早期的手機(jī)屏幕只能用來“看”，觸摸技術(shù)的發(fā)明讓人可以和屏幕在2D的平面上進(jìn)行互動，而Apple公司日前推出的iPhone 6s結(jié)合了In-cell面板、形變感測器(Strain sensor)、觸覺引擎(Taptic engine)開啟了智能觸摸新時代，到底什么是3D touch技術(shù)?什么又是In-cell面板呢?

　　2D觸摸：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，觸摸面板的出現(xiàn)，讓使用者可以與面板互動，讓面板活了起來。觸摸面板的種類很多，目前手機(jī)所使用的“多點觸摸(Multitouch)”面板大多使用“投射式電容觸摸(Projected capacitive touch)”技術(shù)。投射式電容觸摸的觸摸線路(Sensor pattern)主要有驅(qū)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(qū)動線路(Tx)“投射(Projected)”出電力線，經(jīng)由絕緣體(液晶或空氣)到達(dá)感測線路(Rx)形成“電容(Capacitor)”，如圖一(b)所示，由于人體本身就是導(dǎo)體，當(dāng)我們的手指摸到觸摸面板時，不需用力就會影響電力線改變電容的大小，經(jīng)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。

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

　　觸摸線路(Sensorpattern)的驅(qū)動線路(Tx)與感測線路(Rx)到底要做在那里比較好呢?每一家公司各有自己的技術(shù)與專利，基本上各有優(yōu)缺點，并沒有決對的好壞，簡單從圖一(c)的液晶面板構(gòu)造可以看出，能夠制作觸摸線路的地方不外乎前導(dǎo)電玻璃的上方或下方、后導(dǎo)電玻璃的上方三個位置。

　　一般而言，驅(qū)動線路(Tx)都在后導(dǎo)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(shè)計的位置則不相同，Sony與JDI的“PixelEyes”把Rx制作在前導(dǎo)電玻璃的上方，如圖二(a)所示;Samsung把Rx制作在前導(dǎo)電玻璃的下方，如圖二(b)所示;Apple把Rx制作在后導(dǎo)電玻璃的上方，也就是與Tx制作在同一個地方，因此制程最復(fù)雜成本最高，如圖二(c)所示。

　　▲圖二：觸摸線路的驅(qū)動線路(Tx)與感測線路(Rx)位置示意圖。(Source：NounProject)

　　3D觸摸：讓面板變得更有智能

　　前面介紹的觸摸線路(Sensorpattern)分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個面板，所以是屬于2D平面的觸摸技術(shù)，只能計算出使用者手指接觸面板的X與Y座標(biāo)位置，無法知道手指下壓的力道，3D觸摸的出現(xiàn)，讓使用者下壓的深度Z座標(biāo)也能夠傳達(dá)給手機(jī)，讓面板變得更有智能。

　　iPhone6s所使用的“3D觸摸(3DTouch)”目前公開的資料不多，根據(jù)Apple公司官方網(wǎng)站上的影片介紹，可以看出有兩個重要的設(shè)計：

　　1.形變感測器(Strainsensor)：在LCD面板下方另外安裝8×12=96個形變感測器(注)，當(dāng)使用者的手指下壓保護(hù)玻璃，玻璃受力會向下產(chǎn)生微小的形變，如圖三(a)所示，而使保護(hù)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(jīng)由復(fù)雜的數(shù)學(xué)演算法可以快速且即時的計算出下壓的力量大小，由于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。

　　注：由于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“Touchsensor”帶過，但是根據(jù)Apple公司的相關(guān)專利，是形變感測器的機(jī)會很高，相關(guān)文章請參考這里。

　　2.觸覺引擎(Tapticengine)：是一個可以產(chǎn)生微小振動的機(jī)械元件，如圖三(b)所示，提供使用者即時的觸覺反饋，當(dāng)使用者輕壓(Peek)時產(chǎn)生10毫秒的“微震(Minitap)”，當(dāng)使用者重壓(Pop)時產(chǎn)生15毫秒產(chǎn)生“全震(Fulltap)”，使用者會覺得就好像真的按下按鍵一樣，手機(jī)的觸覺反饋讓使用者感覺手機(jī)好像是活的。

　　結(jié)合上面兩種元件，經(jīng)由形變感測器偵測使用者下壓的力量大小，再經(jīng)由觸覺引擎提供使用者即時的觸覺反饋，讓觸摸變得更有智能，也為使用者創(chuàng)造了更完美的觸摸新體驗。

　　▲圖三：iPhone6s的3D觸摸(3DTouch)技術(shù)結(jié)合了8×12=96個形變感測器(Strainsensor)與觸覺引擎(Tapticengine)。(Source：NounProject、蘋果)

