008年2月時被Atmel收購的Quantum Research、歐姆龍(Omron)與羅姆(Rohm)等；表2是觸控感測方式的比較。最佳 佳 普通 由於電容觸控感測方式毋須仰賴機械接點開關即可感測觸控位置，因此近期頗受重視，主要優點包括，成本不會隨感測點數的增加而上升；無機械結構，耐久性佳；設計自由度高；接點部位維持絕緣狀態，毋須電鍍處理；防水、防塵容易；且複數接點並列形成滑塊(Slider)，可以感測手指的移動位置。其具體結構是在印刷基板上製作切換圖

15、案，由於不需任何切換器元件，因此切換器的成本幾乎是零，不過，由於相對要求容量感測用電路，製作成本比較不利。前文曾提及，賽普拉斯的PSoC技術，可製成內嵌支援觸控感測器類比電路微處理器的電容式觸控感測器元件，廣泛應用在MP3播放器等各種攜帶型CE操作面板。由於電容式觸控感測器操作時完全沒有觸壓感，因此某些設計刻意組合機械結構，製成具備機械感測機構的觸控感測器，操作時可以獲得傳統機械接點式的操作感受。捕捉電容助感測操作電容式觸控感測器的基本設計思維與投射容量方式完全相同，如圖9所示，兩者都是捕捉電極之間的電容變化，製作上是在印刷基板上形成電極，電極表面再覆蓋銲阻抗劑(Solder Resistor

16、)，其中一方當作接地，另一個當作感測電極。圖9 手指接近時電容增加圖10是實際按鍵部位的圖案與感測距離的範例，隨著按鍵形狀、尺寸不同，感測距離也會產生變化。距離太長容易發生失誤，距離太短容易反應遲鈍，因此實際應用必須根據用途與機器的結構，調整按鍵部位的圖案。圖10 弛張震盪電路PWM切換電路的基本結構圖10(d)呈現的鋸齒狀為滑塊用，它可以感測手指處於水平方向的方位，應用在類似MP3等歌曲點播、音量調整，要求以手指橫向操作的產品上。而電容式觸控感測的運作方式如下： ?弛張振盪量測電容器的容量變化，是弛張振盪方式(Relaxation Oscillator)典型方法，如圖11所示，弛張振盪方式利

17、用電阻器與定電流電源使電容器充電，接著量測一定電壓的時間，當手指觸壓面板時，電容器的容量越大，站立時間則越來越遲緩。圖11 手指接近時電容改變此處假設站立時間為t，電源電壓為，電容器的端子之間電壓為，如此一來就變成下列指數關係：t與RC的積呈比例，因此RC稱為時定數，假設：tRC換句話說，若將 當作臨界(Threshold)時，到達該電壓的時間幾乎與RC的積相同，因此計算上相當容易。圖12是利用上述特性構成的RC振盪電路，包括滯後(Hysteresis)振盪電路及弛張振盪電路；不過這類設計方式RC的積-亦即時定數，會變成一個問題。其主要理由是，與手指之間的容量很小，時定數大到某種程度時必須增加

18、R，其結果造成觸控部位的阻抗(Impedance)增加，容易受噪訊影響(圖13)。圖12 RC振盪電路的基本結構圖13 利用RC時定數檢測方式易受噪訊影響?充電轉換這種方式兼具降低觸控部位的阻抗，以免受到噪訊影響，還可同時感測容量變化的方式。典型例子為Quantum開發的充電轉換(Charge Transfer)方式。如圖14所示，充電轉換方式是由設定切換器(Reset Switch)與電荷儲存用電容器構成。圖14 充電轉換方式的基本結構圖15則是充電轉換器方式的動作特性，首先連接 與端子，接著轉換切換器，儲存在的電荷會移動到，轉換切換器時的電壓會上升，上升的幅度則由與 的容量比決定，此時只要

