电容式触控技术百家争鸣

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1、感測電路結構各展所長　電容式觸控技術百家爭鳴觸控面板(TouchPanel)與觸控按鍵(TouchPad)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(CypressSemiconductor)推出可編程系統單晶片(ProgrammableSystemonChip,PSoC)技術，研究人員發現，透過類比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

2、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，可以直接操控畫面上顯示按鍵的觸控面板技術，其主要方式與特徵如表1。表1　觸控

3、面板的結構比較特性技術種類阻抗膜(4線式)阻抗膜(5線式)紅外線掃描超音波表面彈性波聲學脈衝波辨識(APR)紅外線感測器投射容量式表面容量式穿透率ΔΔ◎◎◎◎○○觸控持久性Δ○◎◎◎◎◎○反應性手套◎◎◎○◎◎ΔΔ耐環境水○○ΔΔ◎Δ○◎粉塵○○○○◎○◎◎面板尺寸大型化ΔΔΔ○◎◎ΔΔ小型化◎○ΔΔΔΔ◎○最佳◎　佳○　普通Δ　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

4、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)，

5、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(IndiumTinOxide,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

6、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CarrolTouch。如圖3所示，發光二極體(LED)透過鏡片收斂光軸，再將光

7、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，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