一次看懂3Dtouch技術(shù)與In-cell面板

　　早期的手機屏幕只能用來(lái)“看”，觸摸技術(shù)的發(fā)明讓人可以和屏幕在2D的平面上進(jìn)行互動(dòng)，而Apple公司日前推出的iPhone 6s結合了In-cell面板、形變感測器(Strain sensor)、觸覺(jué)引擎(Taptic engine)開(kāi)啟了智能觸摸新時(shí)代，到底什么是3D touch技術(shù)?什么又是In-cell面板呢?

　　2D觸摸：讓面板活了起來(lái)

　　LCD面板原本只是用來(lái)顯示影像的，使用者只能單向接收影像訊息，觸摸面板的出現，讓使用者可以與面板互動(dòng)，讓面板活了起來(lái)。觸摸面板的種類(lèi)很多，目前手機所使用的“多點(diǎn)觸摸(Multitouch)”面板大多使用“投射式電容觸摸(Projected capacitive touch)”技術(shù)。投射式電容觸摸的觸摸線(xiàn)路(Sensor pattern)主要有驅動(dòng)線(xiàn)路(Tx)與感測線(xiàn)路(Rx)，分別有水平線(xiàn)與垂直線(xiàn)密密麻麻的分布在整個(gè)面板，如圖一(a)所示，我們可以想像驅動(dòng)線(xiàn)路(Tx)“投射(Projected)”出電力線(xiàn)，經(jīng)由絕緣體(液晶或空氣)到達感測線(xiàn)路(Rx)形成“電容(Capacitor)”，如圖一(b)所示，由于人體本身就是導體，當我們的手指摸到觸摸面板時(shí)，不需用力就會(huì )影響電力線(xiàn)改變電容的大小，經(jīng)由感測線(xiàn)路(Rx)所量測到電容大小的變化就可以計算出手指接觸的位置，如圖一(c)所示。

　　▲圖一：投射式電容觸摸示意圖。(a)驅動(dòng)線(xiàn)路與感測線(xiàn)路在上下不同的導電玻璃上;(b)與(c)驅動(dòng)線(xiàn)路與感測線(xiàn)路都在下方的導電玻璃上。(Source：Noun Project)

　　觸摸線(xiàn)路(Sensorpattern)的驅動(dòng)線(xiàn)路(Tx)與感測線(xiàn)路(Rx)到底要做在那里比較好呢?每一家公司各有自己的技術(shù)與專(zhuān)利，基本上各有優(yōu)缺點(diǎn)，并沒(méi)有決對的好壞，簡(jiǎn)單從圖一(c)的液晶面板構造可以看出，能夠制作觸摸線(xiàn)路的地方不外乎前導電玻璃的上方或下方、后導電玻璃的上方三個(gè)位置。

　　一般而言，驅動(dòng)線(xiàn)路(Tx)都在后導電玻璃的上方，這樣電力線(xiàn)才會(huì )由下向上投射出來(lái)，而感測線(xiàn)路(Rx)每一家公司設計的位置則不相同，Sony與JDI的“PixelEyes”把Rx制作在前導電玻璃的上方，如圖二(a)所示;Samsung把Rx制作在前導電玻璃的下方，如圖二(b)所示;Apple把Rx制作在后導電玻璃的上方，也就是與Tx制作在同一個(gè)地方，因此制程最復雜成本最高，如圖二(c)所示。

　　▲圖二：觸摸線(xiàn)路的驅動(dòng)線(xiàn)路(Tx)與感測線(xiàn)路(Rx)位置示意圖。(Source：NounProject)

　　3D觸摸：讓面板變得更有智能

　　前面介紹的觸摸線(xiàn)路(Sensorpattern)分別有水平線(xiàn)與垂直線(xiàn)密密麻麻的分布在整個(gè)面板，所以是屬于2D平面的觸摸技術(shù)，只能計算出使用者手指接觸面板的X與Y座標位置，無(wú)法知道手指下壓的力道，3D觸摸的出現，讓使用者下壓的深度Z座標也能夠傳達給手機，讓面板變得更有智能。

　　iPhone6s所使用的“3D觸摸(3DTouch)”目前公開(kāi)的資料不多，根據Apple公司官方網(wǎng)站上的影片介紹，可以看出有兩個(gè)重要的設計：

　　1.形變感測器(Strainsensor)：在LCD面板下方另外安裝8×12=96個(gè)形變感測器(注)，當使用者的手指下壓保護玻璃，玻璃受力會(huì )向下產(chǎn)生微小的形變，如圖三(a)所示，而使保護玻璃與形變感測器之間的矩離變短，再配合加速度感測器(Accelerometer)量測到的訊號，經(jīng)由復雜的數學(xué)演算法可以快速且即時(shí)的計算出下壓的力量大小，由于是使用演算法間接估計，因此精確度不高，基本上只分為“輕壓(Peek)”與“重壓(Pop)”。任何一個(gè)形變感測器偵測到的訊號可以和周?chē)渌巫兏袦y器偵測到的訊號比較，就知道手指下壓的位置與力量大小。

　　注：由于A(yíng)pple公司公開(kāi)的資料不足，這8×12=96個(gè)形變感測器在影片中只含糊的以“Touchsensor”帶過(guò)，但是根據Apple公司的相關(guān)專(zhuān)利，是形變感測器的機會(huì )很高，相關(guān)文章請參考這里。

　　2.觸覺(jué)引擎(Tapticengine)：是一個(gè)可以產(chǎn)生微小振動(dòng)的機械元件，如圖三(b)所示，提供使用者即時(shí)的觸覺(jué)反饋，當使用者輕壓(Peek)時(shí)產(chǎn)生10毫秒的“微震(Minitap)”，當使用者重壓(Pop)時(shí)產(chǎn)生15毫秒產(chǎn)生“全震(Fulltap)”，使用者會(huì )覺(jué)得就好像真的按下按鍵一樣，手機的觸覺(jué)反饋讓使用者感覺(jué)手機好像是活的。

