觸摸屏起源于20世紀70年代，是美國軍方因軍事用途而發(fā)展起來的一種裝置，80年代轉(zhuǎn)移民用，早期多被裝于工控計算機、pos機終端等工業(yè)或商用設備之中。這些領域的特點多為應用環(huán)境不便使用鍵盤、鼠標操控，或者根本就是僅需幾個簡單的按鍵即可完成輸入動作的設備，整體市場規(guī)模不大。
2007年iPhone手機的推出，是觸控行業(yè)發(fā)展中的一個里程碑。蘋果公司把一部至少需要20個按鍵的移動電話，設計得僅需三、四鍵就能搞定，剩余操作全部交由觸摸屏來完成，使手機在外型變得更加時尚輕薄之后，又增加了人機直接互動的親切感，最令人驚艷的是，蘋果還將以往主要用于大屏領域的電容式觸控技術引入小尺寸的手機屏幕，并實現(xiàn)了多點觸控功能，賦與了使用者更加直接、更加便捷、更加接近人們?nèi)粘Ｐ袨榈牟僮黧w驗，引發(fā)了消費者持續(xù)不斷的熱烈追捧，也開啟了觸摸屏向主流操控界面邁進的征程，市場規(guī)模成倍數(shù)增長。在此情況下，業(yè)內(nèi)眾多手機大廠、顯示大廠也紛紛致力于觸摸屏，特別是基于觸摸屏的多點觸控技術的研發(fā)，使多點觸控技術成為觸摸屏研發(fā)領域的一門無可爭議的顯學。
投射電容式技術仍處主流
傳統(tǒng)觸控技術，一次只能向控制器傳達一個觸點信息，而多點觸控技術卻能夠記錄同時發(fā)生的多點觸控信息。這與人們?nèi)粘Ｉ钪胁倏匚矬w的行為更加接近，更加受到消費者的青睞，因此有實力的顯示大廠均致力于對此項技術的研究開發(fā)。目前市場上也出現(xiàn)了一系列與之相關的技術，主要有蘋果的投射式電容、TMD的SOG技術、三星的HTSP技術等。不過，后兩者不是存在制作成本較高，就是存在影響光與色彩的飽和度等問題，因此投射式電容技術仍是目前多點觸控技術中的兵家必爭之地。
電容式觸控技術中應用較廣的是表面電容(Surface Capacitive)技術。它的架構相對簡單，采用一層ITO玻璃為主體，外圍至少有四個電極，在玻璃四角提供電壓，在玻璃表面形成一個均勻的電場，當使用者進行觸按操作時，控制器就能利用人體手指與電場靜電反應所產(chǎn)生的變化，檢測出觸控坐標的位置。不過，此種架構也決定了表面電容式技術無法實現(xiàn)多點觸控功能，因為它采用了一個同質(zhì)的感應層，而這種感應層只會將觸摸屏上任何位置感應到的所有信號匯聚成一個更大的信號，同質(zhì)層破壞了太多的信息，以致于無法感應到多點觸摸。另外，表面電容式觸摸屏還存在小型化的困難，很難應用于手機屏幕，大多用于中大尺寸領域。
投射電容(Projective Capacitive)技術是實現(xiàn)多點觸控的希望所在。它的基本技術原理仍是以電容感應為主，但相較于表面電容式觸摸屏，投射電容式觸摸屏采用多層ITO層，形成矩陣式分布，以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當手指觸碰屏幕時，可通過X、Y軸的掃描，檢測到觸碰位置電容的變化，進而計算出手指之所在?；诖朔N架構，投射電容可以做到多點觸控操作。
具體來看，投射電容的觸控技術主要有兩種：自我電容(self capacitance)式和交互電容(mutual capacitance)式。自我電容又稱絕對電容(absolute capacitance)，它把被感應的物體（如手指）作為電容的另一個極板。當手指觸碰屏幕時可在傳感電極和被傳感電極之間感應出電荷，從而被感覺到。交互電容又叫做跨越電容(transcapacitance)，它是通過相鄰電極的耦合產(chǎn)生的電容。當被感覺的手指靠近從一個電極到另一個電極的電場線時，交互電容的改變被感覺到，從而報告出位置。
