自容、互容感測并用 電容式觸控螢?zāi)豢顾源笤?/h1>
[導(dǎo)讀]電容式觸控螢?zāi)环浪δ芸赏蠓M(jìn)。電容式觸控螢?zāi)灰坏┯龅剿畾饣蛞后w，精準(zhǔn)度就會大幅降低。因此，電容式觸控面板與控制器開發(fā)商正協(xié)力合作，結(jié)合自容與互容感測層不同的功能特點，以提升電容式觸控螢?zāi)坏目顾?
電容式觸控螢?zāi)环浪δ芸赏蠓M(jìn)。電容式觸控螢?zāi)灰坏┯龅剿畾饣蛞后w，精準(zhǔn)度就會大幅降低。因此，電容式觸控面板與控制器開發(fā)商正協(xié)力合作，結(jié)合自容與互容感測層不同的功能特點，以提升電容式觸控螢?zāi)坏目顾耘c濕手指追蹤效能。
抗水性/濕手指追蹤功能兩項防水規(guī)范漸受重視
國際標(biāo)準(zhǔn)有許多對防水詳細(xì)的定義規(guī)范，其中國際電工協(xié)會(International Electrotechnical Commission, IEC)的IEC-60529標(biāo)準(zhǔn)，就針對防護(hù)等級(Ingress Protection, IP)做分級定義，其規(guī)范產(chǎn)品最高等級為IP-67，亦即能承受大量的飛塵(防塵等級為6)，并能浸入水中達(dá)1公尺深(防水等級為7)而不受損。
然而，很少有消費性行動裝置能符合這個等級，且IP等級至今亦還沒被廣泛運用在電容式觸控螢?zāi)坏漠a(chǎn)品規(guī)范上。通常觸控螢?zāi)坏姆浪枨?，系建立在使用者?jīng)驗及產(chǎn)品在遇到水氣時的反應(yīng)，而非進(jìn)行破壞性的測試。盡管防水定義尚未正式標(biāo)準(zhǔn)化，但目前逐漸被業(yè)界廣泛采用的兩項防水規(guī)范，包含抗水性(Water Rejection)及支援濕手指追蹤功能(Wet Finger Tracking)。
抗水性亦即當(dāng)觸控螢?zāi)簧嫌幸后w時，系統(tǒng)能排除假性觸控，且能在移除液體后，完全回復(fù)正常操作功能。例如不小心將咖啡潑灑到手機(jī)上，一定不會希望手機(jī)因此自動撥出電話或發(fā)送簡訊，甚至在你急于清理手機(jī)時，做出任何動作，并期望手機(jī)在擦干后，能回復(fù)到以往正常的運作功能?？顾允欠浪畛Ｒ娨埠苤匾臈l件因素，因為液體一定會停留在觸控螢?zāi)槐砻?，而觸控螢?zāi)槐仨氁芑貜?fù)正常且不產(chǎn)生任何假性觸控。然而，抗水性無法支援沾濕的螢?zāi)槐砻嬗|控，這方面就有賴濕手指追蹤功能。
濕手指追蹤功能，能在有水氣的觸控螢?zāi)簧献粉櫴种傅奈恢谩Ｓ|控螢?zāi)槐砻嫔系乃畾鈺闺娙萘繙y造成誤差，進(jìn)而減損觸控的精準(zhǔn)度，濕手指追蹤功能則能確保提供一個精準(zhǔn)值。在有水氣的情況下，可容許誤差通常為1?2毫米，對于撥打電話或發(fā)送電子郵件等關(guān)鍵功能而言，這樣的誤差足以應(yīng)付操作需求。
液體的特性對抗水性與濕手指追蹤功能非常重要。觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒纬傻母鞣N液體特性，其一為水氣凝結(jié)，在高濕度或溫度快速變化的環(huán)境中，觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒Y(jié)一層很薄的水氣。其次是水滴，雨滴、汗水或任何種類的液體，滴落在觸控螢?zāi)槐砻嫔?。其三是薄水膜，大量的水覆蓋在整個觸控螢?zāi)槐砻嫔?，形成一層很薄的液體，如之前提到潑灑出的咖啡就屬這類。
此外，辨識水滴的大小也很重要，小水滴通常指滴落到觸控螢?zāi)缓笾睆綔y量不超過3毫米的大小，而大水滴通常則介于3?18毫米之間。上述的三種液體型態(tài)將會產(chǎn)生不同類型的電容誤差，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮芗右砸驊?yīng)。
