iPhone 投射電容式觸控面板原理介紹！
投射電容式觸控面板原理介紹
HannStar TR0410 楊瑞賢
前言：本篇文章是我請了半天假，花了一整個上午時間，一字一句慢慢寫出來的，歡迎學術引用，強烈鄙視全文照抄！因為非正式出版文件，所以註明網址意義不大，引用時煩請註明小弟名諱以及目前任職公司，謝謝！～
為什麼是投射電容式？
從2007年的iPhone問世後，電容式觸控螢幕的輕觸手感，加上兩指手勢動作判別的靈活運用，重新啟發了消費者對於消費型電子產品導入觸控螢幕功能的需求。而由iPhone開始引領的觸控風潮，一直到2009年Windows 7發表後，才正式將多點（兩點）觸控功能納入個人電腦作業系統的規格範圍，更由此帶動了各項觸控面板技術產品的開發及改良，一時之間投射電容式、多點電阻式、甚至於光學感測式等觸控技術百家爭鳴，紛紛推出符合Windows 7觸控功能認證的新產品以及技術開發藍圖，企圖在新的產品應用領域中搶下最大的市佔率地位。
而當2010年iPad上市之後，一段名鋼琴家朗朗利用iPad的鋼琴軟體，彈奏節奏急促的＜大黃蜂的飛行＞樂曲影片，將多點觸控的技術開發方向明確地展示在世人的眼前：唯有投射電容式可以同時達到零施力觸摸的手感，以及真實多點、精確觸控的功能要求，讓使用者可以更輕鬆自如地透過觸控介面與電子產品互動、交流。
什麼是投射電容式觸控面板？
投射電容式觸控面板的操作原理，主要是利用觸控面板上ITO（銦錫氧化物）透明電極與人體手指或導電物體間，因接觸而形成的電容感應，透過控制IC的運算之後，轉為可供作業系統判讀的座標資料。
在投射式電容觸控面板的結構中，我們可以發現有單層或雙層的ITO電極，以X、Y軸交錯的方式串接排列，而這些ITO電極的外部，也就是觸控面板的四週，分別有金屬（或ITO）導線將各條X、Y軸線的ITO電極，電性連接到控制IC的感應通道(Sensing Channel)。當沒有任何導電物體接觸時，各個ITO電極之間都會有一個固定的偶合電容，在此我們稱之為CP（如下圖），此時電極與電極之間的電場（電力線）分佈是固定的，這時候控制IC會透過各個感應通道將每條X、Y軸線上的ITO電極總電容值記錄到IC中。
當人體的手指接觸面板時，由於人的皮膚是會導電的，所以在觸控面板上的ITO電極與手指之間，等於又形成了一個新的電容，我們稱之為手指電容CF（如下圖）。而原來固定分佈在每個ITO電極之間的電場（電力線），便會因為部分電力線連接至手指皮膚而產生變化，改變了觸控面板上X、Y軸線的電容值。由於電場（電力線）的分佈是投射狀的，所以我們稱手指與電極之間的感應電容為投射式電容。
在前面我們提到，控制IC會將各個感應通道所偵測到的X、Y軸線電容值記錄到IC的記憶體當中，但這個記錄資料並不是以單純的電容值來儲存，而是透過IC內部的運算功能方塊（如下圖），將偵測到電容值轉變為電容充放電的次數，作為判斷觸控面板電容值變化的表示依據。在下圖的功能方塊中我們可以看到Cs，這表示觸控面板上某條X、Y軸線的電容值，透過一個充放電的程序（電源Vdd先對Cs充電，再由Cs放電對Cint充電），讓IC感應通道內部的電容Cint的端點電壓，與Cs的端點電壓達到一致，實現記錄Cs電容值的目的，而在IC感應通道內部有一個比較器（CMP），比較的一端與Cint的端點電壓電性連接，而另一端則是接上一個參考電壓（Vref），當端點電壓的值與參考電壓相等時，感應通道內部的電容Cint便會進行放電，此時感應通道內部的Latch（閂閥）便會輸出一個High的訊號，一直到電容Cint不再放電為止。
Reference: Cypress Semiconductor "CSD" Document
重覆以上的動作，IC本身在固定的時間內，便會依據觸控面板上各條不同的X、Y軸線，得到不同的充放電次數，我們稱之為Base Line Raw Counts。當Cs變大時，充電次數會變多；相反的，Cs變小時，充電次數會變少，我們便是透過這樣的機制與數值，來判斷投射電容式觸控面板有無被手指或導電物體接觸而產生電容變化。
自容（Self Capacitance）與互容（Mutual Capacitance）
