降低触控面板厚度 In-cell实现行动装置轻薄体验
时间：2012-08-27 00:52:00
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[导读]电容式感测技术自发表以来已经历大幅演进，不仅能实现多指触控、解读各种复杂的手势动作，更能应付充斥干扰源的环境，以及支援大尺寸萤幕。如今，业者已积极投入内嵌式(In-cell)技术研发，期进一步降低触控面板厚度与
电容式感测技术自发表以来已经历大幅演进，不仅能实现多指触控、解读各种复杂的手势动作，更能应付充斥干扰源的环境，以及支援大尺寸萤幕。如今，业者已积极投入内嵌式(In-cell)技术研发，期进一步降低触控面板厚度与成本。
而这种触控功能也已跨入到平板电脑这种新类型的行动装置中，应用在平板电脑触控中的电容感测技术发展将会持续带动这波科技风潮。从家电产品到汽车、工业、住宅自动化、行动与家庭运算，电容感测技术正影响着使用者与电子装置之间的互动方式。
电容式感测技术从首次发表以来已经历大幅的演进，一开始只是一种简单的按钮技术，主要用来追踪手指的X与Y轴的座标位置，之后演变成同时追踪多只手指的位置。如今这些装置能独立追踪手指的数量已无上限，且可解读各种更复杂的手势动作、应付充斥干扰源的环境以及支援尺寸更大的萤幕。而下一个目标就是降低成本，因此各家厂商即开始进行内嵌式(In-cell)相关技术的研发。
电容式触控感测器技术复杂
要在电子装置内运用电容感测技术，并非像买一颗矽晶片装到印刷电路板(PCB)那样简单。电容式感测是一种复杂的电子机械系统，通常包含上覆镜片(Cover Lens)、感测器、软排线(Flex Tail)以及晶片等几个主要零件，一起组成触控系统。
图1是一个On-Stack或外挂式(Out-cell)堆叠的典型例子，外挂式触控技术的感测器位于显示层空区(Display Cell)的外部，感测器连结到一个软式印刷电路板(Flexible Printed Circuit, FPC)，电容感测晶片就是置于FPC软排线上。
图1 On-Stack或Out-cell堆叠的结构
分析这种堆叠，排除原本就需要的上层玻璃或萤幕，系统中最昂贵的零件就是感测器本身。由于感测器不容易制造，需要多个制程步骤以及压膜，而且使用的材料亦相当昂贵，所以在手机应用方面，这种感测器的成本是晶片的三倍，且其成本和萤幕尺寸成比例而不是和萤幕对角线长度成正比。
感测器结构大不同
图2即为市场上常见的三种感测器。由于这些感测器采用玻璃或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板等材料制成，所以感测器内的电路图型最常使用的材料是铟锡氧化物(ITO)。ITO是良好导体，而且极为透明，肉眼几乎看不见，但非常昂贵。图2左边的第一个感测器是一个两层的感测器，以PET材料制造而成。图2中间第二个感测器经常被误称为单层式，因为它只有一层基板，但实际上它更应该称作是1.5层感测器。它的厚度比双层感测器来得薄，还得附上一层绝缘层并插入介接层(Bridge)。图2右则是一款真正单层式感测器，该感测器既没有绝缘或介接元件，且价格只有前两种感测器的一半。
图2 市场上较为常见的三种感测器结构
减少感测器层数In-cell与On-cell可降低系统成本
对于手机制造商而言，藉由减少系统的层数让感测器更薄且更便宜，是相当具有吸引力的作法，显示器制造商则是竭尽全力把感测器的感测层整合到自己的显示器里。这种作法不仅可简化供应链，而且还能降低系统成本与厚度，但却同时会限制了设计的弹性，因此许多人预测当市场成熟后，On-cell与In-cell式堆叠仅会占有一部分的市场版图。