　　LCD面板的基本原理與構(gòu)造

　　手機(jī)由于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(LiquidCrystalDisplay，LCD)”。LCD的構(gòu)造如圖四所示，由下而上順著光前進(jìn)的路徑依序有背光模組(Backlight)、后偏光片(Polarizer)、后導(dǎo)電玻璃、薄膜電晶體(ThinFilmTransistor，TFT)、液晶(Liquidcrystal)、彩色濾光片(Colorfilter)、前導(dǎo)電玻璃、前偏光片(Analyzer)、保護(hù)玻璃(Coverglass)等，構(gòu)造與原理有些復(fù)雜，這里我們不詳細(xì)介紹(對LCD工作原理有興趣請參考這里)。

　　手機(jī)由于尺寸要小又要省電，因此使用發(fā)光二極體(LightEmittingDiode,LED)做為光源，導(dǎo)電玻璃是在玻璃基板上成長薄薄的一層“氧化銦錫(IndiumTinOxide，ITO)”形成可以導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用在各種光電元件上。

　　此外，必須在后導(dǎo)電玻璃上方使用半導(dǎo)體制程技術(shù)成長“開關(guān)元件”，最簡單的開關(guān)元件就是“MOS”，但是MOS具有金屬、氧化物、半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)，必須成長在矽晶圓上才行，要在導(dǎo)電玻璃上成長開關(guān)元件不能使用MOS，必須另外設(shè)計一種開關(guān)元件，它的工作原理和MOS很像，我們稱為“薄膜電晶體(ThinFilmTransistor，TFT)”(MOS的結(jié)構(gòu)與原理請參考這里)。

　　在后導(dǎo)電玻璃上有TFT開關(guān)元件的面板稱為“主動矩陣式(Activematrix)”，開關(guān)在像素旁邊所以反應(yīng)比較快;沒有TFT開關(guān)元件的面板稱為“被動矩陣式(Passivematrix)”，這種面板的開關(guān)元件做在面板外的印刷電路板(PCB)上，開關(guān)距離像素比較遠(yuǎn)所以反應(yīng)比較慢，那大家猜猜什么是AMOLED?有機(jī)發(fā)光二極體(OrganicLightEmittingDiode，OLED)也有后導(dǎo)電玻璃，所以AMOLED就是指后導(dǎo)電玻璃上有TFT開關(guān)元件。

　　▲圖四：LCD面板的基本原理與構(gòu)造。(Source：Flickr/Jakub VacekCCBY2.0、Flickr/OsmanKalkavanCCBY2.0、NounProject)

　　什么是Cell？什么又是Out-cell、On-cell、In-cell？

　　LCD的制作流程是先在“前導(dǎo)電玻璃”下方的ITO側(cè)制作開關(guān)線路與彩色濾光片;在“后導(dǎo)電玻璃”上方的ITO側(cè)制作開關(guān)線路與TFT;再將前后兩片導(dǎo)電玻璃的ITO側(cè)面對面夾起來，并將液態(tài)的液晶注入兩片導(dǎo)電玻璃之間，形成圖四(b)的構(gòu)造，這個流程通稱為“面板工程(Cellengineering)”，因此兩片導(dǎo)電玻璃與之間的區(qū)域就通稱為“面板(Cell)”，其實面板工程的步驟還蠻復(fù)雜的，有興趣的人可以參考這個網(wǎng)站。

　　觸摸面板需要“觸摸線路(Sensorpattern)”來確定使用者手指點選的位置，觸摸線路如果先制作在保護(hù)玻璃(Coverglass)上再以黏著劑貼合在面板(Cell)的前導(dǎo)電玻璃上方(也就是在Cell外面)，則稱為“Out-cell”，如圖五(a)所示。

　　觸摸線路如果直接制作在面板(Cell)的前導(dǎo)電玻璃上方(也就是在Cell上面)，則稱為“On-cell”，如圖五(b)所示;觸摸線路如果直接制作在面板(Cell)的前后導(dǎo)電玻璃之間(也就是在Cell里面)，則稱為“In-cell”，如圖五(c)所示。由圖中可以看出In-cell最大的優(yōu)點就是厚度薄，因此目前已經(jīng)成為智能手機(jī)面板的主流，但是也有價格高與觸摸線路易受TFT與開關(guān)線路干擾的問題，因此Out-cell與On-cell仍然有存在價值，可以應(yīng)用在其他大尺寸或?qū)穸纫蟊容^不計較的產(chǎn)品上。(作者：Dr. J)

　　▲圖五：觸摸線路的位置示意圖(圖中省略彩色濾光片)。