降低觸控面板厚度，In-cell實(shí)現(xiàn)行動(dòng)裝置輕薄體驗(yàn)。電容式感測(cè)技術(shù)自發(fā)表以來(lái)已經(jīng)歷大幅演進(jìn)，不僅能實(shí)現(xiàn)多指觸控、解讀各種復(fù)雜的手勢(shì)動(dòng)作，更能應(yīng)付充斥干擾源的環(huán)境，以及支持大尺寸屏幕。如今，業(yè)者已積極投入內(nèi)嵌式(In-cell)技術(shù)研發(fā)，期進(jìn)一步降低觸控面板厚度與成本。
而這種觸控功能也已跨入到平板計(jì)算機(jī)這種新類型的行動(dòng)裝置中，應(yīng)用在平板計(jì)算機(jī)觸控中的電容感測(cè)技術(shù)發(fā)展將會(huì)持續(xù)帶動(dòng)這波科技風(fēng)潮。從家電產(chǎn)品到汽車、工業(yè)、住宅自動(dòng)化、行動(dòng)與家庭運(yùn)算，電容感測(cè)技術(shù)正影響著用戶與電子裝置之間的互動(dòng)方式。
電容式感測(cè)技術(shù)從首次發(fā)表以來(lái)已經(jīng)歷大幅的演進(jìn)，一開始只是一種簡(jiǎn)單的按鈕技術(shù)，主要用來(lái)追蹤手指的X與Y軸的坐標(biāo)位置，之后演變成同時(shí)追蹤多只手指的位置。如今這些裝置能獨(dú)立追蹤手指的數(shù)量已無(wú)上限，且可解讀各種更復(fù)雜的手勢(shì)動(dòng)作、應(yīng)付充斥干擾源的環(huán)境以及支持尺寸更大的屏幕。而下一個(gè)目標(biāo)就是降低成本，因此各家廠商即開始進(jìn)行內(nèi)嵌式(In-cell)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。
電容式觸控傳感器技術(shù)復(fù)雜
要在電子裝置內(nèi)運(yùn)用電容感測(cè)技術(shù)，并非像買一顆硅芯片裝到印刷電路板(PCB)那樣簡(jiǎn)單。電容式感測(cè)是一種復(fù)雜的電子機(jī)械系統(tǒng)，通常包含上覆鏡片(Cover Lens)、傳感器、軟扁平電纜(Flex Tail)以及芯片等幾個(gè)主要零件，一起組成觸控系統(tǒng)。
圖1是一個(gè)On-Stack或外掛式(Out-cell)堆棧的典型例子，外掛式觸控技術(shù)的傳感器位于顯示層空區(qū)(Display Cell)的外部，傳感器連結(jié)到一個(gè)軟式印刷電路板(Flexible Printed Circuit, FPC)，電容感測(cè)芯片就是置于FPC軟扁平電纜上。
圖1 On-Stack或Out-cell堆棧的結(jié)構(gòu)
分析這種堆棧，排除原本就需要的上層玻璃或屏幕，系統(tǒng)中最昂貴的零件就是傳感器本身。由于傳感器不容易制造，需要多個(gè)制程步驟以及壓膜，而且使用的材料亦相當(dāng)昂貴，所以在手機(jī)應(yīng)用方面，這種傳感器的成本是芯片的三倍，且其成本和屏幕尺寸成比例而不是和屏幕對(duì)角線長(zhǎng)度成正比。
傳感器結(jié)構(gòu)大不同
圖2即為市場(chǎng)上常見的三種傳感器。由于這些傳感器采用玻璃或聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)基板等材料制成，所以傳感器內(nèi)的電路圖型最常使用的材料是銦錫氧化物(ITO)。ITO是良好導(dǎo)體，而且極為透明，肉眼幾乎看不見，但非常昂貴。圖2左邊的第一個(gè)傳感器是一個(gè)兩層的傳感器，以PET材料制造而成。圖2中間第二個(gè)傳感器經(jīng)常被誤稱為單層式，因?yàn)樗挥幸粚踊?，但?shí)際上它更應(yīng)該稱作是1.5層傳感器。它的厚度比雙層傳感器來(lái)得薄，還得附上一層絕緣層并插入介接層(Bridge)。圖2右則是一款真正單層式傳感器，該傳感器既沒(méi)有絕緣或介接組件，且價(jià)格只有前兩種傳感器的一半。
圖2 市場(chǎng)上較為常見的三種傳感器結(jié)構(gòu)
減少傳感器層數(shù) In-cell與On-cell可降低系統(tǒng)成本
對(duì)于手機(jī)制造商而言，藉由減少系統(tǒng)的層數(shù)讓傳感器更薄且更便宜，是相當(dāng)具有吸引力的作法，顯示器制造商則是竭盡全力把傳感器的感測(cè)層整合到自己的顯示器里。這種作法不僅可簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈，而且還能降低系統(tǒng)成本與厚度，但卻同時(shí)會(huì)限制了設(shè)計(jì)的彈性，因此許多人預(yù)測(cè)當(dāng)市場(chǎng)成熟后，On-cell與In-cell式堆棧僅會(huì)占有一部分的市場(chǎng)版圖。
現(xiàn)今兩種主要的顯示器整合觸控傳感器技術(shù)為On-cell與In-cell。根據(jù)考慮的顯示器種類，如薄膜晶體管(TFT)、橫向電場(chǎng)效應(yīng)(IPS)以及有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)，在不同顯示器應(yīng)用中，兩種技術(shù)的定義也略有差別，且亦有一些共同原則。On-cell顯示器在彩色濾光片上整合感測(cè)層，而In-cell顯示器則如圖3所示，把感測(cè)層整合在彩色濾光片下方。
