觸控螢幕早在使用陰極射線管(CRT)螢幕的時代就已經存在了，但這種技術當時並未真正流行於消費市場中，一直到行動電話製造商應用該技術來解決小型按鈕造成不便的問題。而今，搭載觸控螢幕的智慧手機和平板電腦共同建構了一個發展極其快速的電子市場。
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| 觸控是萬靈丹還是毒藥? 請謹慎思考使用者-設計-製造的所有環節。圖為Cypress與 Atmel QT600 開發板 圖片取自 陽明大學 |
根據DisplaySearch公司的調查報告，全球觸控式平板電腦的出貨量預計可在2011年達到6,000萬台，並在2016年時突破2.6億台的規模。市調公司IHS iSuppli並預測，目前全球已經有超過4億部的觸控手機，預計在今年可創造出突破100億美元的整體市場產值。
“觸控螢幕已經存在很長一段時間了，但過去多半只普及於商業和工業環境中，例如餐飲服務、機場導覽系統以及工業鍵盤，”IHS iSuppli公司顯示器研究總監Rhoda Alexander說。“對於消費者而言，真正的過渡期是...在蘋果(Apple)公司進軍智慧手機及接踵而至的平板電腦之際。在那之前，消費性觸控螢幕由於必須執行標準化的作業系統，而一直無法順利運作。而今，隨著開發腳步轉移到智慧手機和平板電腦後，像iOS之類的作業系統中已能實現十分友善的觸控用戶介面。”
谷歌(Google)公司的Android作業系統─Apple iOS的第一個主要的競爭對手─在一開始導入時並不支援多點觸控，但新一代技術結合了一系列多點觸控手勢辨識功能，特別是旋轉、推拉與裁切等成為Android系統的獨特功能；所有的這些功能可在任何Android智慧手機或觸控式平板電腦上實現一樣的作業程序。此外，BlackBerry平板電腦和Windows手機的作業系統也同樣可實現這些類似的觸控功能。
“手機製造商們曾經列出一長串阻礙採納觸控螢幕的理由，但在蘋果推出iPhone後，所有的這些障礙忽然之間似乎都不成問題了，”Synaptics公司技術策略師Andrew Hsu表示。
Synaptics一開始致力於宣傳觸控鍵盤具有可替代PC滑鼠的優點，後來重新自我定位成為一家專為手機產品開發觸控螢幕控制器的供應商。該公司已取得了幾家重要的設計訂單，其中包括Google的Nexus One智慧手機。
只有少數幾種逆向發展趨勢威脅到觸控產業。其中最主要的是能夠提供類似用戶體驗而無需昂貴觸控螢幕硬體的競爭技術，例如微軟Kinect遊戲介面所實現的3D手勢辨識，它使用了相機和圖形辨識，但不必使用一般手持感測器所需的感測器。
另一種類似Kinect的3D手勢辨識採用微軟(Microsoft)收購Canesta公司所取得的紅外線測距儀技術，該公司現正針對Windows手機和平板電腦進一步開發該技術的縮小版本。如今，配備觸控功能新版Windows作業系統現已用於各種裝置尺寸中──從該公司自有的40吋Surface到授權而來的觸控平板電腦與智慧手機──微軟可望重新定義新觸控領域。
與此同時，所有的LCD製造商正重新裝配其製造產線，以便將觸控螢幕感測器直接整合於其顯示器產品中，此舉將使OEM們不必再額外附加其它元件。例如，三星(Samsung)和諾基亞(Nokia)已分別為其Galaxy S和N8智慧手機在OLED顯示器中整合了觸控螢幕。
整合觸控螢幕感測器的替代性材料也浮出檯面，包括Cambrios Technologies的ClearOhm透明導體使用銀奈米線；C3Nano的碳奈米管薄膜；3M公司的銅纜網格薄膜；重新改變用途的PEDOT有機導電高分子聚合物；以及來自各供應商的外延石墨烯薄膜。由於目前觸控感測器所用的錫化銦(ITO)已越來越稀少，因而採用各種替代性材料的目標在於能大量削減觸控感測器的成本。
供應鏈
觸控螢幕市場的吸引力在短短幾年內就集結了一個成熟的全球供應鏈，涵蓋製造透明感測器的台灣和日本製造廠；以改變電阻或電容的方式應用於手指觸控的美國和歐洲控制器晶片製造商；以及添加透明上蓋、層壓透明薄膜，並整合電子產品的模組製造商和系統整合商。
傳統的電阻式觸控技術在可加以變形的不同層上使用兩個導電聚合物，因而不管用手指或觸控筆接觸上層皆可順利作業。亞德諾(ADI)、德州儀器(TI)、意法半導體(STMicroelectronics)和其它混合訊號晶片製造商所提供的現成電阻式控制器更為簡化且非常準確，但通常無法辨識多點觸控。業界已經為電阻式觸控發展出幾種不同的架構，針對不同的應用採用不同數量的接線(如四線或八線)可使任務更簡化或更準確。
