iPhone 6s 智慧觸控新時代:一次看懂 3D touch 與 In-cell 面板

作者 | 發布日期 2015 年 09 月 22 日 15:46 | 分類 iPhone , 手機 , 精選 follow us in feedly

早期的手機螢幕只能用來「看」,觸控技術的發明讓人可以和螢幕在 2D 的平面上進行互動,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)、觸覺引擎(Taptic engine)開啟了智慧觸控新時代,到底什麼是 3D touch 技術?什麼又是 In-cell 面板呢?



2D 觸控:讓面板活了起來

LCD 面板原本只是用來顯示影像的,使用者只能單向接收影像訊息,觸控面板的出現,讓使用者可以與面板互動,讓面板活了起來。觸控面板的種類很多,目前手機所使用的「多點觸控(Multi touch)」面板大多使用「投射式電容觸控(Projected capacitive touch)」技術。投射式電容觸控的觸控線路(Sensor pattern)主要有驅動線路(Tx)與感測線路(Rx),分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個面板,如圖一(a)所示,我們可以想像驅動線路(Tx)「投射(Projected)」出電力線,經由絕緣體(液晶或空氣)到達感測線路(Rx)形成「電容(Capacitor)」,如圖一(b)所示,由於人體本身就是導體,當我們的手指摸到觸控面板時,不需用力就會影響電力線改變電容的大小,經由感測線路(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。

曲老師配圖

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

觸控線路(Sensor pattern)的驅動線路(Tx)與感測線路(Rx)到底要做在那裡比較好呢?每一家公司各有自己的技術與專利,基本上各有優缺點,並沒有決對的好壞,簡單從圖一(c)的液晶面板構造可以看出,能夠製作觸控線路的地方不外乎前導電玻璃的上方或下方、後導電玻璃的上方三個位置。

一般而言,驅動線路(Tx)都在後導電玻璃的上方,這樣電力線才會由下向上投射出來,而感測線路(Rx)每一家公司設計的位置則不相同,Sony與JDI的「Pixel Eyes」把Rx製作在前導電玻璃的上方,如圖二(a)所示;Samsung把Rx製作在前導電玻璃的下方,如圖二(b)所示;Apple把Rx製作在後導電玻璃的上方,也就是與Tx製作在同一個地方,因此製程最複雜成本最高,如圖二(c)所示。

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▲ 圖二:觸控線路的驅動線路(Tx)與感測線路(Rx)位置示意圖。(Source:Noun Project

3D 觸控:讓面板變得更有智慧

前面介紹的觸控線路(Sensor pattern)分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個面板,所以是屬於 2D 平面的觸控技術,只能計算出使用者手指接觸面板的 X 與 Y 座標位置,無法知道手指下壓的力道,3D 觸控的出現,讓使用者下壓的深度 Z 座標也能夠傳達給手機,讓面板變得更有智慧。

(Source:YouTube

iPhone 6s 所使用的「3D 觸控(3D Touch)」目前公開的資料不多,根據 Apple 公司官方網站上的影片介紹,可以看出有兩個重要的設計:

1. 形變感測器(Strain sensor):在 LCD 面板下方另外安裝 8×12=96 個形變感測器(註),當使用者的手指下壓保護玻璃,玻璃受力會向下產生微小的形變,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,經由複雜的數學演算法可以快速且即時的計算出下壓的力量大小,由於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)」。任何一個形變感測器偵測到的訊號可以和周圍其他形變感測器偵測到的訊號比較,就知道手指下壓的位置與力量大小。

註:由於 Apple 公司公開的資料不足,這 8×12=96 個形變感測器在影片中只含糊的以「Touch sensor」帶過,但是根據 Apple 公司的相關專利,是形變感測器的機會很高,相關文章請參考這裡

2. 觸覺引擎(Taptic engine):是一個可以產生微小振動的機械元件,如圖三(b)所示,提供使用者即時的觸覺反饋,當使用者輕壓(Peek)時產生 10 毫秒的「微震(Mini tap)」,當使用者重壓(Pop)時產生 15 毫秒產生「全震(Full tap)」,使用者會覺得就好像真的按下按鍵一樣,手機的觸覺反饋讓使用者感覺手機好像是活的。