根據(jù)兩種電容技術的原理不同，設計出的投射式電容觸摸屏的架構也不相同，形成多點觸控的方式也就不同。與自我電容相關的是手勢的辨識追蹤與互動(Gesture interaction)，也就是僅偵測、分辨多點觸控行為，如縮放、拖拉、旋轉(zhuǎn)等，實現(xiàn)方式為軸交錯式(Axis intersect)技術。它是在導電層上進行菱形狀感測單元規(guī)劃，每個軸向需要一層導電層。以兩軸型式為例，在偵測觸控行為時，感測控制器會分別掃描水平軸和垂直軸，產(chǎn)生電容耦合的水平/垂直感測點會出現(xiàn)上升波峰，這兩軸交會處即為觸控點。
其實，軸交錯式電容式觸控技術，就是筆記本電腦觸控板上使用的技術。電腦觸摸板采用X、Y軸的傳感電極陣列形成一個傳感格子。當手指靠近觸摸板時，在手指和傳感電極之間會產(chǎn)生小量電荷，此時通過運算，即可確定物體的位置。當然，觸控板與觸控屏幕最大差異在于，前者是不透明、后者是透明的。
不過需要指出的是軸交錯式雖能實現(xiàn)多點觸控手勢辨識功能，但若要定位多點觸控的正確位置仍有困難。因為在進行兩個軸向的掃描時，兩個觸控點分別會在X軸與Y軸各產(chǎn)生兩個波峰，交會起來就產(chǎn)生4個觸點，其中兩個點是假性觸控點，這會使系統(tǒng)無法進行正確判讀。解決的辦法是增加軸向，提高可辨識觸點位置、數(shù)目，每增加1軸向可多辨識1點(如3軸可辨識2點、4軸為3點)；不過，每增加1個軸向，就要多1層導電層，這會增加設計的觸控面板厚度、重量與成本，都不是以手機等便攜式產(chǎn)品為主要應用的觸摸屏廠商所樂見的。
復雜觸點可定位式(All point addressable)技術也能達成多點觸控功能，且能辨別觸控點確切位置，可以說是理想的多點觸控解決方案，iPhone即是采用此種觸控技術。它主要架構為兩層導電層，其中一層為驅(qū)動線(driving lines)，另一層為感測線(sensing lines)，兩層的線路彼此垂直。運作上會輪流驅(qū)動一條驅(qū)動線，并量測與這條驅(qū)動線交錯的感測線是否有某點發(fā)生電容耦合現(xiàn)象。經(jīng)逐一掃描即可獲知確切觸點位置。
但是，要實現(xiàn)此種技術在，不論是導電層規(guī)劃、布線或CPU運算，難度都提高許多，需要采用更加強大的處理器。以iPhone為例，它就是以兩顆獨立芯片分擔這項工作，一顆感測控制器，將原始模擬感測信號轉(zhuǎn)為X-Y軸坐標；另一顆則是ARM7處理器，專門用來解讀這些信息，辨識手指動作，并做出相應的反應。
此外，復雜觸點可定位技術還會面臨一些設計上挑戰(zhàn)，如需要供應高電壓才能得到較好的信噪比表現(xiàn)，不適合在大尺寸面板使用等。
投射電容式多點觸控技術特性比較
其它多點觸控技術巡禮
因為蘋果在投射電容式觸控領域掌握多項關鍵專利，其它廠商在推出多點觸控產(chǎn)品之時，會有很大機率與蘋果發(fā)生專利糾紛，因此其它顯示大廠紛紛致力于其他可實現(xiàn)多點觸控功能技術的研發(fā)。
例如日廠TMD正在利用低溫多晶硅(LTPS)技術研發(fā)內(nèi)嵌傳感器的光感應式多點觸控面板。其主要做法是在LTPS-TFT面板的每個像素中嵌入光傳感器，當手指或光筆等觸摸屏幕時，會遮擋部分光線，此時通過光傳感器，即可感知并測算出觸點位置。由于該項技術是通過在液晶面板的像素中內(nèi)嵌光傳感器的方式感測觸控點的位置，因此可以同時檢測多個觸點，實現(xiàn)多點觸控的功能。此前，TMD已在日本、美國等地的多個光電展中展示過這項技術。不過，由于該技術的制造工藝相當復雜，而且制作成本高昂，因此目前TMD還沒有將其導入市場的規(guī)劃。
近期三星也推出一種稱為混合觸控屏幕面板(Hybrid Touch Screen Panel，簡稱HTSP) 的技術，可實現(xiàn)多點觸控功能。類似于TMD光感應式多點觸控技術，三星通過將觸控屏幕電路內(nèi)制到TFT面板的前段工藝中，以相同的TFT工藝直接加入TFT面板中。由于是通過TFT像素元件感測觸碰點，三星表示此技術也可做到多點觸控。目前三星已在部分產(chǎn)品的屏幕上運用這項技術。
