智慧型手機設計 / 彭家恩

近年來，智慧型手機漸漸在手機市場中嶄露頭角，商務人士使用智慧型手機收發電子郵件、觀看股票最新動態、透 過攝影機進行視訊會議、利用自動提醒功能的行事曆紀錄重要會談時間與地點等，讓自己能夠掌握最新的商務資訊；旅客利用智慧型手機內建的 GPS(Global Position System)系統搭配地圖程式功能來規劃旅遊路線、上網查看各個景點的網友評價，讓旅遊可以豐富又愜意；年輕人用智慧型手機玩遊戲、聽音樂，甚至看 YouTube以及DVD影片，隨時隨地享受流行脈動；從前要透過電腦才能做到的，現在在智慧型手機上都可以完成了！
   

智慧型手機的普及，主要是由於幾項軟硬體的創新及改良所造成的…譬如以下的數種項目:

• CPU核心處理器的改良
• 觸控式面板的技術更新
• 相機模組的改進
• 應用程式軟體的變化
• 無線網路連接WIFI的發展……各式的原因所形成的

因為原因眾多，所以從中選出幾種影響產品設計最明顯也最多的項目，也就是硬體部份外觀主要的技術更新:觸控式面板的技術

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        分析現有觸控面板感應技術，估計大約有7到8種，依照構造和感測形式的不同可區分為：電阻式觸控面板、電容式觸控面板、音波式觸控面板、光學式觸控面板、電磁式觸控面板。
       目前最泛用的為利用USB埠傳輸的控制器，控制器的功用是將Sensor所傳送過來的類比訊號轉換為數位訊號，再經由驅動程式去判別，利用觸控驅動程式的各種設計和功能增加可以做到各種變化，例如呈現多國語言方便客戶使用，增加手寫辨識功能、多螢幕系統的支援、電腦遊戲的支援等等，除了可以增加觸控螢幕的附加價值之外尚可以依照客戶需求做客製化的軟體設計。

以下就依形式不同作簡略的介紹:

v 電阻式觸控面板

        電阻式觸控面板由ITO Film和ITO Glass所組成，中間由DOT所隔開，在ITO Film和ITO Glass之間通入的電壓，藉由手指或觸控筆去觸碰ITO Film形成凹陷然後下層的ITO Glass接觸而產生電壓/電阻的變化，再經由控制器轉為數位訊號讓電腦做運算處理取得(X,Y)軸位置，進而達到定位的目地。 電阻式依照性能和普遍性來說主要又可區分為四線式和五線式，四線電阻式線路XY軸分別分布在ITO Film和ITO Glass，當ITO Film被嚴重刮傷時將會形成斷路，而造成觸控面板無法動作。五線式算是四線式觸控面板的改良型，整個電場均勻的建立在ITO Glass，上層ITO Film純粹為一導體，所以當ITO Film遭到刮傷時只有該處無法使用其他部分依然可以動作，但是假使傷及下層ITO Glass依然會造成Touch Panel的故障。

v 電容式觸控面板

        電容式觸控面板基本上是為了改良電阻式不耐刮的特性而來的，在結構上最外層為一薄薄的二氧化矽硬化處理層，硬度達到7H，第二層為ITO，在玻璃表面建立一均勻電場，利用感應人體微弱電流的方式來達到觸控的目的，最下層的ITO作用為遮蔽功能，以維持Touch Panel能在良好無干擾的環境下工作。

 v音波式觸控面板

　　基本上音波式觸控面板是為了改善電容式觸控面板的缺點而發展出來的，電容式觸控面板有易受雜訊和靜電干擾的特性，且雖然表面硬化處理達到7H，可是Sio2為了不隔絕掉ITO的表面電流，所以會鍍的非常薄，當施加在電容式的外力過大時，依然會有傷到ITO的可能而造成故障，所以發展出音波式觸控面板。 音波式觸控面板表面上完全由玻璃組成，三個角落由超音波發射和接收器在中間區域形成一個均勻的聲波力場，利用聲波碰到軟性介質會被吸收掉能量的特型來做觸控定位的目地。

 v光學(紅外線)式觸控面板

　　光學式觸控面板近幾年藉著LED品質的提升和製程的精進而有捲土重來的現象，光學式觸控面板的工作方式是由四周圍的紅外線發射器和接收器所組成的，X軸和Y軸所產生的紅外線形成矩陣式排列，當不透明物體遮斷其中的光線之後自然就定位出X軸和Y軸了。       

 v 電磁式觸控面板

　　基本原理是靠電磁感應方式，電磁筆為訊號發射端，電磁板為訊號接收端，當接近感應時磁通量發生變化，藉由運算而定義位置點。

         經過簡略的介紹後，以蘋果公司出產的Iphone為例，主要使用的觸控為投射電容式觸控面板，並以此為基礎，藉以詳細的介紹觸控面板中最受歡迎的類型

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。

結語

        在智慧型手機中，觸控面板的更新與改良，不僅只是一種技術的創新，她更大部分的影響在於手機外型的變化，少掉了鍵盤和多餘的按鈕，除了能更有效率地使用面板空間外，更可以明顯地縮小智慧型手機的體積。從另一方面來說，觸控面板給予了工業設計師發揮的地方，例如體積改變後外型的設計；如何運用空間的機構設計……等。一項技術的發展，就能刺激改變現有的形式並給予我們更多的想法與機會去付諸現實!!