一般而言，單指或單點觸碰時，同時會有一條X軸線與一條Y軸線產生電容值變化，因此便可透過X、Y的交集取得觸控的座標位置。由於觸控面板ITO電極的設計準則是依據人指手指接觸面積而來，所以觸控面板X、Y軸線的分佈往往比顯示面板觸析度來得疏鬆，因此，為了使IC感應到的觸控座標位置與面板解析度相符合，通常IC內部會針對各條X、Y軸線之間再做一些內插補點的運算處理，以得到更精準的觸控座標顯示（如下圖）。傳統類比（四線）電阻式或表面電容式的座標運算方式，是以整個觸控面板去做座標內插運算，而投射電容式則是以相鄰X、Y軸線之間彼此內插運算的方式，相較之下，投射電容式的座標準確率會比傳統類比式的觸控面板表現較佳。
Reference: Solomon Systech Limited
在前面的介紹中，我們有提到投射電容式觸控面板的控制IC，可以透過感應通道內的運算功能方塊（Function Block），將面板上X、Y軸線的電容值變化轉變為充放電次數（Raw Counts）來記錄、判讀，當Cs（感應電容）變大時，充電次數會變多；相反的，Cs變小時，充電次數會變少。就觸控IC的技術原理以及演算法來看，投射式電容觸控的感應電容可以有兩種計算方式：一種是自容（Self Capacitance），另一種則是互容（Mutual Capacitance）。兩者的不同點在於：自
容式感測的標的是整條X或Y軸線的電容值變化，而互容式感測的標的則是單一X、Y交錯點的電容值變化。
就自容式感測而言，當手指電容產生的時候，由於原來的Cs是指整條軸線串聯成的電容（CPtotal），手指電容的加入，等同是提供了另一個並聯的電容，所以手指觸碰後整體Cs的電容值是增加的，如同下圖表示：
若是以互容的方式進行感測，當手指接觸面板產生手指電容時，由於原來的Cs僅為單一X、Y交錯點的電容（CP），手指電容的加入，變成了與原來電容串聯的情形，所以手指觸碰後整體Cs的電容值反而是減少的，如下圖所示：
照此說來，如果自容與互容僅僅只是觸控IC感測運算的方法不同而已，那麼在實際投射電容式觸控面板的產品應用上，又會存在什麼差別呢？我們可以由以下的圖示來進一步瞭解。
自容與互容，在單點觸碰的特性表現上，並不會讓使用者感受到有什麼不同，但是在兩點以上的多點觸碰時，便會有明顯的表現差異存在。以兩指觸碰為例，我們首先就自容式感測的原理來看兩點觸碰時，觸控IC內部會有什麼反應。
如下圖所示，當兩指觸碰時，觸控IC內部會有四條感測通道產生感應電容變化的訊號，分別是X1、X2、Y1、Y2，假設我們實際碰觸的是（X1,Y1）、（X2,Y2）這兩個紅點，對觸控IC而言，碰觸這兩點與碰觸（X1,Y2）、（X2,Y1）這兩個藍點時，同樣都是X1、X2、Y1、Y2這四條軸線感測通道產生感應電容變化的訊號反應，因此，觸控IC本身並沒有辦法準確判斷究竟那兩個座標點才是實際觸碰的座標點，於是便會有誤報藍色鬼點（Ghost Points）情況發生。所以自容式的感測方式並不符合真實多點觸碰回報準備座標點的功能需求，但由於同時兩點之間的相互動作反應是一致的，比方說兩紅點接近或遠離時，兩藍點也同時接近或遠離；或者一點不動，另一點轉動等這些兩指手勢動作，並不會造成觸控IC判斷的錯誤，所以在手機或較小顯示螢幕的使用上，支援單指報點以及兩指手勢的互容式觸控IC仍有其一定的市場需求。
然而，如果是要應用在較大的顯示螢幕上，同時需要準備地回報多點觸碰點座標時，那就需要改以互容式的感測方式才能符合需求。以下圖為例，因為互容式是採取類似TFT-LCD顯示器主動掃瞄的方式，在掃瞄某一條Y軸線時，同時偵測所有X軸線的感應電容值變化，依序掃瞄下來，便可以得到每個X、Y軸交錯點感應電容值的變化，如此一來可得到便不會有自容式感測因為共用X、Y感測通道而造成的鬼點現象，更可以實現真實多點觸控的功能需求，理論上有幾個X、Y交錯點便可以支援到多少個座標點回報，但由於多點觸控對控制IC的運算資源會有影響，越多的觸控點運算，需要運算速度更快的控制IC以及更高的功耗，所以就目前的多點觸控IC規格而言，支援兩點是必要規格，支援到四點觸控算是進階需求，而像iPad支援到十點觸控，應該算是現階段多點觸控功能的上限，畢竟一般人只有十支手指，更多點的觸控支援也派不上用場。
以上，是個人針對投射電容式觸控面板操作原理所做的基礎介紹，希望對大家日後的工作以及生活可以有一些認知上的小助益，謝謝。
引用 HannStar TR0410 楊瑞賢