即便是相同類型的液體，對不支援多點觸控的自容感測(Self-Cap)與支援真正的多點觸控的互容感測(Mutual Cap)也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。有些觸控螢?zāi)豢刂破鲿瑫r使用這兩種技術(shù)，來解決因液體導(dǎo)致偵測時產(chǎn)生拒斥假性觸控所衍生的問題。要想了解這些問題，必須先了解電容感測在遇有水氣時所產(chǎn)生的一些基本物理變化。
使用傳導(dǎo)屏蔽觸控螢?zāi)徊浑S水氣起舞
電容感測能運作，是因為人體本身就是導(dǎo)電體，含有雜質(zhì)的水，如自來水或咖啡也是導(dǎo)體，并會使電容測量造成誤差。圖1為一個簡單的自容物理模型，電場線代表電容。
圖1 基本自容物理模型
自容的原理是偵測一個感測器對電路接地端的電容，使用方法是在感測器(TX)套用一個激發(fā)訊號，然后偵測得用多少電荷或電流，才能對含有接收器(RX)的感測器充飽電。在這個模型中，有兩個電流可能會經(jīng)過的回路，其一為透過人體和感測器直接耦合(I2)；其二為從感測器到鄰近感測器之間形成邊際電場耦合(I1)。自容的主要訊號來源為I2，大多來自手指與感測器之間直接的電容耦合(圖1中)。
直接電容耦合可利用平行板電容公式C=E0×Er×A/d推算，其中E0是自由空間的介電系數(shù)，Er是觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層的相對介電系數(shù)，A是手指覆蓋的面積，d是手指與感測器之間的距離，中間隔著觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層材料，圖1的C1與C2分別是行動裝置與人體相對于地面的電容。這些電容通常遠(yuǎn)高于直接耦合電容，因此所有這些的電容串聯(lián)會降低直接耦合電容，然而C1通常小到足以降低整體直接電容耦合，尤其是當(dāng)行動裝置完全以電池供電，且沒有連結(jié)充電器的時候。
邊際電場訊號I1在觸控時會增加一些觸控訊號，因為手指會吸收這個訊號，并透過人體傳導(dǎo)到地面(加到I2)。觸控螢?zāi)簧蠜]有被觸碰到的水氣，會對I1產(chǎn)生很大的影響，而這些水氣也是電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)生誤差的主要來源，水氣會增加鄰近感測器之間的邊際電場，進(jìn)而增加電容。端視觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層的厚度與介電系數(shù)，可能導(dǎo)致足夠的電容變化，如手指輕觸，讓感測電路將它誤判為假性觸控。欲解決這個問題，就得使用傳導(dǎo)屏蔽(有時稱為Guard保護(hù)層)(圖2)。
圖2 屏蔽狀態(tài)下的基本自容物理模型
利用復(fù)制的TX來驅(qū)動鄰近感測器，即可消除I1且感測電路不會偵測到任何電容。但若要實際應(yīng)用此解決方案，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮軝C(jī)動地切換感測接腳，即時在TX、RX及屏蔽之間切換，進(jìn)而感測到整個觸控螢?zāi)?。在傳統(tǒng)CapSense按鈕上，屏蔽技術(shù)也能同樣運作。
圖3則是以不同的方式讓讀者了解I1、I2及感測到的電流IRX如何隨觸碰、水氣等因素，以及在有屏蔽與無屏蔽狀態(tài)下產(chǎn)生的各種變化?；ト莸脑硎歉袦y兩個感測器之間的電容(圖4)。
圖3 自容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
圖4 屏蔽狀態(tài)下的基本互容物理模型
此時，TX套用到一個感測器上，而RX則套用到另一個鄰近感測器?；ト莞袦y的物理原理和自容相同，但手指訊號的主要來源是邊際電場而不是直接耦合。手指會吸走電荷，并表現(xiàn)在電流上，而這個電流在正常情況下都是經(jīng)過邊際電場(I1)再透過人體(I2)傳到地面，整體效應(yīng)就是兩個感測器之間的互容減少。觸控螢?zāi)簧蠜]有被手指觸碰到的水氣，也會產(chǎn)生像自容一樣增加邊際電場的強(qiáng)度進(jìn)而提高電容訊號，并增加流到RX的電流。圖5為另一種互容感測呈現(xiàn)方式。 [!--empirenews.page--]