圖3 On-cell與In-cell差異處在于感測(cè)層的位置
在一個(gè)典型的On-cell液晶屏幕中，ITO感測(cè)層沉積于偏光片的下方，并且位于彩色濾光片的上方。On-cell的主要挑戰(zhàn)是顯示器耦合到感測(cè)層的噪聲數(shù)量，觸控屏幕組件必須運(yùn)用精密的算法來(lái)處理這種噪聲。On-cell技術(shù)提供將傳感器整合到顯示器的所有好處，例如使觸控面板更加輕薄與大幅降低成本等優(yōu)點(diǎn)，但整體系統(tǒng)成本降低的幅度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及In-cell技術(shù)。
In-Cell噪聲/觸控靈敏度問(wèn)題棘手
In-cell在成熟后，各界相信其能提供最低廉的顯示器整合式觸控解決方案。這是因?yàn)镮n-cell式觸控屏幕把ITO感測(cè)層沉積在彩色濾光片的下方。這也減少了制造顯示器所需的步驟。而且意味著顯示器僅須一個(gè)軟扁平電纜連結(jié)點(diǎn)，而不是On-cell須要用到兩個(gè)連結(jié)點(diǎn)。
除此之外，若是把ITO層沉積在彩色濾光片玻璃的下方以及Vcom層的正上方，這種作法的確會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題。
首先，In-cell堆棧內(nèi)的觸控屏幕控制器，會(huì)開始有顯示器內(nèi)部產(chǎn)生噪聲的嚴(yán)重問(wèn)題。再者，Vcom層則會(huì)形成一個(gè)大接地層，充滿投射電容訊號(hào)，因而降低觸控時(shí)的靈敏度。最后，堆棧的方式會(huì)對(duì)感測(cè)信道產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的寄生電容，這意味觸控屏幕組件供應(yīng)的Tx電流，其強(qiáng)度必須要夠高，才足以帶動(dòng)一個(gè)較大的電流負(fù)載。以上因素讓In-cell技術(shù)面臨極難克服的工程挑戰(zhàn)。
解決In-cell噪聲過(guò)高與電流不足 DDI控制器模擬處理功能顯優(yōu)勢(shì)
顯示器制造商應(yīng)該如何克服In-cell的挑戰(zhàn)，以便讓這種新技術(shù)能順利推入市場(chǎng)呢？首先，廠商可運(yùn)用Display Armor技術(shù)來(lái)解決噪聲問(wèn)題，這種技術(shù)會(huì)監(jiān)聽顯示器噪聲，并利用精密的硬件來(lái)消除電容量測(cè)信道傳出的噪聲。其次，評(píng)估多種拓?fù)洌芯科湓隍?qū)動(dòng)最大寄生負(fù)載方面的成效。這些架構(gòu)通常包括運(yùn)用顯示驅(qū)動(dòng)IC(DDI)組件，來(lái)為電容式觸控控制器驅(qū)動(dòng)屏幕面板。
DDI控制器屬于高電壓組件，采用20～30奈米(nm)的極小型動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)制程技術(shù)。該組件輸出最高可高達(dá)50伏特(V)。而電容式觸控控制器通常采用130～250奈米制程技術(shù)，市面上最高Tx功率的組件通常為10伏特。DDI控制器的高輸出功率，使其更加適合用來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器組件，而觸控芯片的先進(jìn)模擬處理功能，則可讓它們非常適合執(zhí)行感測(cè)作業(yè)，強(qiáng)化觸控的效能。
促使DDI與觸控芯片互相通訊 專利總線大展身手
如何讓DDI與觸控芯片這些組件一起運(yùn)作為重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前已有觸控IC供貨商正嘗試把這兩種技術(shù)整合到一個(gè)芯片內(nèi)，但是這種架構(gòu)可能不是最有效率的。
若把DDI技術(shù)引進(jìn)到觸控技術(shù)制程，結(jié)果會(huì)造成組件體積太大且成本昂貴，而要是把觸控技術(shù)導(dǎo)入DDI制程，則又會(huì)在模擬通道上面臨許多嚴(yán)重的問(wèn)題。除此之外，另一個(gè)艱難的挑戰(zhàn)是DDI芯片對(duì)于所驅(qū)動(dòng)的顯示器而言一向都會(huì)具有排他性，因此對(duì)于觸控IC設(shè)計(jì)廠商而言，要結(jié)合這兩種產(chǎn)品須要投入極多的心力。
為了解決此一問(wèn)題，可以使用另一種架構(gòu)讓兩種芯片能夠相互通訊。在圖4中可清楚看到DDI芯片驅(qū)動(dòng)傳感器，而觸控芯片則負(fù)責(zé)量測(cè)電容傳感器。兩者可透過(guò)一個(gè)專利總線進(jìn)行通訊，此為目前最為先進(jìn)的解決方案。它讓DDI模型能夠維持原貌，并且使觸控解決方案可以有最高的彈性。在這種專利總線的架構(gòu)中，觸控芯片可以是緊靠著DDI旁玻璃上的晶?；蚴侵糜诳蓳鲜奖馄诫娎|內(nèi)，以便為客戶空出更多的設(shè)計(jì)空間。
圖4 DDI與觸控芯片透過(guò)專利總線可進(jìn)行通訊
(本文作者為賽普拉斯TrueTouch營(yíng)銷總監(jiān))