結合上面兩種元件,經由形變感測器偵測使用者下壓的力量大小,再經由觸覺引擎提供使用者即時的觸覺反饋,讓觸控變得更有智慧,也為使用者創造了更完美的觸控新體驗。

曲老師配圖

▲ 圖三:iPhone 6s 的 3D 觸控(3D Touch)技術結合了 8×12=96 個形變感測器(Strain sensor)與觸覺引擎(Taptic engine)。(Source:Noun Project、蘋果)

LCD 面板的基本原理與構造

手機由於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(Liquid Crystal Display,LCD)」。LCD 的構造如圖四所示,由下而上順著光前進的路徑依序有背光模組(Back light)、後偏光片(Polarizer)、後導電玻璃、薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)、液晶(Liquid crystal)、彩色濾光片(Color filter)、前導電玻璃、前偏光片(Analyzer)、保護玻璃(Cover glass)等,構造與原理有些複雜,這裡我們不詳細介紹(對 LCD 工作原理有興趣請參考這裡)。

手機由於尺寸要小又要省電,因此使用發光二極體(Light Emitting Diode, LED)做為光源,導電玻璃是在玻璃基板上成長薄薄的一層「氧化銦錫(Indium Tin Oxide,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候還是透明的,能夠讓可見光穿透,因此大量應用在各種光電元件上。

此外,必須在後導電玻璃上方使用半導體製程技術成長「開關元件」,最簡單的開關元件就是「MOS」,但是 MOS 具有金屬、氧化物、半導體的結構,必須成長在矽晶圓上才行,要在導電玻璃上成長開關元件不能使用 MOS,必須另外設計一種開關元件,它的工作原理和 MOS 很像,我們稱為「薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)」(MOS 的結構與原理請參考這裡)。

在後導電玻璃上有 TFT 開關元件的面板稱為「主動矩陣式(Active matrix,AM)」,開關在畫素旁邊所以反應比較快;沒有 TFT 開關元件的面板稱為「被動矩陣式(Passive matrix,PM)」,這種面板的開關元件做在面板外的印刷電路板(PCB)上,開關距離畫素比較遠所以反應比較慢,那大家猜猜什麼是 AMOLED?有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)也有後導電玻璃,所以 AMOLED 就是指後導電玻璃上有 TFT 開關元件。

曲老師配圖

▲ 圖四:LCD 面板的基本原理與構造。(Source:Flickr/Jakub Vacek CC BY 2.0、Flickr/Osman Kalkavan CC BY 2.0、Noun Project

什麼是 Cell?什麼又是 Out-cell、On-cell、In-cell?

LCD 的製作流程是先在「前導電玻璃」下方的 ITO 側製作開關線路與彩色濾光片;在「後導電玻璃」上方的 ITO 側製作開關線路與 TFT;再將前後兩片導電玻璃的 ITO 側面對面夾起來,並將液態的液晶注入兩片導電玻璃之間,形成圖四(b)的構造,這個流程通稱為「面板工程(Cell engineering)」,因此兩片導電玻璃與之間的區域就通稱為「面板(Cell)」,其實面板工程的步驟還蠻複雜的,有興趣的人可以參考這個網站

觸控面板需要「觸控線路(Sensor pattern)」來確定使用者手指點選的位置,觸控線路如果先製作在保護玻璃(Cover glass)上再以黏著劑貼合在面板(Cell)的前導電玻璃上方(也就是在 Cell 外面),則稱為「Out-cell」,如圖五(a)所示。

觸控線路如果直接製作在面板(Cell)的前導電玻璃上方(也就是在 Cell 上面),則稱為「On-cell」,如圖五(b)所示;觸控線路如果直接製作在面板(Cell)的前後導電玻璃之間(也就是在Cell裡面),則稱為「In-cell」,如圖五(c)所示。由圖中可以看出 In-cell 最大的優點就是厚度薄,因此目前已經成為智慧型手機面板的主流,但是也有價格高與觸控線路易受 TFT 與開關線路干擾的問題,因此 Out-cell 與 On-cell 仍然有存在價值,可以應用在其他大尺寸或對厚度要求比較不計較的產品上。

曲老師配圖

▲ 圖五:觸控線路的位置示意圖(圖中省略彩色濾光片)。

名詞解釋:

(首圖來源:Flickr/Japanexperterna.se CC BY 2.0) 

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