圖5 互容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
自容/互容感測各有所長兩者兼顧設(shè)計挑戰(zhàn)高
具傳導(dǎo)屏蔽的自容感測，雖然能有較佳的抗水性功能，但卻無法支援真正的多點觸控。從較高層次的觀點來看，互容感測應(yīng)該也適用于抗水性，因為在觸控螢?zāi)槐砻嫔显黾铀畾鈺?dǎo)致與手指觸控相反的磁性改變，但這也意味移除水氣和手指觸控并無差別。
具傳導(dǎo)屏蔽的自容，雖然能在有水氣的情況下運作，但卻無法支援多點觸控效能。相反的，互容能支援多點觸控的效能，但遇到水氣時卻無法正常運作。對抗水性來說，最可靠穩(wěn)定的解決方案就是同時使用互容與自容感測，而要實際應(yīng)用這種解決方案，前提就是觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮茉赥X、RX及屏蔽之間動態(tài)地切換接腳功能。
然而，結(jié)合自容與互容感測，卻無法對濕手指追蹤功能帶來優(yōu)勢，因為當(dāng)手指觸碰到觸控螢?zāi)簧系乃畾鈺r，水氣就會和手指合為一體成為導(dǎo)體，此時手指會吸走邊際電場電流，并傳導(dǎo)至地面降低電容。
不過在撥打電話時，觸控表面的觸控反應(yīng)狀況，也可能類似當(dāng)大姆指或臉頰貼近整個螢?zāi)粫r的反應(yīng)一樣，得視水氣多寡及水氣在螢?zāi)槐砻娴姆植记闆r決定。若沒有運用特別演算法來處理這個大面積的訊號，觸控螢?zāi)豢刂破骶蜁运畾飧采w面的中心點來進(jìn)行運算，可能會造成距離的誤差(圖6)。
圖6 濕手指追蹤觸控精準(zhǔn)度誤差
盡管可利用訊號中的資訊來改進(jìn)精準(zhǔn)度，但若只想藉電容感測技術(shù)，讓追蹤濕手指的精準(zhǔn)度達(dá)到和追蹤沒有水氣時正常手指位置的精準(zhǔn)度，則較不切實際。
電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)業(yè)尚未對防水做明確定義，雖有一些通用標(biāo)準(zhǔn)，但大多用于破壞性測試，并未涵蓋觸控螢?zāi)?，因而抗水性與濕手指追蹤逐漸受業(yè)界注意；此外，了解水氣對自容與互容所產(chǎn)生的不同影響，智慧觸控螢?zāi)豢刂破骷軜?gòu)加上成熟的智慧財產(chǎn)權(quán)，將可解決當(dāng)前難題。
(本文作者任職于賽普拉斯)
抗水性/濕手指追蹤功能兩項防水規(guī)范漸受重視
國際標(biāo)準(zhǔn)有許多對防水詳細(xì)的定義規(guī)范，其中國際電工協(xié)會(International Electrotechnical Commission, IEC)的IEC-60529標(biāo)準(zhǔn)，就針對防護(hù)等級(Ingress Protection, IP)做分級定義，其規(guī)范產(chǎn)品最高等級為IP-67，亦即能承受大量的飛塵(防塵等級為6)，并能浸入水中達(dá)1公尺深(防水等級為7)而不受損。
然而，很少有消費性行動裝置能符合這個等級，且IP等級至今亦還沒被廣泛運用在電容式觸控螢?zāi)坏漠a(chǎn)品規(guī)范上。通常觸控螢?zāi)坏姆浪枨?，系建立在使用者?jīng)驗及產(chǎn)品在遇到水氣時的反應(yīng)，而非進(jìn)行破壞性的測試。盡管防水定義尚未正式標(biāo)準(zhǔn)化，但目前逐漸被業(yè)界廣泛采用的兩項防水規(guī)范，包含抗水性(Water Rejection)及支援濕手指追蹤功能(Wet Finger Tracking)。
抗水性亦即當(dāng)觸控螢?zāi)簧嫌幸后w時，系統(tǒng)能排除假性觸控，且能在移除液體后，完全回復(fù)正常操作功能。例如不小心將咖啡潑灑到手機(jī)上，一定不會希望手機(jī)因此自動撥出電話或發(fā)送簡訊，甚至在你急于清理手機(jī)時，做出任何動作，并期望手機(jī)在擦干后，能回復(fù)到以往正常的運作功能?？顾允欠浪畛Ｒ娨埠苤匾臈l件因素，因為液體一定會停留在觸控螢?zāi)槐砻?，而觸控螢?zāi)槐仨氁芑貜?fù)正常且不產(chǎn)生任何假性觸控。然而，抗水性無法支援沾濕的螢?zāi)槐砻嬗|控，這方面就有賴濕手指追蹤功能。