另外，微軟推出的“微軟盒子”（Microsoft Surface）也可實現(xiàn)多點觸控功能。Microsoft Surface觸控面板原理和iPhone配備的投射電容式觸控面板或其它觸控技術均不相同。其它觸控技術不是根據(jù)物體對面板進行物理上的接觸而感應信號，就是通過手指上所帶的電或物體遮斷面板上的光波或聲波來感應信號。Microsoft Surface的觸控技術卻是在主機內(nèi)部以5部紅外線攝影機和1部DLP投影機，直接檢測物體碰觸面板產(chǎn)生的影像，以達到辨別觸控信號的目的。Surface最多可同時感測52個觸點，支持多點觸控，甚至多人同時操作。只不過它的體積過于巨大厚重，無法應用于手機屏幕之上，主要市場定位于飯店、餐廳、零售點等地的柜臺或游樂設施。
目前，觸摸屏的應用范圍已變得越來越廣泛，從工業(yè)用途的工廠設備的控制/操作系統(tǒng)、公共信息查詢的電子導覽設施，商業(yè)用途的提款機，到消費性電子的移動電話、PDA、數(shù)碼相機等都可看到觸控屏幕的身影。當然，這其中應用最為廣泛的仍是手機。
根據(jù)ABI Research報告指出，2008年采用觸控式屏幕的手機出貨量超過1億部，預計2012年安裝觸控界面的手機出貨量將超過5億部。同時有跡象表明，觸摸屏在消費電子產(chǎn)品中的應用范圍正從手機屏幕等小尺寸領域向具有更大屏幕尺寸的筆記本電腦拓展。目前，戴爾、惠普、富士通、華碩等一線筆記本電腦品牌廠商皆有計劃推出具備觸摸屏的筆記本電腦或UMPC。隨著觸摸屏應用領域的不斷拓寬，多點觸控技術的應用范圍也會越來越寬。
特別是近日有消息稱，微軟的新一代操作系統(tǒng)Windows7將于今年第三季度上市，而Windows7最令人矚目的就是支持多點觸控功能，因此，人們大多預測Windows7上市后，將進一步推進觸摸屏的流行，同時也將推升多點觸控功能的深入人心。但有一點需要清醒地認識到，多點觸控技術仍然很不完善，仍有很大提升的空間，在PC上的應用更是處于萌芽階段，真正成熟至少還需等上3~5年。
2007年iPhone手機的推出，是觸控行業(yè)發(fā)展中的一個里程碑。蘋果公司把一部至少需要20個按鍵的移動電話，設計得僅需三、四鍵就能搞定，剩余操作全部交由觸摸屏來完成，使手機在外型變得更加時尚輕薄之后，又增加了人機直接互動的親切感，最令人驚艷的是，蘋果還將以往主要用于大屏領域的電容式觸控技術引入小尺寸的手機屏幕，并實現(xiàn)了多點觸控功能，賦與了使用者更加直接、更加便捷、更加接近人們?nèi)粘Ｐ袨榈牟僮黧w驗，引發(fā)了消費者持續(xù)不斷的熱烈追捧，也開啟了觸摸屏向主流操控界面邁進的征程，市場規(guī)模成倍數(shù)增長。在此情況下，業(yè)內(nèi)眾多手機大廠、顯示大廠也紛紛致力于觸摸屏，特別是基于觸摸屏的多點觸控技術的研發(fā)，使多點觸控技術成為觸摸屏研發(fā)領域的一門無可爭議的顯學。
投射電容式技術仍處主流
傳統(tǒng)觸控技術，一次只能向控制器傳達一個觸點信息，而多點觸控技術卻能夠記錄同時發(fā)生的多點觸控信息。這與人們?nèi)粘Ｉ钪胁倏匚矬w的行為更加接近，更加受到消費者的青睞，因此有實力的顯示大廠均致力于對此項技術的研究開發(fā)。目前市場上也出現(xiàn)了一系列與之相關的技術，主要有蘋果的投射式電容、TMD的SOG技術、三星的HTSP技術等。不過，后兩者不是存在制作成本較高，就是存在影響光與色彩的飽和度等問題，因此投射式電容技術仍是目前多點觸控技術中的兵家必爭之地。
