【導讀】：隨著(zhù)產(chǎn)品的覆蓋層厚度持續增加，對于觸按的傳感系統，也必須經(jīng)過(guò)系統的對應調整，尤其是對于終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求，要求的是開(kāi)關(guān)表現的穩定性與實(shí)用性，如何制作一個(gè)能提升電容觸按偵測的高精確度電容式傳感器，成為整合終端應用的一大關(guān)鍵。

　　以往實(shí)體開(kāi)關(guān)、按鍵的設計方案，產(chǎn)品設計必須考量的按鍵處理多半較為單純，頂多必須處理按鍵(鍵盤(pán))接點(diǎn)的彈跳、噪訊處理，去控制輸入訊號轉換數位化后相對干凈俐落的內容值或狀態(tài)值的轉換，因此早期的電子商品尤其喜愛(ài)各式實(shí)體按鍵設計。

　　但實(shí)體按鍵的設計，仍有許多物理性的考量，例如，實(shí)體按鍵即便有效縮小按鍵體積，也具備一定程度的尺寸，而實(shí)體按鍵會(huì )有按鍵彈性疲乏、接點(diǎn)氧化...等問(wèn)題需改善，按鍵若為開(kāi)放性設計，使用裝置環(huán)境的水氣、灰塵也會(huì )出現影響開(kāi)/關(guān)偵測的訊號穩定性，在按鍵的處理靈敏度、可靠性都會(huì )呈現相對較低的問(wèn)題。

　　實(shí)體按鍵的尺寸在面對產(chǎn)品集積化(小型化)的演進(jìn)過(guò)程，也成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一大限制！例如，對于行動(dòng)裝置需要的輸入鍵盤(pán)需求，若以實(shí)際按鍵的標準101鍵鍵盤(pán)設置，肯定會(huì )讓產(chǎn)品的重量、厚度、成本相對增加，而產(chǎn)品還未享受到搭載實(shí)際鍵盤(pán)的效益前，硬體開(kāi)發(fā)商就必須面對零件成本的問(wèn)題，即便新一代的設計采取模組化按鍵或是薄膜按鍵以改善設置體積與成本問(wèn)題，但這類(lèi)按鍵也會(huì )面臨按鍵使用耐用度與觸按體驗較差的物理限制問(wèn)題。

　　Apple的iOS Device產(chǎn)品設計概念，以顯示觸屏去解決大量的按鍵需求，在市場(chǎng)上獲得消費者的青睞，不只是利用顯示觸屏帶來(lái)的效益，更多的消費性電子，如DV、DC、NB也大量采行非顯示的電容式觸按開(kāi)關(guān)，逐一取代實(shí)體開(kāi)關(guān)與按鍵，讓產(chǎn)品的外觀(guān)設計朝向更簡(jiǎn)潔的方向。

　　電容式觸控方案已使用多年

電容式觸控感應按鍵技術(shù)原理

　　
　　實(shí)際上，電容式觸控方案，在觸按傳感器的廣泛使用方面，已發(fā)展多年，也散見(jiàn)于各種電子裝置的設計中！尤其是近期采混合信號的可程式化元器件開(kāi)發(fā)設計，讓電容式觸控傳感器成為取代各種消費電子產(chǎn)品機械式開(kāi)關(guān)的一大關(guān)鍵，讓產(chǎn)品設計增添實(shí)用性?xún)r(jià)值與更多額外效益。

　　典型的電容式傳感器設計方案，觸按面的產(chǎn)品設計一般要求覆蓋層的厚度必須低于3mm以下，因為越厚的覆蓋層將會(huì )導致觸按訊號偵測劣化，造成裝置誤判觸按訊號，讓裝置出現失誤的問(wèn)題增多。新的消費性電子設計，為求機構的強度要求，或產(chǎn)品的設計方案要求(例如整合顯示屏)，讓覆蓋層的厚度持續增加，此會(huì )讓觸按控制IC進(jìn)行手指電容的觸按偵測過(guò)程變得越來(lái)越困難與復雜，尤其增加了更多處理信號的環(huán)境變數。

　　換句話(huà)說(shuō)，隨著(zhù)產(chǎn)品的覆蓋層厚度持續增加，對于觸按的傳感系統，也必須經(jīng)過(guò)系統的對應調整，尤其是對于終端產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)需求，要求的是開(kāi)關(guān)表現的穩定性與實(shí)用性，如何制作一個(gè)能提升電容觸按偵測的高精確度電容式傳感器，成為整合終端應用的一大關(guān)鍵。

