自容、互容感測(cè)并用　電容式觸控屏幕抗水性大增

　　電容式觸控屏幕防水功能可望大幅精進(jìn)。電容式觸控屏幕一旦遇到水氣或液體，精準(zhǔn)度就會(huì)大幅降低。因此，電容式觸控面板與控制器開發(fā)商正協(xié)力合作，結(jié)合自容與互容感測(cè)層不同的功能特點(diǎn)，以提升電容式觸控屏幕的抗水性與濕手指追蹤效能。

　　抗水性/濕手指追蹤功能　兩項(xiàng)防水規(guī)范漸受重視

　　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有許多對(duì)防水詳細(xì)的定義規(guī)范，其中國(guó)際電工協(xié)會(huì)（International Electrotechnical Commission， IEC）的IEC-60529標(biāo)準(zhǔn)，就針對(duì)防護(hù)等級(jí)（Ingress Protection， IP）做分級(jí)定義，其規(guī)范產(chǎn)品最高等級(jí)為IP-67，亦即能承受大量的飛塵（防塵等級(jí)為6），并能浸入水中達(dá)1公尺深（防水等級(jí)為7）而不受損。

　　然而，很少有消費(fèi)性行動(dòng)裝置能符合這個(gè)等級(jí)，且IP等級(jí)至今亦還沒(méi)被廣泛運(yùn)用在電容式觸控屏幕的產(chǎn)品規(guī)范上。通常觸控屏幕的防水需求，系建立在使用者經(jīng)驗(yàn)及產(chǎn)品在遇到水氣時(shí)的反應(yīng)，而非進(jìn)行破壞性的測(cè)試。盡管防水定義尚未正式標(biāo)準(zhǔn)化，但目前逐漸被業(yè)界廣泛采用的兩項(xiàng)防水規(guī)范，包含抗水性（Water Rejection）及支援濕手指追蹤功能（Wet Finger Tracking）。

　　抗水性亦即當(dāng)觸控屏幕上有液體時(shí)，系統(tǒng)能排除假性觸控，且能在移除液體后，完全回復(fù)正常操作功能。例如不小心將咖啡潑灑到手機(jī)上，一定不會(huì)希望手機(jī)因此自動(dòng)撥出電話或發(fā)送簡(jiǎn)訊，甚至在你急于清理手機(jī)時(shí)，做出任何動(dòng)作，并期望手機(jī)在擦干后，能回復(fù)到以往正常的運(yùn)作功能?？顾允欠浪畛Ｒ?jiàn)也很重要的條件因素，因?yàn)橐后w一定會(huì)停留在觸控屏幕表面，而觸控屏幕必須要能回復(fù)正常且不產(chǎn)生任何假性觸控。然而，抗水性無(wú)法支援沾濕的屏幕表面觸控，這方面就有賴濕手指追蹤功能。

　　濕手指追蹤功能，能在有水氣的觸控屏幕上追蹤手指的位置。觸控屏幕表面上的水氣會(huì)使電容量測(cè)造成誤差，進(jìn)而減損觸控的精準(zhǔn)度，濕手指追蹤功能則能確保提供一個(gè)精準(zhǔn)值。在有水氣的情況下，可容許誤差通常為1？2毫米，對(duì)于撥打電話或發(fā)送電子郵件等關(guān)鍵功能而言，這樣的誤差足以應(yīng)付操作需求。

　　液體的特性對(duì)抗水性與濕手指追蹤功能非常重要。觸控屏幕表面上會(huì)形成的各種液體特性，其一為水氣凝結(jié)，在高濕度或溫度快速變化的環(huán)境中，觸控屏幕表面上會(huì)凝結(jié)一層很薄的水氣。其次是水滴，雨滴、汗水或任何種類的液體，滴落在觸控屏幕表面上。其三是薄水膜，大量的水覆蓋在整個(gè)觸控屏幕表面上，形成一層很薄的液體，如之前提到潑灑出的咖啡就屬這類。

　　此外，辨識(shí)水滴的大小也很重要，小水滴通常指滴落到觸控屏幕后直徑測(cè)量不超過(guò)3毫米的大小，而大水滴通常則介于3？18毫米之間。上述的三種液體型態(tài)將會(huì)產(chǎn)生不同類型的電容誤差，觸控屏幕控制器必須能加以因應(yīng)。