现今两种主要的显示器整合触控感测器技术为On-cell与In-cell。根据考量的显示器种类，如薄膜电晶体(TFT)、横向电场效应(IPS)以及有机发光二极体(OLED)，在不同显示器应用中，两种技术的定义也略有差别，且亦有一些共同原则。On-cell显示器在彩色滤光片上整合感测层，而In-cell显示器则如图3所示，把感测层整合在彩色滤光片下方。
图3 On-cell与In-cell差异处在于感测层的位置
在一个典型的On-cell液晶萤幕中，ITO感测层沉积于偏光片的下方，并且位于彩色滤光片的上方。On-cell的主要挑战是显示器耦合到感测层的杂讯数量，触控萤幕元件必须运用精密的演算法来处理这种杂讯。On-cell技术提供将感测器整合到显示器的所有好处，例如使触控面板更加轻薄与大幅降低成本等优点，但整体系统成本降低的幅度仍然远远不及In-cell技术。
In-Cell杂讯/触控灵敏度问题棘手
In-cell在成熟后，各界相信其能提供最低廉的显示器整合式触控解决方案。这是因为In-cell式触控萤幕把ITO感测层沉积在彩色滤光片的下方。这也减少了制造显示器所需的步骤。而且意味着显示器仅须一个软排线连结点，而不是On-cell须要用到两个连结点。
除此之外，若是把ITO层沉积在彩色滤光片玻璃的下方以及Vcom层的正上方，这种作法的确会产生一些问题。
首先，In-cell堆叠内的触控萤幕控制器，会开始有显示器内部产生杂讯的严重问题。再者，Vcom层则会形成一个大接地层，充满投射电容讯号，因而降低触控时的灵敏度。最后，堆叠的方式会对感测通道产生一个相当大的寄生电容，这意味触控萤幕元件供应的Tx电流，其强度必须要够高，才足以带动一个较大的电流负载。以上因素让In-cell技术面临极难克服的工程挑战。
解决In-cell杂讯过高与电流不足DDI控制器类比处理功能显优势
显示器制造商应该如何克服In-cell的挑战，以便让这种新技术能顺利推入市场呢？首先，厂商可运用Display Armor技术来解决杂讯问题，这种技术会监听显示器杂讯，并利用精密的硬体来消除电容量测通道传出的杂讯。其次，评估多种拓扑，研究其在驱动最大寄生负载方面的成效。这些架构通常包括运用显示驱动IC(DDI)元件，来为电容式触控控制器驱动萤幕面板。
DDI控制器属于高电压元件，采用20～30奈米(nm)的极小型动态随机存取记忆体(DRAM)制程技术。该元件输出最高可高达50伏特(V)。而电容式触控控制器通常采用130～250奈米制程技术，市面上最高Tx功率的元件通常为10伏特。DDI控制器的高输出功率，使其更加适合用来驱动感测器元件，而触控晶片的先进类比处理功能，则可让它们非常适合执行感测作业，强化触控的效能。
促使DDI与触控晶片互相通讯专利汇流排大展身手 [!--empirenews.page--]
如何让DDI与触控晶片这些元件一起运作为重要的关键技术。目前已有触控IC供应商正尝试把这两种技术整合到一个晶片内，但是这种架构可能不是最有效率的。
若把DDI技术引进到触控技术制程，结果会造成元件体积太大且成本昂贵，而要是把触控技术导入DDI制程，则又会在类比通道上面临许多严重的问题。除此之外，另一个艰难的挑战是DDI晶片对于所驱动的显示器而言一向都会具有排他性，因此对于触控IC设计厂商而言，要结合这两种产品须要投入极多的心力。
为了解决此一问题，可以使用另一种架构让两种晶片能够相互通讯。在图4中可清楚看到DDI晶片驱动感测器，而触控晶片则负责量测电容感测器。两者可透过一个专利汇流排进行通讯，此为目前最为先进的解决方案。它让DDI模型能够维持原貌，并且使触控解决方案可以有最高的弹性。在这种专利汇流排的架构中，触控晶片可以是紧靠着DDI旁玻璃上的晶粒或是置于可挠式排线内，以便为客户空出更多的设计空间。