濕手指追蹤功能，能在有水氣的觸控螢?zāi)簧献粉櫴种傅奈恢谩Ｓ|控螢?zāi)槐砻嫔系乃畾鈺闺娙萘繙y造成誤差，進(jìn)而減損觸控的精準(zhǔn)度，濕手指追蹤功能則能確保提供一個精準(zhǔn)值。在有水氣的情況下，可容許誤差通常為1?2毫米，對于撥打電話或發(fā)送電子郵件等關(guān)鍵功能而言，這樣的誤差足以應(yīng)付操作需求。
液體的特性對抗水性與濕手指追蹤功能非常重要。觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒纬傻母鞣N液體特性，其一為水氣凝結(jié)，在高濕度或溫度快速變化的環(huán)境中，觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒Y(jié)一層很薄的水氣。其次是水滴，雨滴、汗水或任何種類的液體，滴落在觸控螢?zāi)槐砻嫔?。其三是薄水膜，大量的水覆蓋在整個觸控螢?zāi)槐砻嫔?，形成一層很薄的液體，如之前提到潑灑出的咖啡就屬這類。
此外，辨識水滴的大小也很重要，小水滴通常指滴落到觸控螢?zāi)缓笾睆綔y量不超過3毫米的大小，而大水滴通常則介于3?18毫米之間。上述的三種液體型態(tài)將會產(chǎn)生不同類型的電容誤差，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮芗右砸驊?yīng)。
即便是相同類型的液體，對不支援多點觸控的自容感測(Self-Cap)與支援真正的多點觸控的互容感測(Mutual Cap)也會產(chǎn)生不同的結(jié)果。有些觸控螢?zāi)豢刂破鲿瑫r使用這兩種技術(shù)，來解決因液體導(dǎo)致偵測時產(chǎn)生拒斥假性觸控所衍生的問題。要想了解這些問題，必須先了解電容感測在遇有水氣時所產(chǎn)生的一些基本物理變化。
使用傳導(dǎo)屏蔽觸控螢?zāi)徊浑S水氣起舞
電容感測能運作，是因為人體本身就是導(dǎo)電體，含有雜質(zhì)的水，如自來水或咖啡也是導(dǎo)體，并會使電容測量造成誤差。圖1為一個簡單的自容物理模型，電場線代表電容。
圖1 基本自容物理模型
自容的原理是偵測一個感測器對電路接地端的電容，使用方法是在感測器(TX)套用一個激發(fā)訊號，然后偵測得用多少電荷或電流，才能對含有接收器(RX)的感測器充飽電。在這個模型中，有兩個電流可能會經(jīng)過的回路，其一為透過人體和感測器直接耦合(I2)；其二為從感測器到鄰近感測器之間形成邊際電場耦合(I1)。自容的主要訊號來源為I2，大多來自手指與感測器之間直接的電容耦合(圖1中)。
直接電容耦合可利用平行板電容公式C=E0×Er×A/d推算，其中E0是自由空間的介電系數(shù)，Er是觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層的相對介電系數(shù)，A是手指覆蓋的面積，d是手指與感測器之間的距離，中間隔著觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層材料，圖1的C1與C2分別是行動裝置與人體相對于地面的電容。這些電容通常遠(yuǎn)高于直接耦合電容，因此所有這些的電容串聯(lián)會降低直接耦合電容，然而C1通常小到足以降低整體直接電容耦合，尤其是當(dāng)行動裝置完全以電池供電，且沒有連結(jié)充電器的時候。
邊際電場訊號I1在觸控時會增加一些觸控訊號，因為手指會吸收這個訊號，并透過人體傳導(dǎo)到地面(加到I2)。觸控螢?zāi)簧蠜]有被觸碰到的水氣，會對I1產(chǎn)生很大的影響，而這些水氣也是電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)生誤差的主要來源，水氣會增加鄰近感測器之間的邊際電場，進(jìn)而增加電容。端視觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層的厚度與介電系數(shù)，可能導(dǎo)致足夠的電容變化，如手指輕觸，讓感測電路將它誤判為假性觸控。欲解決這個問題，就得使用傳導(dǎo)屏蔽(有時稱為Guard保護(hù)層)(圖2)。
