電容式觸摸屏技術綜述

趙海增 劉騰飛

摘 要：本文從觸摸屏硬件結構的角度總結了電容式觸摸屏的發展歷程，并重點分析了電容式觸摸屏的兩種內嵌式結構，即On-cell結構和In-cell結構，展望了電容式觸摸屏技術的未來發展趨勢和方向。

關鍵詞：電容式觸摸屏；On-cell；In-cell

中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）19-0010-03

A Review of Capacitive Touch Screen Technology

ZHAO Haizeng LIU Tengfei

（State Intellectual Property Office Patent Office Patent Eeview Cooperation Henan Center，Zhengzhou Henan 450018）

Abstract： This paper summarized the development history of capacitive touch screens from the perspective of the touch screen hardware structure， and two embedded structures of capacitive touch screen， namely On-cell structure and In-cell structure， were emphatically analyzed， and the future development trend and direction of capacitive touch screen technology were prospected.

Keywords： capacitive touch screen；On-cell；In-cell

1 電容式觸摸屏的概念

目前，有多種類型的輸入設備可用在計算系統中執行操作，如按鈕或按鍵、鼠標、軌跡球、操縱桿、觸摸傳感器面板、觸摸屏等[1]。觸摸屏因操作容易、通用性較強及價格不斷降低而變得越來越流行。觸摸屏主要分為以下幾種：電阻式觸控屏、電容式觸控屏和聲波式觸控屏。而目前手機上應用最多的就是電容式觸摸屏。電容式觸摸屏已經成為市場上人機交互的主要部件，與傳統電阻屏、紅外線觸摸屏相比，能提供更好的用戶體驗效果。

電容式傳感器利用一個透明的電容傳感器陣列進行工作，按電容形成的方式，其可分為自電容觸摸屏和互電容觸摸屏。其中，自電容觸摸屏是利用傳感電極與交流地或者直流電平電極形成的電容值的變化作為觸摸傳感信號；互電容式觸摸屏是利用兩個電極間形成的電容值的變化作為觸摸傳感的信號，有時也把互電容成為投射電容，其結構原理如圖1所示。利用X-Y電極檢測手指/專用觸摸裝置接觸時因電容變化導致的電壓變化，就可以判斷出人體或者專用觸摸裝置在觸摸區域內的觸摸情況。

從結構來看，電容觸摸屏屏幕的基本結構分為三層：保護玻璃、觸控層和顯示面板。保護玻璃就是最外層的玻璃蓋板；觸控層由ITO觸控薄膜和ITO玻璃基板組成，是觸摸屏最重要的一部分；顯示面板可細分的程度高。這里只大致進行排列：從上到下，分別是上玻璃基板、液晶層和下玻璃基板；最后將保護玻璃、觸控層和顯示面板利用貼合技術貼合在一起就形成一個完整的觸摸屏[2]。

2 電容觸摸屏技術發展歷程及其現狀

2.1 電容觸摸屏技術發展歷程

最初的電容觸摸屏就是將保護玻璃、觸控層和顯示面板貼合在一起。然而隨著科技的發展，以及消費者對輕薄和觸控性能的追求，電容觸摸屏越來越趨于輕薄化，觸控也由最初的單點觸摸發展為多點觸摸。從其輕薄化發展來看，其實現方案主要有以下五種：