“觸控技術相當的多樣化，針對不同應用發展出許多專用方法；但一般來說，電阻式觸控是較傳統的技術，而投射式電容最近已成為業界的主導技術，”DisplaySearch公司新興顯示技術副總裁Jenny Colegrove說。
投射式電容觸控開始稱霸於高階行動設備中。然而，智慧家電和安全鍵盤並非真正必須要用到電容式觸控，同時對於某些應用來說，即使是電阻式觸控技術也已經夠用了。因此，“電阻式觸控仍然相當普及，因為這一技術較為成熟且價格較低，而投射式電容在大尺寸螢幕中仍存在良率和層壓製程等問題，”IHS iSuppli公司的Alexander指出。“只要仍存在多種螢幕尺寸、應用環境、價位以及使用這些設備的情況下，業界就有必要提供各種不同的觸控技術。”
投射式電容技術以一個訊號驅動透明電容層板，然後再以類比數位轉換器(ADC)測量相鄰層板的變化。電容式感測器通常以菱形圖案分別排列在玻璃兩側或同一側。一支智慧手機通常要用到幾百個電容感測器，而平板電腦所需的數量更高10倍以上多，從而使智慧控制器晶片可在一定解析度的情況下辨識任意數量的觸控作業，即使是的孩子的手指也能偵測到。包括Cypress和IDT等幾家控制器製造商已為此提出了不需跳線的專用技術模式。
多點觸控手勢功能一開始可實現兩指縮放、三指滾動以及四指撥移，而今由於多點觸控功能更多變化而擴展至實現更細緻的螢幕物件操控應用，多點觸控功能也變得更具自由度。高品質的透明感測器模式可支援智慧手勢辨識，這一智慧化的實現來自於可防止多指抖動以及決定手指訊號的控制器演算法。觸控螢幕控制器傳送訊息給應用處理器，從而辨識出各種複雜程度不同的手勢，例如以手指輕點表示選擇、上下推移表示滾動，以及兩指縮放物件大小等功能。
區域市場
台灣與日本是目前全球最主要的高階投射式電容觸控螢幕製造基地。台灣的勝華科技(Wintek)和宸鴻(TPK Touch Systems)兩家公司(都是蘋果的供應商)，以及快速成長中的洋華光電(Young Fast)和介面光電(J-touch)就佔掉全球大部份的觸控面板出貨量。日本供應商郡是(Gunze)、鈴寅(Suzutora)和DMC(位於大阪，但與美國德州奧斯汀Touch International結盟)正迅速提升其製造業務的競爭力，以便能與全球三十多家觸控螢幕製造商較勁。中國製造商至今尚未開發出高階的電容式多點觸控技術，因為這種觸控螢幕很難用觸控筆來書寫，因而仍持續製造較能有效辨識中文字體的電阻式觸控螢幕。
在觸控螢幕控制器晶片供應商方面，愛特梅爾(Atmel)為摩托羅拉(Motorola)公司的Xoom、三星(Samsung)公司的Galaxy Tab以及其他基於Android的平板電腦與智慧手機供貨；賽普拉斯半導體(Cypress)提供RIM的BlackBerry PlayBook與Barnes & Noble的Nook平板電腦，以及包括宏達電(HTC)等公司的幾十款智慧手機；Synaptics則供應IDEOS S7Slim超薄平板電腦以及其他多款Android和Windows手機所需。同時，包括iPad 2以及許多iOS裝置中都可看到採用博通(Broadcom)公司的觸控控制器；而根據Chipworks公司表示，德州儀器(TI)的觸控螢幕控制器已用於所有的iPhone型號中，包括iPhone 4。
愛特梅爾公司可說是勇居觸控螢幕控制器設計訂單的寶座，除了Xoom和Galaxy Tab以外，該公司同時也拿下了LG的G-Slate、宏基(Acer)的Iconia、華碩(ASUS)的Trasformer、戴爾(Dell)的Streak以及幾乎所有其他基於Android平台的平板電腦訂單，再加上全球前10大頂級智慧手機中，該公司就取得了其中8款的訂單，從HTC的4G Evo到摩托羅拉的Droid等均包括在內。
“愛特梅爾具有競爭對手難以匹敵的最快反應時間──每秒300次vs每秒70次──這意味著該公司的產品夠更準確地偵測到手勢，”愛特梅爾公司產品行銷經理Sherif Hanna說，“此外，我們還有8至12毫秒的超快首次接觸延遲，比起競爭對手的產品更快兩倍。”
Atmel公司目前的主要競爭對手是Cypress和Synaptics公司，但由於幾乎所有具備混合訊號能力的其他半導體製造商都想朝向這個相同的方向發展，使得這一觸控螢幕市場即將變得更為擁擠。意法半導體在去年秋天為其S-Touch產線增加投射式電容控制器晶片生產，預計今夏可開始出貨。IDT今年發佈專有的PureTouch技術，採用單層感測器的方式以取代目前必須使用昂貴ITO的雙層感測器，可望降低電容式觸控螢幕的成本。同樣地，Cypress也以其TrueTouch技術致力於開發單層感測器解決方案。