图4 DDI与触控晶片透过专利汇流排可进行通讯
(本文作者为赛普拉斯TrueTouch行销总监)
而这种触控功能也已跨入到平板电脑这种新类型的行动装置中，应用在平板电脑触控中的电容感测技术发展将会持续带动这波科技风潮。从家电产品到汽车、工业、住宅自动化、行动与家庭运算，电容感测技术正影响着使用者与电子装置之间的互动方式。
电容式感测技术从首次发表以来已经历大幅的演进，一开始只是一种简单的按钮技术，主要用来追踪手指的X与Y轴的座标位置，之后演变成同时追踪多只手指的位置。如今这些装置能独立追踪手指的数量已无上限，且可解读各种更复杂的手势动作、应付充斥干扰源的环境以及支援尺寸更大的萤幕。而下一个目标就是降低成本，因此各家厂商即开始进行内嵌式(In-cell)相关技术的研发。
电容式触控感测器技术复杂
要在电子装置内运用电容感测技术，并非像买一颗矽晶片装到印刷电路板(PCB)那样简单。电容式感测是一种复杂的电子机械系统，通常包含上覆镜片(Cover Lens)、感测器、软排线(Flex Tail)以及晶片等几个主要零件，一起组成触控系统。
图1是一个On-Stack或外挂式(Out-cell)堆叠的典型例子，外挂式触控技术的感测器位于显示层空区(Display Cell)的外部，感测器连结到一个软式印刷电路板(Flexible Printed Circuit, FPC)，电容感测晶片就是置于FPC软排线上。
图1 On-Stack或Out-cell堆叠的结构
分析这种堆叠，排除原本就需要的上层玻璃或萤幕，系统中最昂贵的零件就是感测器本身。由于感测器不容易制造，需要多个制程步骤以及压膜，而且使用的材料亦相当昂贵，所以在手机应用方面，这种感测器的成本是晶片的三倍，且其成本和萤幕尺寸成比例而不是和萤幕对角线长度成正比。
感测器结构大不同
图2即为市场上常见的三种感测器。由于这些感测器采用玻璃或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)基板等材料制成，所以感测器内的电路图型最常使用的材料是铟锡氧化物(ITO)。ITO是良好导体，而且极为透明，肉眼几乎看不见，但非常昂贵。图2左边的第一个感测器是一个两层的感测器，以PET材料制造而成。图2中间第二个感测器经常被误称为单层式，因为它只有一层基板，但实际上它更应该称作是1.5层感测器。它的厚度比双层感测器来得薄，还得附上一层绝缘层并插入介接层(Bridge)。图2右则是一款真正单层式感测器，该感测器既没有绝缘或介接元件，且价格只有前两种感测器的一半。
图2 市场上较为常见的三种感测器结构
减少感测器层数In-cell与On-cell可降低系统成本
对于手机制造商而言，藉由减少系统的层数让感测器更薄且更便宜，是相当具有吸引力的作法，显示器制造商则是竭尽全力把感测器的感测层整合到自己的显示器里。这种作法不仅可简化供应链，而且还能降低系统成本与厚度，但却同时会限制了设计的弹性，因此许多人预测当市场成熟后，On-cell与In-cell式堆叠仅会占有一部分的市场版图。
现今两种主要的显示器整合触控感测器技术为On-cell与In-cell。根据考量的显示器种类，如薄膜电晶体(TFT)、横向电场效应(IPS)以及有机发光二极体(OLED)，在不同显示器应用中，两种技术的定义也略有差别，且亦有一些共同原则。On-cell显示器在彩色滤光片上整合感测层，而In-cell显示器则如图3所示，把感测层整合在彩色滤光片下方。