①G+G：主要使用的是雙面ITO玻璃，在玻璃基板上濺鍍ITO的方式，屬于玻璃電容式觸控面板，厚度較厚。

②G+F+F：采用2張ITO薄膜傳感器，外加一層保護玻璃，屬于薄膜電容式觸控面板，與G+G方案相比，厚度有所降低。

③OGS：是將觸控屏與保護玻璃集成在一起，在保護玻璃內側鍍上ITO導電層，直接在保護玻璃上進行鍍膜和光刻，這是目前國內采用較多的一項技術。

④On-cell：是將觸控屏與顯示面板集成在一起，將ITO觸控薄膜放在顯示面板的上玻璃之上，三星幾代Galaxy旗艦就是采用這種形式。

⑤In-cell：是將觸控屏與顯示面板集成在一起，將ITO觸控薄膜放在顯示面板的上玻璃之下，一般是與液晶層融合在一起，代表機型是蘋果的iPhone 5。

現在重點圍繞目前較為熱門的On-cell技術和In-cell技術進行分析。

2.2 On-cell技術

如圖2所示，顯示器的組成從上到下依次有上偏光片、上玻璃基板、彩色濾光片、液晶、TFT、下玻璃基板和下偏光片。On-cell技術是指將觸摸屏和顯示面板集成在一起，將觸摸屏嵌入顯示屏的彩色濾光片基板和偏光片之間的技術。

蘋果公司于2009年6月24日提出了公開號為CN101467119A，發明名稱為觸摸屏液晶顯示器。該發明公開的是將觸摸感測部件與顯示器電路相集成的液晶顯示器（LCD）觸摸屏，具體可以參照圖3。

在濾色器（CF）板）（如頂部玻璃層）頂部可以圖案化兩個附加的氧化銦錫（ITO）層（ITO1 1301和ITO2 1302）。這些層可用于觸摸傳感器的觸摸傳感和觸摸驅動部件，其中所述觸摸傳感器可以是互電容觸摸傳感器。這些ITO層可以被圖案化成列和/或行（如圖1所示），并且可以由電介質分開，如由玻璃基底或是?。ㄈ?～12mm）SiO2層分開。

上述實施方式是將觸摸傳感器設置在顯示面板的彩色濾光片上，其還可以設置在上偏光板面向上玻璃基板的一側、上玻璃基板的上側或下側，兩個觸摸傳感器可以同層設置，也可以異層設置。與OGS技術相比，該結構的厚度較薄，由于只需在彩色濾光片和偏光板之間形成透明電極圖案，因此容易確保成品率，但尚存在觸控時產生的顏色不均勻的問題。

2.3 In-cell技術

與OGS技術相比，On-cell雖然降低了觸摸屏的整體厚度，但結合On-cell的結構可知，其在集成到顯示面上時，通常需要在顯示面板原有器件的基礎上，增加新的觸摸感測用電極結構，且由于觸摸電極結構設置在彩色濾光片上部，對顯示面板的顯示效果產生了影響，容易使得顯示畫面顏色不均勻。為了解決該技術問題，出現了一種新的內嵌式觸摸屏結構，將觸摸面板功能嵌入到液晶像素中，即In-cell技術。

例如，專利文件CN104133590A于2014年11月5日公開了一種內嵌式觸控面板及其制造方法，該內嵌式觸控面板包括：陣列基板；第一絕緣層，位于陣列基板的上方；驅動電極，設置于第一絕緣層且電性耦接至觸控驅動線；多條數據線，與驅動電極位于同一層；第二絕緣層；共通電極，位于第二絕緣層的上方且經由一過孔電性耦接至驅動電極。與現有技術相比，本發明將驅動電極與數據線設置于同一層，藉由過孔和驅動電極，從而使共通電極電性耦接至觸控驅動線。如此一來，該觸控面板不必形成網格狀的金屬層，觸控信號走線在感測區塊內部即可實現，因此也無需額外地扇出區域來容置該走線寬度，有利于觸控面板的窄邊框設計，相對增加了觸控區域面積，降低了制造成本。

