Apple的iPhone手機問世後，引發業界領導廠商對此新款觸控螢幕及其多點觸控技術的高度興趣，觸控螢幕技術已成為眾所矚目的熱門技術。

觸控螢幕技術之所以如此風行，是因本身具備多項優點，甚可以「小螢幕，大世界」來形容之。此技術還能為小體積的手持設備提供大尺寸的顯示螢幕。因此，在考量控制按鍵和顯示螢幕尺寸的設計時，無需犧牲功能和外觀。觸控螢幕的透明特性可在顯示螢幕上實現各種控制功能，尤其是近期最流行的多點觸控技術，使用者可在小小一塊的觸控螢幕上同時在多個位置進行操作，更簡單直覺地運用多種功能。

本文將先簡述多點觸控技術原理，再介紹觸控螢幕的物理架構，最後觸及多點觸控關鍵技術──觸控螢幕控制器。

多點觸控技術簡介

顧名思義，多點觸控就是讓觸控螢幕可辨別兩個或兩個以上手指的觸控訊息。多點觸控技術目前有兩種：多點觸控手勢識別（Multi-Touch Gesture）和多點觸控全區輸入（Multi-Touch All-Point）。

多點觸控手勢識別（Multi-Touch Gesture）

目前市面上最常見的應用就是多點觸控手勢識別技術，也就是兩個手指觸摸時，可以判斷兩個手指的相對運動方向。雖然不能判斷出他們的具體位置，但可以進行縮放、平移、旋轉等操作。這是比較容易建置的多點觸控方案，透過座標軸方式，把ITO分為XY軸，可以感應到兩點觸控操作。

無法準確判斷具體位置

但是，感應到觸摸和探測到觸摸的具體位置是兩個不同概念。XY軸方式的觸控螢幕可以探測到第2個觸摸點，但是無法辨識第2個觸摸點的確切位置。由於單一觸摸在每個軸上會產生一個單一最大值，從而判斷觸摸位置，若有第2個手指觸摸螢幕表面，則在每個軸上就會有兩個最大值。這兩個最大值可以由兩組不同的觸摸來產生，這樣系統就無法準確判斷其位置。因此，有的系統會採用時序來進行判斷，假設兩個手指不是同時放上去的，但是總有同時觸碰的情況時，這樣系統就無法判斷了。這種不是真正觸摸的點稱為「鬼點」。如圖一所示。

《圖一　多點觸控手勢識別的鬼點示意圖》

可滿足多數觸控手勢應用需求

多點觸控手勢識別雖然不能探測觸摸的具體位置，但是已能滿足許多應用需求，例如：對目標的旋轉、平移，縮放等等，如圖二所示，這些動作是我們常用的。對於這些動作，無須確定兩個觸摸點的精確位置，只需判斷手勢的相對位置和相對運動即可。

旋轉手勢的特點是，兩點觸摸，一個固定，另一個轉動，透過手指轉動的過程，構成了弧形軌跡。斜線式兩點構成了矩形，矩形形狀的變化就決定了旋轉方向。平移手勢的兩個手指在移動過程中相對距離是不變的，並且它們的方向也是一致的。

平移手勢有兩種，上下平移和左右平移。上下平移的特點是，同一水平線上有兩個觸摸點，兩個手指的方向是向上或向下，從而使目標向上或向下；左右平移的特點是同一直線上有兩個觸摸點，兩個手指的方向是向左或向右，從而使目標向左或向右。

縮放手勢的特點是斜線式的兩點觸摸，兩隻手指的運動方向是相反的，所以他們會是拉近或拉遠。兩個觸摸點構成了一個矩形，矩形面積會有變化，這種手勢可以設定目標放大或縮小以及縮放程度。

《圖二　旋轉、平移、縮放觸控手勢示意圖》

多點觸控全區輸入（Multi-Touch All-Point）

多點觸控全區輸入（Multi-Touch All-Point）是最近比較流行的話題，這種多點觸控可以辨識觸摸點的具體位置，而不會產生「鬼點」現象。多點觸控識別位置可以應用於任何觸摸手勢識別，可以識別到雙手十個手指的同時觸摸，也允許其他非手指觸摸形式，例如手掌，臉，拳頭等等，甚至戴手套也可以，它是最人性化的人機介面方式，很適合多手同時操作的應用，例如遊戲控制。