　　電容式觸控必須克服厚度的傳感限制

　　觀(guān)察最簡(jiǎn)單的電容器設計，由簡(jiǎn)單的兩片平行板電容器，具備兩組導體，在導體之間隔著(zhù)一層電介質(zhì)，此系統中絕大部分的能量會(huì )直接聚集在電容器的導電極板間，少許能量會(huì )泄露于電容器的極板以外空間。 而所有電容式觸摸傳感系統核心設計，多是由一組與電場(chǎng)相互作用的導體組合而成，在人類(lèi)的皮膚下面，人體組織充滿(mǎn)可傳導電解質(zhì)，此為手指的導電特性，這也讓電容式觸控方案成為可能被實(shí)踐的基礎原理。

　　實(shí)作電容觸控傳感器

　　若以電容觸按的虛擬按鍵設計，采取10~15mm直徑的方式設置(此為指尖觸按的平均表面積)為例，多數電路的組裝PCB會(huì )整合5~10個(gè)觸點(diǎn)虛擬按鍵，在實(shí)際設計中，每組按鍵必須有均勻間距，虛擬按鍵過(guò)近則必須考量間隙的預留尺寸設計參數，若按鍵間的間隙尺寸設置過(guò)小，將造成過(guò)多的電場(chǎng)能量直接傳遞至接地端，尤其在面對較厚的覆蓋層時(shí)，間隙的設計參數就必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗反覆測試以找出最佳參數。

　　性能測試重點(diǎn)
　　
　　電容觸按設計要取代傳統機械按鍵的關(guān)鍵，就在于操作體驗是否能達到穩定、無(wú)誤的狀態(tài)，此必須在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行更完善的性能測試，例如，開(kāi)發(fā)階段可以利用一個(gè)終端產(chǎn)品的仿真設計模型進(jìn)行大量測試，透過(guò)實(shí)驗模型擷取差分計數，再藉助數位繪圖即時(shí)檢視觸按狀態(tài)。

　　實(shí)際進(jìn)行實(shí)驗測試性能時(shí)，以前例設計方案為例，可以將手指放置于預設較厚的覆蓋層上方，并持續2~3秒的觸按時(shí)間，虛擬電容觸按按鍵的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)，即時(shí)被累加于計數器，實(shí)驗進(jìn)行中可以針對按鍵的輸出訊號，檢視能否在按鍵開(kāi)/關(guān)兩種狀態(tài)間俐落轉換，即便發(fā)現增厚的覆蓋層進(jìn)行檢測出現較大噪訊時(shí)，也必須維持較佳的觸按訊號反饋。

　　導入電容觸按設計的實(shí)質(zhì)效益
　　
　　電容觸按設計與機械式開(kāi)關(guān)比較，會(huì )發(fā)現電容觸按設計有相當多的優(yōu)點(diǎn)，尤其是基于電容原理的觸按傳感器耐用性相當好，具不易損壞的特性，并可獲得較長(cháng)的使用壽命表現，不像機械開(kāi)關(guān)在后期會(huì )有較大按鍵彈跳、故障等問(wèn)題，尤其是現今混合信號處理搭配可程式化的控制IC技術(shù)整合，使觸按式傳感器的導入效益持續提升、成本持續降低，并提高電路靈敏度與可靠性，是取代機械式開(kāi)關(guān)元件的首選替代方案。

　　基于顯示屏的電容式觸按技術(shù)趨勢

　　
　　過(guò)去很多LCD模組都采行電阻式觸控屏設計，這類(lèi)觸控屏設計將螢幕的面積等效于物理位置而進(jìn)行X、Y軸座標轉換，控制IC的輸出為將螢幕表面ITO的觸點(diǎn)座標電壓值傳回進(jìn)行座標換算，常見(jiàn)的有4、5、7和8線(xiàn)觸控屏設計，但實(shí)際上電阻式顯示觸控屏設計方案的物理限制較多，如顯示效果因ITO較多影響視覺(jué)效果，實(shí)際電阻式觸屏的基礎原理也是透過(guò)機械原理達成，會(huì )容易出現觸按反應疲乏、使用壽命也較低的問(wèn)題。

　　基于電容式設計方案的顯示屏觸控技術(shù)，與目前市占率較高的電阻式觸控技術(shù)相比，其實(shí)為使用者帶來(lái)更多優(yōu)點(diǎn)，例如，高達97%穿透率、更真實(shí)的色彩呈現、螢幕的觸控功能僅需輕觸即可確認觸點(diǎn)、更長(cháng)的觸控屏使用壽命等，電容式觸控屏的Touch壽命約2億次，4線(xiàn)電阻觸控屏壽命約100萬(wàn)次，多線(xiàn)電阻觸控屏因ITO結構更復雜，其Touch壽命更低。