In-cell技術由于將觸摸電極嵌入到液晶像素中，屏幕的顯示畫面得到了改善，屏幕的畫面要比使用On-cell技術的屏幕更清晰，能夠獲得更好的用戶體驗。

2.4 On-cell技術和In-cell技術比較

On-cell技術和In-cell技術都降低了觸摸屏的整體厚度，將觸摸電極集成到顯示面板的內部，與將觸摸面板和顯示面板相黏合的技術相比，其省略了一層玻璃蓋板和基板，因此大大減小了觸摸屏的整體厚度；其次，彩色濾光片包括彩膜基板，設置有黑矩陣和公共電極，而TFT基板由TFT晶體管、存儲電容、像素電極等構成，On-cell技術中，觸摸電極可以和公共電極同層設置、部分復用或者全部復用，進一步降低觸摸屏厚度，而In-cell技術中，觸摸電極可以和像素電極同層設置、部分復用或者全部復用，進一步降低觸摸屏厚度，因此二者在降低觸摸屏整體厚度方面的貢獻不分上下。

由于On-cell技術中觸摸電極位于彩色濾光片上側，而In-cell技術中，將觸摸電極嵌入了液晶像素中，位于彩色濾光片的下側，因此，In-cell技術的屏幕畫面比On-cell技術中的屏幕畫面更為清晰。但是，將觸摸電極集成到液晶像素中，其技術難度要比On-cell更為困難，且一旦損壞，損失的不僅僅是觸摸屏，顯示屏也將連同一起報廢，導致產品的生成成本較高，因此二者各有利弊。

由于On-cell技術和In-cell技術通常采用觸控電極與顯示面板電極復用的方式以進一步降低顯示屏的厚度，因此，通常采用分時法進行觸控感測和顯示，即將一個顯示幀的時間切成顯示周期和觸控感測周期，在顯示周期中，顯示面板的電極用于顯示畫面，而在觸控感測周期，顯示面板的電極復用為觸控電極，進行觸控感測。此種分時工作方式隨著顯示面板的分辨率越來越高，顯示驅動集成電路所需刷新的像素也越來越多，因此需要的時間也越來越長。但是，顯示幀更新率必須維持在60Hz以上，即每一幀都只有16.6ms。由于顯示面板的分辨率越來越高，在16.6ms內要執行顯像及觸控感測越發困難，反過來，這也限制了影像分辨率的提升，因此，二者還需要在觸控感測靈敏度和顯示效果提升方面作進一步改進。

3 電容觸摸屏未來發展方向和動態

目前，基于On-cell和In-cell技術的內嵌式電容觸摸屏技術已經得到了普及，但其仍有很大的發展空間，將觸控電極嵌入到顯示面板中需要使用復雜發半導體制造工藝，尤其是在In-cell技術中，將觸摸電極集成到液晶像素中，因此，進一步提高制造工藝，以提高成品率是電容觸摸屏未來發展的方向之一。

對于直接在顯示面板中增加觸控電極，不采用分時處理的內嵌式觸摸屏而言，由于顯示與觸摸操作同時進行，因此，顯示信號必定對觸摸感測造成干擾，顯示與觸控感測的信號防干擾也是研究熱點。

現有觸摸屏的觸摸精度和靈敏度雖然已經能滿足人們的日常需求，但隨著科技的進步和觸摸控制在日常生活中的廣泛應用，人們一直在追求更高的精度和靈敏度，且電容觸摸屏在其硬件結構上的發展空間已達到一個瓶頸，各知名企業和研究單位將更多精力放在了軟件提升上，未來有望在精度、靈敏度和多點觸控等方面進一步提升電容觸摸屏的性能。

目前，日本、臺灣、韓國和美國都是電容式觸摸屏領域研究機構和生產的重要聚集地，且實力強勁，其中蘋果、三星和JDI等不僅技術領先，而且在美國、中國、歐洲市場中均有較強的影響力；而中國的京東方、歐菲光和上海天馬等專注于觸摸顯示技術的企業也不斷在崛起，且已經進行了專利布局，未來有望在該技術領域處于領先與主導地位。

參考文獻：

[1]越石健司.觸摸屏技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2014.

[2]周志敏，紀愛華.觸摸屏實用技術與工程應用[M].北京：人民郵電出版社，2011.