　　即便是相同類型的液體，對(duì)不支援多點(diǎn)觸控的自容感測(cè)（Self-Cap）與支援真正的多點(diǎn)觸控的互容感測(cè)（Mutual Cap）也會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。有些觸控屏幕控制器會(huì)同時(shí)使用這兩種技術(shù)，來(lái)解決因液體導(dǎo)致偵測(cè)時(shí)產(chǎn)生拒斥假性觸控所衍生的問(wèn)題。要想了解這些問(wèn)題，必須先了解電容感測(cè)在遇有水氣時(shí)所產(chǎn)生的一些基本物理變化。

　　使用傳導(dǎo)屏蔽　觸控屏幕不隨水氣起舞

　　電容感測(cè)能運(yùn)作，是因?yàn)槿梭w本身就是導(dǎo)電體，含有雜質(zhì)的水，如自來(lái)水或咖啡也是導(dǎo)體，并會(huì)使電容測(cè)量造成誤差。圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的自容物理模型，電場(chǎng)線代表電容。

　　圖1 基本自容物理模型

　　自容的原理是偵測(cè)一個(gè)感測(cè)器對(duì)電路接地端的電容，使用方法是在感測(cè)器（TX）套用一個(gè)激發(fā)訊號(hào)，然后偵測(cè)得用多少電荷或電流，才能對(duì)含有接收器（RX）的感測(cè)器充飽電。在這個(gè)模型中，有兩個(gè)電流可能會(huì)經(jīng)過(guò)的回路，其一為透過(guò)人體和感測(cè)器直接耦合（I2）；其二為從感測(cè)器到鄰近感測(cè)器之間形成邊際電場(chǎng)耦合（I1）。自容的主要訊號(hào)來(lái)源為I2，大多來(lái)自手指與感測(cè)器之間直接的電容耦合（圖1中）。

　　直接電容耦合可利用平行板電容公式C=E0×Er×A/d推算，其中E0是自由空間的介電系數(shù)，Er是觸控屏幕保護(hù)層的相對(duì)介電系數(shù)，A是手指覆蓋的面積，d是手指與感測(cè)器之間的距離，中間隔著觸控屏幕保護(hù)層材料，圖1的C1與C2分別是行動(dòng)裝置與人體相對(duì)于地面的電容。這些電容通常遠(yuǎn)高于直接耦合電容，因此所有這些的電容串聯(lián)會(huì)降低直接耦合電容，然而C1通常小到足以降低整體直接電容耦合，尤其是當(dāng)行動(dòng)裝置完全以電池供電，且沒(méi)有連結(jié)充電器的時(shí)候。

　　邊際電場(chǎng)訊號(hào)I1在觸控時(shí)會(huì)增加一些觸控訊號(hào)，因?yàn)槭种笗?huì)吸收這個(gè)訊號(hào)，并透過(guò)人體傳導(dǎo)到地面（加到I2）。觸控屏幕上沒(méi)有被觸碰到的水氣，會(huì)對(duì)I1產(chǎn)生很大的影響，而這些水氣也是電容式觸控屏幕產(chǎn)生誤差的主要來(lái)源，水氣會(huì)增加鄰近感測(cè)器之間的邊際電場(chǎng)，進(jìn)而增加電容。端視觸控屏幕保護(hù)層的厚度與介電系數(shù)，可能導(dǎo)致足夠的電容變化，如手指輕觸，讓感測(cè)電路將它誤判為假性觸控。欲解決這個(gè)問(wèn)題，就得使用傳導(dǎo)屏蔽（有時(shí)稱為Guard保護(hù)層）（圖2）。

　　圖2 屏蔽狀態(tài)下的基本自容物理模型

　　利用復(fù)制的TX來(lái)驅(qū)動(dòng)鄰近感測(cè)器，即可消除I1且感測(cè)電路不會(huì)偵測(cè)到任何電容。但若要實(shí)際應(yīng)用此解決方案，觸控屏幕控制器必須能機(jī)動(dòng)地切換感測(cè)接腳，即時(shí)在TX、RX及屏蔽之間切換，進(jìn)而感測(cè)到整個(gè)觸控屏幕。在傳統(tǒng)CapSense按鈕上，屏蔽技術(shù)也能同樣運(yùn)作。

　　圖3則是以不同的方式讓讀者了解I1、I2及感測(cè)到的電流IRX如何隨觸碰、水氣等因素，以及在有屏蔽與無(wú)屏蔽狀態(tài)下產(chǎn)生的各種變化?；ト莸脑硎歉袦y(cè)兩個(gè)感測(cè)器之間的電容（圖4）。

　　圖3 自容電流在不同狀態(tài)與時(shí)間下的變化

　　圖4 屏蔽狀態(tài)下的基本互容物理模型