　　結合上面兩種元件，經(jīng)由形變感測器偵測使用者下壓的力量大小，再經(jīng)由觸覺(jué)引擎提供使用者即時(shí)的觸覺(jué)反饋，讓觸摸變得更有智能，也為使用者創(chuàng )造了更完美的觸摸新體驗。

　　▲圖三：iPhone6s的3D觸摸(3DTouch)技術(shù)結合了8×12=96個(gè)形變感測器(Strainsensor)與觸覺(jué)引擎(Tapticengine)。(Source：NounProject、蘋(píng)果)

　　LCD面板的基本原理與構造

　　手機由于體積小又由電池供電，因此顯示器必須符合輕薄省電的要求，目前主要是使用“液晶顯示器(LiquidCrystalDisplay，LCD)”。LCD的構造如圖四所示，由下而上順著(zhù)光前進(jìn)的路徑依序有背光模組(Backlight)、后偏光片(Polarizer)、后導電玻璃、薄膜電晶體(ThinFilmTransistor，TFT)、液晶(Liquidcrystal)、彩色濾光片(Colorfilter)、前導電玻璃、前偏光片(Analyzer)、保護玻璃(Coverglass)等，構造與原理有些復雜，這里我們不詳細介紹(對LCD工作原理有興趣請參考這里)。

　　手機由于尺寸要小又要省電，因此使用發(fā)光二極體(LightEmittingDiode,LED)做為光源，導電玻璃是在玻璃基板上成長(cháng)薄薄的一層“氧化銦錫(IndiumTinOxide，ITO)”形成可以導電的玻璃，ITO是一種陶瓷(金屬氧化物)，幾乎所有的陶瓷都是絕緣體，但是ITO不但可以導電，而且在厚度很薄的時(shí)候還是透明的，能夠讓可見(jiàn)光穿透，因此大量應用在各種光電元件上。

　　此外，必須在后導電玻璃上方使用半導體制程技術(shù)成長(cháng)“開(kāi)關(guān)元件”，最簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)元件就是“MOS”，但是MOS具有金屬、氧化物、半導體的結構，必須成長(cháng)在矽晶圓上才行，要在導電玻璃上成長(cháng)開(kāi)關(guān)元件不能使用MOS，必須另外設計一種開(kāi)關(guān)元件，它的工作原理和MOS很像，我們稱(chēng)為“薄膜電晶體(ThinFilmTransistor，TFT)”(MOS的結構與原理請參考這里)。

　　在后導電玻璃上有TFT開(kāi)關(guān)元件的面板稱(chēng)為“主動(dòng)矩陣式(Activematrix)”，開(kāi)關(guān)在像素旁邊所以反應比較快;沒(méi)有TFT開(kāi)關(guān)元件的面板稱(chēng)為“被動(dòng)矩陣式(Passivematrix)”，這種面板的開(kāi)關(guān)元件做在面板外的印刷電路板(PCB)上，開(kāi)關(guān)距離像素比較遠所以反應比較慢，那大家猜猜什么是AMOLED?有機發(fā)光二極體(OrganicLightEmittingDiode，OLED)也有后導電玻璃，所以AMOLED就是指后導電玻璃上有TFT開(kāi)關(guān)元件。

　　▲圖四：LCD面板的基本原理與構造。(Source：Flickr/Jakub VacekCCBY2.0、Flickr/OsmanKalkavanCCBY2.0、NounProject)

　　什么是Cell？什么又是Out-cell、On-cell、In-cell？

　　LCD的制作流程是先在“前導電玻璃”下方的ITO側制作開(kāi)關(guān)線(xiàn)路與彩色濾光片;在“后導電玻璃”上方的ITO側制作開(kāi)關(guān)線(xiàn)路與TFT;再將前后兩片導電玻璃的ITO側面對面夾起來(lái)，并將液態(tài)的液晶注入兩片導電玻璃之間，形成圖四(b)的構造，這個(gè)流程通稱(chēng)為“面板工程(Cellengineering)”，因此兩片導電玻璃與之間的區域就通稱(chēng)為“面板(Cell)”，其實(shí)面板工程的步驟還蠻復雜的，有興趣的人可以參考這個(gè)網(wǎng)站。

　　觸摸面板需要“觸摸線(xiàn)路(Sensorpattern)”來(lái)確定使用者手指點(diǎn)選的位置，觸摸線(xiàn)路如果先制作在保護玻璃(Coverglass)上再以黏著(zhù)劑貼合在面板(Cell)的前導電玻璃上方(也就是在Cell外面)，則稱(chēng)為“Out-cell”，如圖五(a)所示。

　　觸摸線(xiàn)路如果直接制作在面板(Cell)的前導電玻璃上方(也就是在Cell上面)，則稱(chēng)為“On-cell”，如圖五(b)所示;觸摸線(xiàn)路如果直接制作在面板(Cell)的前后導電玻璃之間(也就是在Cell里面)，則稱(chēng)為“In-cell”，如圖五(c)所示。由圖中可以看出In-cell最大的優(yōu)點(diǎn)就是厚度薄，因此目前已經(jīng)成為智能手機面板的主流，但是也有價(jià)格高與觸摸線(xiàn)路易受TFT與開(kāi)關(guān)線(xiàn)路干擾的問(wèn)題，因此Out-cell與On-cell仍然有存在價(jià)值，可以應用在其他大尺寸或對厚度要求比較不計較的產(chǎn)品上。(作者：Dr. J)

　　▲圖五：觸摸線(xiàn)路的位置示意圖(圖中省略彩色濾光片)。