19、量測超過一定電壓( )的時間，就知道的變化。量測結束後利用再設定切換器使放電回到初期狀態。圖15 充電轉換器方式的動作特性充電階段端子與電源連接，因此阻抗維持低強度狀態，此時 端子部位的阻抗可能變高，不過 的容量比 大，而且電荷的轉送瞬間就結束，容易受噪訊影響的端子部位，呈電氣性連接的時間非常短就結束，因此可以使影響抑制在最小範圍。充電轉換器方式的外置元件非常少，一般認為充電轉換方式可算是優秀的觸控元件。儘管技術突出，但因上述充電轉換器方式擁有專利，因此不願付費的廠商，在研發具備觸控感測功能的IC商品時，勢必回避專利。?CSACapSense Successive Approximation(

20、CSA)是賽普拉斯半導體開發的觸控技術，適用於類比/數位混合訊號處理器的PSoC。圖16是CSA方式的基本結構，外觀非常類似充電轉換方式，CSA與充電轉換間最大差異是切換器的連接，尤其是CSA的電容器高速開關時，可以獲得類似電阻器的切換容器動作特性。圖16 CSA方式的基本結構CSA與電阻器電路的動作波形比較如圖17，右側反覆切換部分相當於左側電阻器，觸控時的容量變化相當於阻抗值變化，切換時的輸出電壓利用下式表示：圖17 CSA方式的動作特性隨著手指的靠近C增大， 則變低。一旦停止切換動作，透過定電流源的供應電壓上升，到達預設臨界電壓的時間，隨著切換時的電壓，亦即感測部位的容量改變。?串聯容量

21、分壓比較串聯容量分壓比較方式與充電轉換方式相同，都是利用電荷的移動特性，它是歐姆龍專利的感測方式。如圖18所示，串聯容量分壓比較方式是由電阻器與基準用電容器構成，結構上的特徵是基準用電容器與感測器部位的容量呈串聯狀態，利用該串聯容量的切換使充電用電容器放電，接著量測電壓降至一定位置的時間，是串聯容量分壓比較方式的基本動作原理。圖18 串聯容量分壓比較方式的基本結構圖19是串聯容量分壓比較方式的動作特性，如圖所示，步驟1對充電用電容器進行充電，步驟2使基準用電容器與感測器部位的電容器放電，此時通過電阻器充電用電容器會被放電，因此切換器 與 的ON時間非常短。圖19 串聯容量分壓比較方式的動作特性

22、步驟3切換器與一旦變成OFF，電荷會從充電用電容器移動到基準用電容器與感測器部位的電容器，此時充電用電容器只作同等程度的放電，反覆這個動作，充電用電容器的電壓會逐漸降低，比較器的輸入電壓也隨著降低，此時只要量測降至基準電壓的時間，就可以判定面板是否被觸控。?分流分流(Shunt)方式主要使用類比元件電容式觸控感測IC，分流方式的動作原理如圖20，它與無線通訊的動作原理非常類似，兩個圖案其中一個當作送訊天線以高頻驅動，另外一個當作收訊天線接收訊號進行。圖20 分流方式的動作原理如圖20，上方天線彼此呈電界結合狀，一旦手指靠近就變成圖20(b)，由於人體本身就是接地物體，相當於一塊矗立的遮蔽板，因

23、此收訊強度會降低。 值得一提的是，觸控感測晶片會對周圍的環境變化進行補償，它會依照觸控手指大小造成變化量的增減，自動調整開關臨界強度與感度。?切換容量圖21是切換容量方式的動作原理，首先將電容器與切換器連接，利用時脈交互進行開關。電壓V的電源一旦被接通，會將Q=CV的電荷Q(C)儲存在容量C的電容器。反覆使電容器充電、放電時，CV的電荷會移動，1秒鐘反覆N次，呈現Q=NCV的電荷移動狀態。圖21 利用電容器製作阻抗接著將電阻器與電源連接進行比較，R()電阻器的兩端如果施加V(V)，流動電流I(A)變成： I=V/RI(A)是指1秒鐘I(C)的電荷移動，1秒鐘的Q(C)的電荷移動變成：Q=V/R兩式比較可以發現從CV=V/R變成NC=1/R，換句話說以N(Hz)切換，相當於連接1/NC()電阻器進行電荷移動。輸出電壓利用切換動作反覆上下移動，此時若以低通濾波器(Low-Pass Filter, LPF)平滑化，就可以獲得使用電阻器相同效果。?內部電容內部電容(Inner Capacitive)方式是電容式感測的改良版，主要特徵包括，保持電容式的優點，低價、輕