隨著越來越多的行動通訊裝置採用數位多功能整合方式，直覺且創新的使用者介面解決方案就成了裝置設計中極為重要的一環，也因此，在使用者介面設計之中採用投射式電容(Capacitive)觸控螢幕，就是解決這項挑戰的方法之一。
一般來說，觸控技術依感應原理可分為電阻式(Resistive)、電容式、音波式(Surface Acoustic Wave)及光學式(Optics)等四種。而電容式觸控技術最早於20多年前由美商3M公司獨占，然在數年前專利到期後，也吸引全球相關業者加入電容式觸控市場的行列，並搶攻相關市場。
有別於電阻式觸控螢幕技術，投射式電容觸控螢幕對於處理手指手勢上有更好的設計，特別是多重指觸的輸入方式。電阻式技術需要手指按壓的力量，目的是造成觸控螢幕上機械層的實際導電效果，但這也會產生手指不穩定的滑動，並且讓手勢操作變得十分麻煩。此外，電阻式觸控螢幕中多層的機械式組合，在重複使用下更容易迅速耗損。
在投射式電容觸控螢幕上，多重觸控的手勢操作包括常見的抓取、縮放、兩指操作捲動與旋轉等多種形式，這些都讓使用者在處理資料、資訊內容和偏好設定時更為便利，如掌上型遊戲以及文字、電子郵件等應用，都能透過多重觸控技術變得更方便。
多點觸控(Multi-touch)、全區輸入定位(All Points Addressable, APA)能準確提供每隻手指頭在多重觸控操作時的指壓座標位址。例如要輸入位移字元(Shift Characters)就是一種特定的多重觸控操作，它不用先切換符號設定，再輸入實際的位移字元。多重觸控在全球衛星定位系統(GPS)導航上也有廣泛的用途，APA允許使用者在螢幕上直接選擇端點，讓人們可以更迅速選擇目的地，而毋須輸入起點與終點的地址。圖1所示即為多重觸控的一些應用。
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| 圖1 多重觸控的各種應用 |
要設計一個成功的投射式電容觸控螢幕系統，須要考量裝置機械設計、基板的選擇和使用者介面設計等。而在評估程序的所有階段中，時時注意成本和技術的取捨也很重要。
機械設計考驗多 步步為營破迷霧
而為了評估裝置的機械式設計，更要先了解下列幾個關鍵問題的答案。舉例來說，覆蓋鏡片(觸控表面)需要平面或是彎曲？一般建議，電容觸控螢幕應用應該裝置在平面觸控表面上。採用彎曲的表面會產生一些複雜的問題。而為了要有耐用的電容式感測設計，透明的觸控感測器必須夠薄且足以覆蓋整個鏡片的內側。任何由於厚薄不均所造成的氣穴(Air Pockets)或氣泡(Bubbles)都會使得觸控效能降低，並且影響到整個產品的美感。
曲面鏡片限制了必須選用塑膠(PET)做為觸控感測器的基板，塑膠材質的感測器可以彎曲以符合彎曲鏡片的形狀。但如果一定要用彎曲的鏡片，則建議曲度不要超過45度。如果曲度過大的話，就會增加薄型化的困難度，並且會傷害透明導電體氧化銦錫(ITO)的導電形式，如此將會不利於產品的生產。
薄型化較便宜的方法是利用感壓黏著劑(Pressure Sensitive Adhesives, PSA)，但可能無法適用於曲面的鏡片上，此時就可能須要用到較昂貴的紫外線硬化液體聚合物黏著劑(UV-curing Liquid Polymer Adhesives)以達到更佳的薄型化整合性。紫外線硬化黏著劑之所以昂貴，是因為使用方便、輕薄，並且具備極高的光學品質，透光率高於95%。
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| 圖2 非作用區的邊界需求 |