電容式觸控技術中應用較廣的是表面電容(Surface Capacitive)技術。它的架構相對簡單，采用一層ITO玻璃為主體，外圍至少有四個電極，在玻璃四角提供電壓，在玻璃表面形成一個均勻的電場，當使用者進行觸按操作時，控制器就能利用人體手指與電場靜電反應所產(chǎn)生的變化，檢測出觸控坐標的位置。不過，此種架構也決定了表面電容式技術無法實現(xiàn)多點觸控功能，因為它采用了一個同質(zhì)的感應層，而這種感應層只會將觸摸屏上任何位置感應到的所有信號匯聚成一個更大的信號，同質(zhì)層破壞了太多的信息，以致于無法感應到多點觸摸。另外，表面電容式觸摸屏還存在小型化的困難，很難應用于手機屏幕，大多用于中大尺寸領域。
投射電容(Projective Capacitive)技術是實現(xiàn)多點觸控的希望所在。它的基本技術原理仍是以電容感應為主，但相較于表面電容式觸摸屏，投射電容式觸摸屏采用多層ITO層，形成矩陣式分布，以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當手指觸碰屏幕時，可通過X、Y軸的掃描，檢測到觸碰位置電容的變化，進而計算出手指之所在?；诖朔N架構，投射電容可以做到多點觸控操作。
具體來看，投射電容的觸控技術主要有兩種：自我電容(self capacitance)式和交互電容(mutual capacitance)式。自我電容又稱絕對電容(absolute capacitance)，它把被感應的物體（如手指）作為電容的另一個極板。當手指觸碰屏幕時可在傳感電極和被傳感電極之間感應出電荷，從而被感覺到。交互電容又叫做跨越電容(transcapacitance)，它是通過相鄰電極的耦合產(chǎn)生的電容。當被感覺的手指靠近從一個電極到另一個電極的電場線時，交互電容的改變被感覺到，從而報告出位置。
根據(jù)兩種電容技術的原理不同，設計出的投射式電容觸摸屏的架構也不相同，形成多點觸控的方式也就不同。與自我電容相關的是手勢的辨識追蹤與互動(Gesture interaction)，也就是僅偵測、分辨多點觸控行為，如縮放、拖拉、旋轉(zhuǎn)等，實現(xiàn)方式為軸交錯式(Axis intersect)技術。它是在導電層上進行菱形狀感測單元規(guī)劃，每個軸向需要一層導電層。以兩軸型式為例，在偵測觸控行為時，感測控制器會分別掃描水平軸和垂直軸，產(chǎn)生電容耦合的水平/垂直感測點會出現(xiàn)上升波峰，這兩軸交會處即為觸控點。
其實，軸交錯式電容式觸控技術，就是筆記本電腦觸控板上使用的技術。電腦觸摸板采用X、Y軸的傳感電極陣列形成一個傳感格子。當手指靠近觸摸板時，在手指和傳感電極之間會產(chǎn)生小量電荷，此時通過運算，即可確定物體的位置。當然，觸控板與觸控屏幕最大差異在于，前者是不透明、后者是透明的。
不過需要指出的是軸交錯式雖能實現(xiàn)多點觸控手勢辨識功能，但若要定位多點觸控的正確位置仍有困難。因為在進行兩個軸向的掃描時，兩個觸控點分別會在X軸與Y軸各產(chǎn)生兩個波峰，交會起來就產(chǎn)生4個觸點，其中兩個點是假性觸控點，這會使系統(tǒng)無法進行正確判讀。解決的辦法是增加軸向，提高可辨識觸點位置、數(shù)目，每增加1軸向可多辨識1點(如3軸可辨識2點、4軸為3點)；不過，每增加1個軸向，就要多1層導電層，這會增加設計的觸控面板厚度、重量與成本，都不是以手機等便攜式產(chǎn)品為主要應用的觸摸屏廠商所樂見的。
復雜觸點可定位式(All point addressable)技術也能達成多點觸控功能，且能辨別觸控點確切位置，可以說是理想的多點觸控解決方案，iPhone即是采用此種觸控技術。它主要架構為兩層導電層，其中一層為驅(qū)動線(driving lines)，另一層為感測線(sensing lines)，兩層的線路彼此垂直。運作上會輪流驅(qū)動一條驅(qū)動線，并量測與這條驅(qū)動線交錯的感測線是否有某點發(fā)生電容耦合現(xiàn)象。經(jīng)逐一掃描即可獲知確切觸點位置。