　　電容式觸控屏的觸點(diǎn)偵測原理

　　SCT常見(jiàn)于大尺寸的戶(hù)外顯示、互動(dòng)式電子看板應用，PCT技術(shù)因Apple推出具M(jìn)ulti-Touch多觸點(diǎn)偵測技術(shù)的iOS Device而暴紅。以觸控技術(shù)的發(fā)展歷程觀(guān)察，最早導入觸控技術(shù)以工業(yè)控制應用為多，其使用目的為將原本繁復的工廠(chǎng)運作控制盤(pán)(多為機械式設計)，整合至單組屏幕去進(jìn)行控制，整合更方便、直覺(jué)的觸屏人機介面設計。然而，前述的應用早期多采行電阻式觸控屏設計方案，但電阻式觸控屏因ITO具壽命與耐用性限制，無(wú)法完全滿(mǎn)足工控應用領(lǐng)域需求，因應大尺寸觸屏設計需求的SCT，成為高階設備機臺的首選應用方案。

　　而PCT的使用趨勢為延續中、小尺寸電阻式觸控屏市場(chǎng)出現的爆發(fā)性成長(cháng)！早期中小尺寸的PND、PDA、智慧型行動(dòng)電話(huà)產(chǎn)品，其屏幕觸控多采行電阻式觸控設計，2006年Apple于iPhone導入小尺寸PCT電容觸控技術(shù)，以大幅超越電阻式觸控屏的光學(xué)特性、多點(diǎn)觸控功能掀起市場(chǎng)風(fēng)潮，成為近來(lái)最受矚目的中、小尺寸面板當紅觸控技術(shù)。

　　PCT與SCT電容式觸摸技術(shù)
　　
　　PCT技術(shù)， 觸摸屏制作是建構于矩陣的概念，PCT面板之ITO為經(jīng)過(guò)蝕刻制成特定圖案，目的在提高各觸碰點(diǎn)的SNR噪訊比，藉此加強識別手指觸點(diǎn)的精確度。

　　SCT面板是由一片涂布均勻的ITO，自面板四角落各設置一條導線(xiàn)(UR、UL、LR、LL)與SCT觸控IC連接，為精確偵測手指觸點(diǎn)位置，SCT控制器需于面板建構均勻電場(chǎng)，此工作由IC內驅動(dòng)電路對面板進(jìn)行充電達成，而手指接觸顯示屏即引發(fā)微量電流，觸控IC即時(shí)感測解析UR、UL、LR、LL這4條導線(xiàn)電流量，并換算觸碰點(diǎn)的正確X、Y座標值。

　　而PCT與SCT技術(shù)間最大差異在PCT有機會(huì )實(shí)踐Multi-touch多點(diǎn)觸控，而SCT為Single-touch單點(diǎn)觸控應用。目前小尺寸顯示屏應用市場(chǎng)較少見(jiàn)SCT觸控方案，主要是元件的制造成本問(wèn)題，SCT面板制造商較欠缺的是關(guān)鍵光學(xué)鍍膜技術(shù)整合，此部分的關(guān)鍵制作關(guān)卡，多數必須采取委外加工方式制成，是成本偏高的主因，而SCT觸控IC的成本單價(jià)也較高。

　　PCT與SCT觸控方案限制

　　加上手指觸按產(chǎn)生的電容變化值，實(shí)際的物理表現易受環(huán)境溫度、濕度影響，目前常用的改善方針，是利用定時(shí)自動(dòng)校準技術(shù)克服元件問(wèn)題，尤其在目前大量用于中、小尺寸的行動(dòng)裝置，同時(shí)會(huì )整合大量RF元件(3G、Wi-Fi、Bluetooth)，也會(huì )對觸按信號量測造成干擾，影響PCT電容式觸控技術(shù)的SNR，此需搭配軔體或硬體技術(shù)進(jìn)行元件的性能改善。

　　相較PCT，雖SCT電容式觸控技術(shù)在控制器設計方面，同樣面臨手指電容觸按訊號易受干擾問(wèn)題，但可藉由內建于IC之各種提升SNR應用機制，進(jìn)行技術(shù)克服，除控制IC限制外，SCT電容式觸控技術(shù)的觸屏結構，也較PCT結構更簡(jiǎn)單，較容易于硬體技術(shù)方面進(jìn)行SNR提升設計，解決環(huán)境噪訊干擾問(wèn)題。