觸控螢幕由各式元件架構而成
設計一款觸控螢幕產品時，最重要的第一步應先確認什麼才是最需要的。觸控螢幕供應鏈中的廠商經常提供不同的組成要件，並常結合多種元件為終端客戶創造一個價值鏈。圖1顯示觸控螢幕組成產業體系的要件剖析圖，無論在最新筆記型電腦或觸控手機皆為此產業體系，以下一一介紹各組成元件。
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| 圖1 觸控螢幕控制器剖析圖 |
| 前方面板或邊框是終端產品的最外層構造。在某些產品中，這個操控面板含有一個保護用的透明覆層，防止雨水或溼氣滲入系統，可避免因刮損或操作不當而破壞底下的感測器運作。有時最外層的操控面板僅覆蓋底下感測器的邊緣，這種情況下，其僅具裝飾功能。 |
| 觸控控制器通常是一個微小的微控制晶片，置於觸控感測器與嵌入式系統控制器間。這個晶片可能位於系統內的控制器機板上，或是置於連結至玻璃觸控感測器上的軟性印刷電路板(FPC)。觸控控制器收到從觸控感測器傳來的訊息後，將訊息轉換成個人電腦(PC)或嵌入式系統控制器能了解的訊息。 |
| 觸控螢幕的感測器是一片透明的玻璃面板，加上一層具有感應觸碰功能的表面材料，感測器位於液晶螢幕上方，因此面板的觸控面積涵蓋螢幕的整個可視平面。現今市面上有許多不同的觸控感測器技術，皆分別採用不同方法偵測觸碰的輸入動作，基本而言，這些技術全部採用分布在面板上的電流偵測，當面板被觸碰時，會造成電壓或訊號的變化，觸控控制器會偵測到電壓的改變，並藉此判斷觸碰點在螢幕上的位置。 |
| 大多數觸控螢幕系統都能在傳統液晶顯示器(LCD)上運作。顧客在選擇搭載觸控功能的產品時，考量的因素也和傳統系統相同，包括解析度、清晰度、畫面更新速度及成本，而觸控螢幕的主要考量因素之一則是電子發射技術。由於觸控感測器採用的技術，是根據當面板被觸碰時所產生的微小電子變化，而液晶螢幕本身就會發射出大量的電子雜訊，很難透過設計改善，因此為觸控螢幕系統選擇液晶螢幕時，應向觸控感測器廠商諮詢相關資訊。 |
| 觸控螢幕的驅動軟體可能是由原廠提供(在手機的嵌入式作業系統內)，或以附加軟體的型態供應，如為傳統個人電腦加裝觸控螢幕。這個軟體讓觸控螢幕與系統控制器能搭配運作，並告知產品作業系統如何解譯從控制器傳來的觸碰事件訊息。在個人電腦平台的應用軟體方面，大多數觸控螢幕驅動程式的功能就像一個滑鼠，讓觸碰到螢幕的動作，就像在螢幕的該位置上點按滑鼠鍵；在嵌入式系統中，嵌入式控制器須比較螢幕上出現資訊的位置和觸碰的位置。 |
電阻/電容式技術位居市場排名一二
目前觸控技術最大主流為電阻式，其次為電容式，其中電容是又分為表面與投射式電容觸控技術，以下分別說明。
電阻式觸控螢幕最常見
電阻式觸控螢幕涵蓋各種高流量應用，螢幕表面具有防潑水與防砂塵的功能，通常是建置成本最低的觸控螢幕方案。由於電阻式觸控螢幕能對壓力進行反應，因此能透過手指、穿著手套的手、觸控筆及如信用卡等其他物體觸控。
表面電容式觸控螢幕具高透明優勢
表面電容式觸控螢幕的高透明度螢幕，勝過電阻式觸控螢幕的塑膠上蓋。表面電容螢幕的感測器位於螢幕的四個角落，能偵測因觸碰所產生的電容變化，這些觸控螢幕僅能透過手指或其他導電物體啟動。
投射電容式觸控螢幕能多點偵測
投射電容式觸控螢幕技術亦提供優異的透明度，且明顯超越表面電容式觸控螢幕。投射電容式感測器不須進行位置校正，並提供更高的位置精準度，此外，投射電容式觸控螢幕還能同時偵測到多個觸碰點。
ITO為觸控技術關鍵元件