為NextWindow公司光學觸控螢幕供應微控制器的芯科實驗室(Silicon Labs)則利用該公司在自電容(self-capacitance)方面的專精技術，緊鑼密鼓地為投射式電容觸控螢幕開發新款微控制器。
“現在我們的控制器可測量與接地有關的電容層板，從而辨識出單一按鈕上的自電容，”美商芯科實驗室人機介面產品總監Steve Gerber表示。“然而，對於投射式電容觸控螢幕而言，我們必須測量兩個元素之間的交互電容值，對我們來說，這意味著必須設計出一款專用的ADC週邊，而且類似於在我們8051微控制器已有的自電容模組。”該公司目前正出樣具有整合投射式電容觸控螢幕控制器的8051元件。
飛思卡爾(Freescale)的許多微控制器產品中還內建表面聲波電容觸控鍵盤模組，包括該公司最新的ARM-based Kinetis MCU產品線，以及基於其S08、ColdFire+和iMX處理器的電阻式觸控螢幕解決方案。飛思卡爾尚未發佈關於投射式電容控制器，但可能從2012年先在其微控制器週邊模組開始供貨。
美商亞德諾(ADI)公司為低成本電阻觸控螢幕提供了一系列控制器晶片，使其觸控控制器得以普及於各種應用中，包括從POS系統到智慧手機。ADI公司在電容式觸控方面擁有高精確的電容-數位轉換器(CDC)專有技術，適於近接感測應用。如同飛思卡爾和芯科實驗室公司一樣，ADI公司也尚未宣佈進入投射式電容觸控控制器市場，但該公司在雜訊管理與高性能的CDC等專精技術預示不久將會發佈有關投射式電容觸控控制器的計劃，最可能的時程就是在2012年。
超越電容技術之外
至於未來，包括從聲學波形到近場成像等約有十幾種競爭的觸控技術，都期許能進一步擴展投射電容觸控至具有特殊輸入需求的其它各種應用領域，例如那些必須穿戴手套的醫療從業人員。承諾提供多種觸控螢幕以滿足多元垂直市場需求的廠商包括泰科電子(Tyco Electronics)的易觸控系統(Elo Touchsystems)事業部以及3M公司。
其中最被看好的替代技術是光學觸控技術，它不需要採用玻璃或ITO，即能以超低功率紅外線LED和光學偵測器實現手勢精確定位。例如，NextWindow為惠普公司(Hewlett-Packard；HP) TouchSmart PC的螢幕邊框提供了觸控輸入功能。同樣地，TI與斯德哥爾摩的Neonode公司合作，將具觸控功能的光學邊框尺寸縮小到1mm高，以利於行動裝置的觸控螢幕應用。
TI在十年前收購Burr-Brown公司後，一直致力於經營觸控螢幕控制器業務。最近，TI發佈其內建支援電阻式觸控功能與表面電容觸控板的MSP-430超低功耗微控制器特殊型號。現在，TI並與Neonode公司合作，共同進軍光學觸控螢幕領域。
“Neonode的光學觸控螢幕建置幾乎可說是混合了現有的電阻和電容式觸控螢幕解決方案，”TI觸控產品組合團隊負責人Adrian Valenzuela說，這款解決方案“看來具有電容式觸控的外形與反應──只需輕觸即可，手勢也更容易辨識──但它更具有成本效益，就現有的電阻式顯示器一樣。”
Neonode公司去年從Sony Reader取得其zForce 專利光學觸控技術的首張設計訂單。今年五月，東京Kobo公司也選擇採用zForce於其eReader電子書閱讀器產品中
“我們的技術特別適合電子閱讀器，因為zForce在用戶觸控作業之間只消耗幾微安培的功耗，”Neonode公司CEO Thomas Eriksson說。“在偵測到手指觸控作業時，它所使用的功耗較電阻式觸控或電容式觸控螢幕更低。此外，由於eForce不會在螢幕上造成重疊，不至於減弱元太(E Ink)和高通(Qualcomm)製造的電子閱讀器所反射出來的光線。”
中國電子閱讀器製造商漢王(Hanvon)最近宣佈已可供應其自有的電磁諧振觸控螢幕。漢王公司表，選擇其雙觸控ERT技術的OEM們只需在其電路板上整合天線感測器，即可為手寫中文輸入應用實現電阻式觸控技術的精確度，同時保有通常僅見於投射式電容觸控的多點觸控性能。
資料來源：Neonode公司
電子工程專輯 2011/07/04 羅克鈴
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