图3 On-cell与In-cell差异处在于感测层的位置
在一个典型的On-cell液晶萤幕中，ITO感测层沉积于偏光片的下方，并且位于彩色滤光片的上方。On-cell的主要挑战是显示器耦合到感测层的杂讯数量，触控萤幕元件必须运用精密的演算法来处理这种杂讯。On-cell技术提供将感测器整合到显示器的所有好处，例如使触控面板更加轻薄与大幅降低成本等优点，但整体系统成本降低的幅度仍然远远不及In-cell技术。
In-Cell杂讯/触控灵敏度问题棘手
In-cell在成熟后，各界相信其能提供最低廉的显示器整合式触控解决方案。这是因为In-cell式触控萤幕把ITO感测层沉积在彩色滤光片的下方。这也减少了制造显示器所需的步骤。而且意味着显示器仅须一个软排线连结点，而不是On-cell须要用到两个连结点。
除此之外，若是把ITO层沉积在彩色滤光片玻璃的下方以及Vcom层的正上方，这种作法的确会产生一些问题。
首先，In-cell堆叠内的触控萤幕控制器，会开始有显示器内部产生杂讯的严重问题。再者，Vcom层则会形成一个大接地层，充满投射电容讯号，因而降低触控时的灵敏度。最后，堆叠的方式会对感测通道产生一个相当大的寄生电容，这意味触控萤幕元件供应的Tx电流，其强度必须要够高，才足以带动一个较大的电流负载。以上因素让In-cell技术面临极难克服的工程挑战。
解决In-cell杂讯过高与电流不足DDI控制器类比处理功能显优势
显示器制造商应该如何克服In-cell的挑战，以便让这种新技术能顺利推入市场呢？首先，厂商可运用Display Armor技术来解决杂讯问题，这种技术会监听显示器杂讯，并利用精密的硬体来消除电容量测通道传出的杂讯。其次，评估多种拓扑，研究其在驱动最大寄生负载方面的成效。这些架构通常包括运用显示驱动IC(DDI)元件，来为电容式触控控制器驱动萤幕面板。
DDI控制器属于高电压元件，采用20～30奈米(nm)的极小型动态随机存取记忆体(DRAM)制程技术。该元件输出最高可高达50伏特(V)。而电容式触控控制器通常采用130～250奈米制程技术，市面上最高Tx功率的元件通常为10伏特。DDI控制器的高输出功率，使其更加适合用来驱动感测器元件，而触控晶片的先进类比处理功能，则可让它们非常适合执行感测作业，强化触控的效能。
促使DDI与触控晶片互相通讯专利汇流排大展身手 [!--empirenews.page--]
如何让DDI与触控晶片这些元件一起运作为重要的关键技术。目前已有触控IC供应商正尝试把这两种技术整合到一个晶片内，但是这种架构可能不是最有效率的。
若把DDI技术引进到触控技术制程，结果会造成元件体积太大且成本昂贵，而要是把触控技术导入DDI制程，则又会在类比通道上面临许多严重的问题。除此之外，另一个艰难的挑战是DDI晶片对于所驱动的显示器而言一向都会具有排他性，因此对于触控IC设计厂商而言，要结合这两种产品须要投入极多的心力。
为了解决此一问题，可以使用另一种架构让两种晶片能够相互通讯。在图4中可清楚看到DDI晶片驱动感测器，而触控晶片则负责量测电容感测器。两者可透过一个专利汇流排进行通讯，此为目前最为先进的解决方案。它让DDI模型能够维持原貌，并且使触控解决方案可以有最高的弹性。在这种专利汇流排的架构中，触控晶片可以是紧靠着DDI旁玻璃上的晶粒或是置于可挠式排线内，以便为客户空出更多的设计空间。
图4 DDI与触控晶片透过专利汇流排可进行通讯
(本文作者为赛普拉斯TrueTouch行销总监)
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