至於覆面玻璃鏡片上非作用區的邊界寬度，對小於4吋的觸控螢幕而言，鄰接觸控感測器尾端的玻璃鏡片邊緣寬度不能少於3毫米，而觸控感測器的尾端則不得少於10毫米。所需的邊緣空間是用來隱藏不透明的銀導線，銀導線可將透明的ITO樣式連接到控制電路系統和自身控制電路上。雖然利用玻璃材質基板可以達到更小的邊緣空間，但還是建議用上述原則(圖2)。
再談覆蓋層覆面鏡片材質，由於若使用導電性的材質，將會遮蔽住電容式感測器的電場，因而大幅降低感測的效能，因此鏡片與覆蓋層材質，以及在觸控螢幕作用區內的任何裝飾圖樣，都絕對不能使用具有導電性的材質。此外，覆面鏡片的厚度不應大於1毫米。
而關於覆面鏡片底部與液晶顯示模組(LCD Module, LCM)之間的距離，由於可攜式通訊裝置越做越輕薄，因此LCM與其覆面玻璃之間的距離將是考量重點。裝置本身需要足夠空間置入薄型的觸控螢幕感測器，以及間隔空間以保護觸控感測器不受LCM所產生的電磁干擾，因此建議在觸控感測器基板底部與LCM之間至少要有0.5毫米的間距。
對許多設計人員來說，如何處理靜電釋放(ESD)也是一大難題。因此為了提供觸控表面上靜電釋放現象的保護，裝置內必須要設計有低阻抗的接地路徑。裝置應該利用覆面玻璃在邊緣的非作用區上裝設接地環以保護觸控感測器，接地環可以是簡單的金屬薄片。此外也必須確定在接地環與裝置系統的接地之間要有穩固的連接。
成本/觸感各有好壞 基板材質影響甚鉅
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| 圖3 典型投射式電容ITO排列方式，不同顏色代表不同層級。 |
一旦完成了機械結構上的評估，就必須開始為觸控螢幕的設計選擇適當的基板。圖3所示為典型用於投射式電容觸控螢幕設計的ITO排列方式，其中有兩種主要的基板材質--玻璃與PET。假設裝置的機械式設計不會牽動基板的選擇，則這兩種材質都各有其效益及優點，所以選擇最適合裝置本身的基板以及市場策略是相當重要的。表1所示為兩種基板材質之間的比較。
玻璃基板通常是用在講求極佳的光學效能與環境耐受力的應用中。在多數的應用中，玻璃基板觸控感測器會搭配具備適當反射係數的強化玻璃鏡片。此外，鏡片通常還會經過防眩(Anti-glare, AG)、抗反射(Anti-reflection, AR)以及防刮鍍膜的處理，藉以降低反射比，提高光學效能。
| 表1 玻璃與PET基板材質之比較 |
| 特性 ＼ 材質 |
塑膠 |
玻璃 |
| 溫度容忍範圍 |
80℃ |
125～150℃ |
| 使用壽命影響 |
表面變形 |
無已知影響 |
| 穿透性 |
85% |
90%+ |
| 分層厚度 |
薄 |
厚 |
| 重量 |
輕 |
重 |
| 溼度容忍 |
好 |
優 |
| 疊片效果 |
優 |
好 |
| 機械強度 |
無 |
適中 |
| 成本 |
低 |
高 |
透光率(Transparency)指的是有多少的光線量能穿透材質，反射率則是光線反射的量。所有投射式電容觸控螢幕都包含排列完整的透明ITO導體。最理想的情況是ITO圖樣的反射率應等同於導線間沒有ITO處的反射率，這樣能確保ITO導線不被看到。玻璃觸控感測器與覆面鏡片也能經由化學處理而強化而具備抗摔、抗衝擊的能力。但採用玻璃材質的投射式電容系統的缺點之一就是比薄膜材質要昂貴許多。
薄膜基板主要的好處在於薄度，也表示能有更輕薄的架構。而且薄膜觸控螢幕系統的成本也遠低於同類玻璃基板的解決方案。薄膜基板一般會搭配使用較便宜也較不耐磨損的壓克力覆蓋層。