圖2 屏蔽狀態(tài)下的基本自容物理模型
利用復(fù)制的TX來驅(qū)動鄰近感測器，即可消除I1且感測電路不會偵測到任何電容。但若要實際應(yīng)用此解決方案，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮軝C(jī)動地切換感測接腳，即時在TX、RX及屏蔽之間切換，進(jìn)而感測到整個觸控螢?zāi)?。在傳統(tǒng)CapSense按鈕上，屏蔽技術(shù)也能同樣運作。
圖3則是以不同的方式讓讀者了解I1、I2及感測到的電流IRX如何隨觸碰、水氣等因素，以及在有屏蔽與無屏蔽狀態(tài)下產(chǎn)生的各種變化?；ト莸脑硎歉袦y兩個感測器之間的電容(圖4)。
圖3 自容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
圖4 屏蔽狀態(tài)下的基本互容物理模型
此時，TX套用到一個感測器上，而RX則套用到另一個鄰近感測器?；ト莞袦y的物理原理和自容相同，但手指訊號的主要來源是邊際電場而不是直接耦合。手指會吸走電荷，并表現(xiàn)在電流上，而這個電流在正常情況下都是經(jīng)過邊際電場(I1)再透過人體(I2)傳到地面，整體效應(yīng)就是兩個感測器之間的互容減少。觸控螢?zāi)簧蠜]有被手指觸碰到的水氣，也會產(chǎn)生像自容一樣增加邊際電場的強(qiáng)度進(jìn)而提高電容訊號，并增加流到RX的電流。圖5為另一種互容感測呈現(xiàn)方式。 [!--empirenews.page--]
圖5 互容電流在不同狀態(tài)與時間下的變化
自容/互容感測各有所長兩者兼顧設(shè)計挑戰(zhàn)高
具傳導(dǎo)屏蔽的自容感測，雖然能有較佳的抗水性功能，但卻無法支援真正的多點觸控。從較高層次的觀點來看，互容感測應(yīng)該也適用于抗水性，因為在觸控螢?zāi)槐砻嫔显黾铀畾鈺?dǎo)致與手指觸控相反的磁性改變，但這也意味移除水氣和手指觸控并無差別。
具傳導(dǎo)屏蔽的自容，雖然能在有水氣的情況下運作，但卻無法支援多點觸控效能。相反的，互容能支援多點觸控的效能，但遇到水氣時卻無法正常運作。對抗水性來說，最可靠穩(wěn)定的解決方案就是同時使用互容與自容感測，而要實際應(yīng)用這種解決方案，前提就是觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮茉赥X、RX及屏蔽之間動態(tài)地切換接腳功能。
然而，結(jié)合自容與互容感測，卻無法對濕手指追蹤功能帶來優(yōu)勢，因為當(dāng)手指觸碰到觸控螢?zāi)簧系乃畾鈺r，水氣就會和手指合為一體成為導(dǎo)體，此時手指會吸走邊際電場電流，并傳導(dǎo)至地面降低電容。
不過在撥打電話時，觸控表面的觸控反應(yīng)狀況，也可能類似當(dāng)大姆指或臉頰貼近整個螢?zāi)粫r的反應(yīng)一樣，得視水氣多寡及水氣在螢?zāi)槐砻娴姆植记闆r決定。若沒有運用特別演算法來處理這個大面積的訊號，觸控螢?zāi)豢刂破骶蜁运畾飧采w面的中心點來進(jìn)行運算，可能會造成距離的誤差(圖6)。
圖6 濕手指追蹤觸控精準(zhǔn)度誤差
盡管可利用訊號中的資訊來改進(jìn)精準(zhǔn)度，但若只想藉電容感測技術(shù)，讓追蹤濕手指的精準(zhǔn)度達(dá)到和追蹤沒有水氣時正常手指位置的精準(zhǔn)度，則較不切實際。
電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)業(yè)尚未對防水做明確定義，雖有一些通用標(biāo)準(zhǔn)，但大多用于破壞性測試，并未涵蓋觸控螢?zāi)?，因而抗水性與濕手指追蹤逐漸受業(yè)界注意；此外，了解水氣對自容與互容所產(chǎn)生的不同影響，智慧觸控螢?zāi)豢刂破骷軜?gòu)加上成熟的智慧財產(chǎn)權(quán)，將可解決當(dāng)前難題。
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