掃瞄次數是行列數的乘積

多點觸控全區輸入是最新的觸摸感應技術，它的掃描方式不同於多點觸控手勢識別。多點觸控手勢識別是使用軸座標方式，是對X、Y軸分別掃描，也就是對行和列進行掃描，掃描次數就是行數和列數之和。對於多點觸控全區輸入方式，每行和每列交叉點都需單獨掃描檢測，掃描次數是行數和列數的乘積。例如，一個10條行線和15條列線所構成的觸控螢幕，軸座標方式，掃描次數為25次，而多點觸控全區輸入的識別位置方式則需要150次。

採用行列交叉互電容檢測方式

多點觸控全區輸入這項最新的觸摸感應技術，是基於互電容（耦合電容CM）的檢測方式，而不是自電容（寄生電容Cp）。自電容檢測的是每個感應單元的電容的變化，有手指存在時寄生電容會增加，從而判斷有觸摸存在；而互電容是檢測行列交叉處的互電容變化，對行加入驅動激勵信號，列進行感應，如圖三所示。當行列交叉通過時，行列之間會產生互電容（包括：驅動和感應單元之間的邊緣電容，行列交叉重疊處產生的耦合電容），當手指觸碰時，互電容會減小，即可判斷觸摸存在，並且準確判斷每一個觸摸點位置，如圖四所示。

《圖三　行列交叉互電容變化示意圖》

《圖四　藉由互電容變化判斷觸摸存在點，並可準確判斷每一觸摸點位置》

觸控螢幕技術與材質介紹

簡言之，觸控螢幕就是將輸入和輸出合而為一，不再需要機械式的按鍵或控制滑桿，其顯示螢幕本身就是人機介面。

《圖五　觸控螢幕模組示意圖》

《圖六　感應電容式觸控螢幕結構》

圖五所示為一個觸控螢幕模組示意圖，整個模組由LCD、觸控螢幕、觸控螢幕控制器、主控端CPU、LCD控制器所構成。觸控螢幕和觸控螢幕控制器是整個模組核心所在，所以我們會重點介紹這兩個部分。

觸控螢幕材質簡介

圖六是感應電容式觸控螢幕各層結構圖，從上到下依次是：1.表面護罩；2.覆蓋層；3.掩膜層與標示層；4.光學黏貼層；5.第一層感應層與襯底；6.光學黏貼層；7.第二層感應層與襯底；8.空氣層或光學黏貼層；9.LCD顯示螢幕。

表面護罩

表面護罩厚度通常小於100um。所有塑膠覆蓋層上面都需要有較硬的護罩，這是因為手指觸摸可能劃傷塑膠表面，如果覆蓋層是玻璃，則不需使用表面護罩，但玻璃必須是經過化學加強或淬火處理的，表面護罩需要與覆蓋層進行光學匹配，以免光損失過多。

覆蓋層

覆蓋層厚度大約是0～3mm，並不是所有的觸控螢幕都需要覆蓋層，覆蓋層越薄，越可以獲得更高的訊號雜訊比（Signal to Noise Ratio）和更好的感應靈敏度。常用材料有：聚碳酸脂、有機玻璃、玻璃。

掩膜層與標示層

第三層是掩膜層與標示層，它的厚度大致是100mm。掩膜層位於覆蓋物的下面，可以隱藏佈線和LCD的邊緣等。在設計中允許增加標示性文字或圖示，不過標示物必須相當平整的壓在ITO的襯底上，而且標示物的材質需要是非導電體。

光學黏貼層

第四層是光學黏貼層，厚度約：25mm～200mm。光學黏貼層越薄，表示訊號雜訊比越好，高價電常數（er）的光學黏貼層可以更好的感應手指電容，進而也能獲得更高的訊號雜訊比。此層通常應用PSA膠。