但是，要實現(xiàn)此種技術在，不論是導電層規(guī)劃、布線或CPU運算，難度都提高許多，需要采用更加強大的處理器。以iPhone為例，它就是以兩顆獨立芯片分擔這項工作，一顆感測控制器，將原始模擬感測信號轉(zhuǎn)為X-Y軸坐標；另一顆則是ARM7處理器，專門用來解讀這些信息，辨識手指動作，并做出相應的反應。
此外，復雜觸點可定位技術還會面臨一些設計上挑戰(zhàn)，如需要供應高電壓才能得到較好的信噪比表現(xiàn)，不適合在大尺寸面板使用等。
投射電容式多點觸控技術特性比較
其它多點觸控技術巡禮
因為蘋果在投射電容式觸控領域掌握多項關鍵專利，其它廠商在推出多點觸控產(chǎn)品之時，會有很大機率與蘋果發(fā)生專利糾紛，因此其它顯示大廠紛紛致力于其他可實現(xiàn)多點觸控功能技術的研發(fā)。
例如日廠TMD正在利用低溫多晶硅(LTPS)技術研發(fā)內(nèi)嵌傳感器的光感應式多點觸控面板。其主要做法是在LTPS-TFT面板的每個像素中嵌入光傳感器，當手指或光筆等觸摸屏幕時，會遮擋部分光線，此時通過光傳感器，即可感知并測算出觸點位置。由于該項技術是通過在液晶面板的像素中內(nèi)嵌光傳感器的方式感測觸控點的位置，因此可以同時檢測多個觸點，實現(xiàn)多點觸控的功能。此前，TMD已在日本、美國等地的多個光電展中展示過這項技術。不過，由于該技術的制造工藝相當復雜，而且制作成本高昂，因此目前TMD還沒有將其導入市場的規(guī)劃。
近期三星也推出一種稱為混合觸控屏幕面板(Hybrid Touch Screen Panel，簡稱HTSP) 的技術，可實現(xiàn)多點觸控功能。類似于TMD光感應式多點觸控技術，三星通過將觸控屏幕電路內(nèi)制到TFT面板的前段工藝中，以相同的TFT工藝直接加入TFT面板中。由于是通過TFT像素元件感測觸碰點，三星表示此技術也可做到多點觸控。目前三星已在部分產(chǎn)品的屏幕上運用這項技術。
另外，微軟推出的“微軟盒子”（Microsoft Surface）也可實現(xiàn)多點觸控功能。Microsoft Surface觸控面板原理和iPhone配備的投射電容式觸控面板或其它觸控技術均不相同。其它觸控技術不是根據(jù)物體對面板進行物理上的接觸而感應信號，就是通過手指上所帶的電或物體遮斷面板上的光波或聲波來感應信號。Microsoft Surface的觸控技術卻是在主機內(nèi)部以5部紅外線攝影機和1部DLP投影機，直接檢測物體碰觸面板產(chǎn)生的影像，以達到辨別觸控信號的目的。Surface最多可同時感測52個觸點，支持多點觸控，甚至多人同時操作。只不過它的體積過于巨大厚重，無法應用于手機屏幕之上，主要市場定位于飯店、餐廳、零售點等地的柜臺或游樂設施。
目前，觸摸屏的應用范圍已變得越來越廣泛，從工業(yè)用途的工廠設備的控制/操作系統(tǒng)、公共信息查詢的電子導覽設施，商業(yè)用途的提款機，到消費性電子的移動電話、PDA、數(shù)碼相機等都可看到觸控屏幕的身影。當然，這其中應用最為廣泛的仍是手機。
根據(jù)ABI Research報告指出，2008年采用觸控式屏幕的手機出貨量超過1億部，預計2012年安裝觸控界面的手機出貨量將超過5億部。同時有跡象表明，觸摸屏在消費電子產(chǎn)品中的應用范圍正從手機屏幕等小尺寸領域向具有更大屏幕尺寸的筆記本電腦拓展。目前，戴爾、惠普、富士通、華碩等一線筆記本電腦品牌廠商皆有計劃推出具備觸摸屏的筆記本電腦或UMPC。隨著觸摸屏應用領域的不斷拓寬，多點觸控技術的應用范圍也會越來越寬。
特別是近日有消息稱，微軟的新一代操作系統(tǒng)Windows7將于今年第三季度上市，而Windows7最令人矚目的就是支持多點觸控功能，因此，人們大多預測Windows7上市后，將進一步推進觸摸屏的流行，同時也將推升多點觸控功能的深入人心。但有一點需要清醒地認識到，多點觸控技術仍然很不完善，仍有很大提升的空間，在PC上的應用更是處于萌芽階段，真正成熟至少還需等上3~5年。