為了解薄膜材質與玻璃材質觸控感測器之間成本的差異，可以比較產品在各個生產階段中良率的差異性。在製造觸控感測器時，ITO會濺鍍到玻璃/薄膜的基板上，形成一個薄小的ITO沉積層。然後須要製作投射式電容排列方式所需的光罩，並利用蝕刻製程除去毋需的ITO區域，形成想要的ITO排列圖樣。對於雙基板的投射式電容設計來說，下列方程式所代表的是製造良率的最低限度。
Yieldprojected=Sputteringyield×Etching(X)yield×Sputteringyield×Etching(Y)yield+Laminationyield
生產經驗則顯示於下列彼此的關係中：
| Sputteringyield(Film)>Sputteringyield(Glass) |
| Etchingyield (Film)>Etchingyield(Glass) |
| Laminationyield(Film)>Laminationyield(Glass) |
此外，如果玻璃觸控感測器要經過化學處理以提升其機械結構強度，就可能會發生降低良率狀況；但薄膜材質的解決方案就不會有這種問題。
觸控螢幕好壞直接影響人機介面
投射式電容觸控螢幕設計上，另一項非常重要的考量就是使用者介面。電容式觸控螢幕並不適用於觸控筆方面的應用。目前所研究的電容式觸控筆有兩種：導電橡膠類的觸控筆，以及具導電性的駐極體(Electret)裝置，但這兩種都尚未證實能開發出輕巧、好用、便宜的觸控筆。此外，電容感測也會受到手指與觸控螢幕之間接觸區域的影響。若用較細的觸控筆就不足以產生類似手指接觸時的電容變化型態。
電容觸控螢幕多半是設計成可辨識手指的手勢，針對網頁瀏覽而整合的電容式觸控可以完全利用到準確的手指選擇。如網頁上許多超連結非常接近，要準確點選連結就可能會有困難。一種介面設計的解決方法就是讓使用者能依序在每個連結之間捲動切換，而每個捲動切換到的連結選項就會被放大，以方便使用者作觸控點選。另一種方式則是全部把帶有連結的部分放大成手指可觸碰的大小，讓使用者可以進一步點選經過放大的連結圖文。總而言之，使用者介面設計必須要考量到手指的大小、移動與位置等種種誤差。
人類手指反覆按壓的準確度變化量通常在3～4毫米左右，部分原因是由於眼睛與手指之間的視差，以及靈活度的差異性。因此提供點選用的圖案/按鈕的直徑最好要大於5毫米。按鈕之間也應該要間隔至少5～10毫米以利操作。若按鈕會用到拇指操作，其尺寸與間隔就必須更大。此外，某些視覺、聽覺、觸覺上的回饋必須要能立即反應讓使用者知道，以表示選擇準確。回饋延遲將會增加使用者在輸入的不準確性。
在固態觸控螢幕上，對於指壓的觸覺回饋是利用振動馬達(制動器)模擬使用者回饋。在行動裝置中，最常用的制動器是偏軸轉動慣量制動器(Eccentric Rotating Mass Actuators)以及線性諧振制動器(Linear Resonant Actuators)。在觸控時，投射式電容觸控螢幕的表面會振動，代表偵測到輸入的動作，至於振動的強度和持續時間則可視輸入回饋的型態而調整。
良好使用者介面設計的基本，在於將操作簡單化。使用者應該只需幾次螢幕的觸控，就能執行一般操作。這樣不但能提供更好的使用者體驗，也能縮小學習曲線。
機械結構設計上的評估、基板的選擇以及使用者介面的設計都是在投射式電容觸控螢幕系統中十分重要的考量。若能了解機械結構上的限制將有助於基板的選擇，並且能確保由觸控螢幕展現最佳的效能。基板的選擇具有成本上的考量，須要在成本、可靠度、光學效能之間取捨。而簡單、直覺的使用者介面，及設計適合手指選擇操作的元件，將帶來更好的使用便利性。仔細考量這些觸控螢幕的設計要點不但是成功產品的保證，也能大幅降低設計開發時的風險。
(本文作者為賽普拉斯半導體PSoC CapSense產品經理)