第一層感應層與襯底

第五層為第一層感應層與襯底，其ITO塗層的厚度均小於100nm，ITO塗層襯底可以是100 um～1mm的玻璃（IR ~ 1.52）或是25mm～300mm PET薄膜（IR ~ 1.65）。越厚的ITO，單位面積電阻越低，訊號雜訊比越好；越薄的ITO，透光率越好。襯底可以是薄膜或玻璃。如果ITO做在玻璃襯底的下表面，玻璃襯底則可作為表面覆蓋物。

光學黏貼層

第六層又是一層光學黏貼層，與前一層光學黏貼層比較，這一層光學黏貼層越厚、訊號雜訊比越好，這一層光學黏貼層通常與ACA各向異性導電膠結合使用。

第二層感應層與襯底

第七層是第二層感應層與襯底，它與第一層襯底的材料相同。注意薄膜與玻璃不要混合使用。如果ITO在襯底上表面，厚的襯底可以獲得更高的訊號雜訊比；如果ITO在襯底的下表面，薄的襯底使訊號雜訊比更高。同樣在邊緣區域要求採用ACA異方性導電膠。現在已有單襯底製程來簡化生產和降低成本。

空氣或光學黏貼層層

第八層是空氣或光學黏貼層層，空氣的介電常數等於1，這可以減小來自LCD上表面的寄生電容。假如使用光學黏貼層，則可以使安裝變得更堅固。使光學參數匹配可以使得光損失更小，並選擇盡可能最低介電常數的光學黏貼層，還要保證ITO感應層與LCD上表面之間的距離最小250mm。

LCD顯示螢幕

第九層是LCD顯示螢幕，對於觸控螢幕設計來說，它是一個雜訊源，雜訊來自於背光，LCD圖元驅動控制訊號，通常不採用被動點陣屏，這會在LCD的正面產生高壓訊號，儘量使用帶有Vcom驅動的點陣屏，可構成虛擬或遮罩功能；如果確實需要採用被動點陣屏，則需在觸控螢幕中再增加一個ITO遮罩層，遮罩層必須接地，以去除寄生電容CP的影響。

多點觸控螢幕控制器

多點觸控螢幕控制器是觸控螢幕模組的核心，已經有一些廠商開始進行相關研究，例如Cypress的觸控螢幕控制器系列，即是感應電容觸控螢幕方案，廣泛採用可編程系統單晶片架構的PSoC技術，結合了可編程類比、數位週邊以及MCU核心的混合信號陣列。

從上述觸控螢幕的結構可知，有許多種LCD的廠家和種類，其感應器組件包含玻璃、薄膜、ITO等等，甚至也有不同的ITO的模型。觸控螢幕控制器必須與眾多的LCD和ITO都能產生良好的搭配應用。廠商的多點觸控控制器，透過螢幕尺寸、掃描速度、通訊方式、記憶體大小、功耗等方面作區別，可以滿足不同的應用。採用感應電容式觸控螢幕技術，不需要安裝其他機械組件輔助，也更耐用。因此可以這麼說，高彈性、高相容性、具可編程性、能縮短開發週期、讓產品快速上市，便是多點觸控螢幕控制器能否在市場中勝出的關鍵。

總結

簡而言之，觸控螢幕是人機介面的最終選擇。不管是單點觸控，還是多點觸手勢，或是多點觸控全區輸入，皆可運用其強大優勢在許多應用上，例如手機、Mp3、GPS等等。這些產品本身就具有體積小，且便於攜帶的特點。我們可以透過觸控螢幕的應用，使小體積產品發揮更多的功能。回顧一下觸控螢幕的發展歷程，從最初的「Signal-touch」，我們只能運用一個手指進行觸摸或滑動，到後來「Multi-touch gesture」的出現，可以識別到兩個手指的方向，但還是無法判斷出他們的具體位置，只可以進行縮放、平移、旋轉等操作。發展到今天，廠商可以做到「Multi-Touch All-Point」，可以識別到多個手指並判斷出準確位置，展現真正的多點觸控技術，真實觸控（True Touch）也就真的名符其實了。

（作者為賽普拉斯Cypress半導體應用工程師）