接下來將深入介紹兩種最常見觸控螢幕技術的內部運作。最廣泛採用的觸控螢幕技術是電阻式，大多數人都曾使用過這些電阻式觸控螢幕，包括在銀行的自動櫃員機、商店的信用卡結帳機台或在餐廳輸入點餐資料。投射式電容觸控螢幕雖然尚未受到廣泛應用，但已逐漸受到市場接受，許多手機與可攜式音樂播放裝置逐漸推出搭載投射式電容感測介面的機種。電阻式與電容式技術都有一個強大的電子元件，即一種高透明度的導體–氧化銦錫(ITO)，未來將在市場上流行一段很長時間。
電阻式仍有須定期校正問題待解
電阻式觸控螢幕含有一個高彈性的覆蓋頂層，然後由上而下依序是ITO、隔空層及另一個ITO層(圖2左)。面板透過四條線路連結至ITO層，包括X層的左右兩側兩條線路，以Y層上下兩邊的兩條線路。
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| 圖2 電阻式(左)及電容式(右)觸控螢幕分層架構圖 |
高彈性的頂層偵測到觸碰動作後，將訊息傳到下方的元件層。系統以兩個步驟推算出觸碰的位置，第一步驟為X軸右側轉換成一個電壓值；X軸左側傳送到接地線，並從Y軸感測器讀取電壓值，這個步驟就能得到X軸的座標值，另一個座標軸再重複同樣程序，即可推算手指確切位置。
電阻式觸控螢幕亦有五線路與八線路的版本。五線路版本將最上方的ITO層換成一個低電阻的導電層，提供更好的耐用性；研發中的八線路版本則提供更高的解析度，能為面板的各項特色功能提供更精確的校正功能。
電阻式技術也有許多缺點，如彈性覆蓋頂層的透明度僅有75～80%，而且電阻式觸控螢幕的量測過程也存在許多容易發生錯誤的來源。若ITO層均勻度不夠高，電阻就無法直線分布在感測器上，且量測電壓需要10或12位元的精準度，這在許多環境下是困難的。許多現有的電阻式觸控螢幕亦須定期校正，才能讓觸碰點能對準底層的液晶顯示器影像。
投射式電容技術可實現多點觸控
相反的，投射式電容觸控螢幕沒有可移動的零件，LCD與使用者間相隔的只有ITO與玻璃，兩者的透明度均為100%。投射式電容感測硬體包括一個玻璃材質的頂層(圖2右)，之後依序是一個X軸感測器陣列、絕緣層、一個Y軸感測器陣列及一個玻璃基板。面板透過一條線路連結X與Y軸感測器，因此一個5軸×6軸尺寸的面板會有十一條線路，而10軸×14軸的面板則會有二十四條感測器線路。
當手指或其他導電物體接近螢幕時，就會在感測器與手指之間產生一個電容。相較於系統中的其他電容，這個電容的強度相當弱，約為0.5皮法(pF)與20pF，但已大到足以量測。其中一種常見的量測技巧，名為電容式感測，使用一個CapSense Sigma-Delta(CSD)調變器，能快速對電容充電，並透過一個洩漏電阻量測放電時間。
投射電容式感測器陣列讓手指能同時和一個以上的X軸感測器及與一個以上的Y軸感測器進行互動(圖3)。這讓軟體能精準地判斷手指位置，透過內插法推算出極精準的座標數值。如若感測器1、2、3接收到的訊號分別為3、10、7，則手指中央的位置為(1×3+2×10+7×3)/(3+10+7)=2.2。
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| 圖3 X與Y軸的訊號強度代表觸碰位置 |
由於投射式電容面板擁有多個感測器，因此能同時偵測到多個手指觸碰點，這是其他技術做不到的功能。事實上，投射式電容技術能同時偵測到十個手指觸碰點，此技術可創造出許多令人振奮的新應用，透過多個手指的按壓進行操控，其中包括掌上型電子裝置的多人對戰遊戲，或是透過觸控螢幕彈鋼琴。
毫無疑問，觸控螢幕的絕對相當迷人，其已開始重新定義一個將被全世界所採納的新使用者介面與業界設計標準，如從心率監測器一直到最新的多功能印表機。除了外觀，觸控螢幕還提供安全性，能防竄改、防潑水、耐磨損，甚至能透過如多點觸控等獨特功能，創造出許多全新的市場，隨著觸控螢幕透過眾多種類的產品打入市場，研發工程師必須更加了解此技術組成體系及其可用性。
(本文作者任職於賽普拉斯)
