電容式觸控螢?zāi)环浪δ芸赏蠓M(jìn)。電容式觸控螢?zāi)灰坏┯龅剿畾饣蛞后w，精準(zhǔn)度就會(huì)大幅降低。因此，電容式觸控面板與控制器開發(fā)商正協(xié)力合作，結(jié)合自容與互容感測(cè)層不同的功能特點(diǎn)，以提升電容式觸控螢?zāi)坏目顾耘c濕手指追蹤效能。
抗水性/濕手指追蹤功能兩項(xiàng)防水規(guī)范漸受重視

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有許多對(duì)防水詳細(xì)的定義規(guī)范，其中國(guó)際電工協(xié)會(huì)(International Electrotechnical Commission, IEC)的IEC-60529標(biāo)準(zhǔn)，就針對(duì)防護(hù)等級(jí)(Ingress Protection, IP)做分級(jí)定義，其規(guī)范產(chǎn)品最高等級(jí)為IP-67，亦即能承受大量的飛塵(防塵等級(jí)為6)，并能浸入水中達(dá)1公尺深(防水等級(jí)為7)而不受損。

然而，很少有消費(fèi)性行動(dòng)裝置能符合這個(gè)等級(jí)，且IP等級(jí)至今亦還沒被廣泛運(yùn)用在電容式觸控螢?zāi)坏漠a(chǎn)品規(guī)范上。通常觸控螢?zāi)坏姆浪枨?，系建立在使用者?jīng)驗(yàn)及產(chǎn)品在遇到水氣時(shí)的反應(yīng)，而非進(jìn)行破壞性的測(cè)試。盡管防水定義尚未正式標(biāo)準(zhǔn)化，但目前逐漸被業(yè)界廣泛采用的兩項(xiàng)防水規(guī)范，包含抗水性(Water Rejection)及支援濕手指追蹤功能(Wet Finger Tracking)。

抗水性亦即當(dāng)觸控螢?zāi)簧嫌幸后w時(shí)，系統(tǒng)能排除假性觸控，且能在移除液體后，完全回復(fù)正常操作功能。例如不小心將咖啡潑灑到手機(jī)上，一定不會(huì)希望手機(jī)因此自動(dòng)撥出電話或發(fā)送簡(jiǎn)訊，甚至在你急于清理手機(jī)時(shí)，做出任何動(dòng)作，并期望手機(jī)在擦干后，能回復(fù)到以往正常的運(yùn)作功能?？顾允欠浪畛Ｒ娨埠苤匾臈l件因素，因?yàn)橐后w一定會(huì)停留在觸控螢?zāi)槐砻妫|控螢?zāi)槐仨氁芑貜?fù)正常且不產(chǎn)生任何假性觸控。然而，抗水性無(wú)法支援沾濕的螢?zāi)槐砻嬗|控，這方面就有賴濕手指追蹤功能。

濕手指追蹤功能，能在有水氣的觸控螢?zāi)簧献粉櫴种傅奈恢谩Ｓ|控螢?zāi)槐砻嫔系乃畾鈺?huì)使電容量測(cè)造成誤差，進(jìn)而減損觸控的精準(zhǔn)度，濕手指追蹤功能則能確保提供一個(gè)精準(zhǔn)值。在有水氣的情況下，可容許誤差通常為1?2毫米，對(duì)于撥打電話或發(fā)送電子郵件等關(guān)鍵功能而言，這樣的誤差足以應(yīng)付操作需求。

液體的特性對(duì)抗水性與濕手指追蹤功能非常重要。觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒?huì)形成的各種液體特性，其一為水氣凝結(jié)，在高濕度或溫度快速變化的環(huán)境中，觸控螢?zāi)槐砻嫔蠒?huì)凝結(jié)一層很薄的水氣。其次是水滴，雨滴、汗水或任何種類的液體，滴落在觸控螢?zāi)槐砻嫔?。其三是薄水膜，大量的水覆蓋在整個(gè)觸控螢?zāi)槐砻嫔?，形成一層很薄的液體，如之前提到潑灑出的咖啡就屬這類。

此外，辨識(shí)水滴的大小也很重要，小水滴通常指滴落到觸控螢?zāi)缓笾睆綔y(cè)量不超過3毫米的大小，而大水滴通常則介于3?18毫米之間。上述的三種液體型態(tài)將會(huì)產(chǎn)生不同類型的電容誤差，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮芗右砸驊?yīng)。

即便是相同類型的液體，對(duì)不支援多點(diǎn)觸控的自容感測(cè)(Self-Cap)與支援真正的多點(diǎn)觸控的互容感測(cè)(Mutual Cap)也會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果。有些觸控螢?zāi)豢刂破鲿?huì)同時(shí)使用這兩種技術(shù)，來(lái)解決因液體導(dǎo)致偵測(cè)時(shí)產(chǎn)生拒斥假性觸控所衍生的問題。要想了解這些問題，必須先了解電容感測(cè)在遇有水氣時(shí)所產(chǎn)生的一些基本物理變化。

使用傳導(dǎo)屏蔽觸控螢?zāi)徊浑S水氣起舞

電容感測(cè)能運(yùn)作，是因?yàn)槿梭w本身就是導(dǎo)電體，含有雜質(zhì)的水，如自來(lái)水或咖啡也是導(dǎo)體，并會(huì)使電容測(cè)量造成誤差。圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單的自容物理模型，電場(chǎng)線代表電容。

圖1 基本自容物理模型

自容的原理是偵測(cè)一個(gè)感測(cè)器對(duì)電路接地端的電容，使用方法是在感測(cè)器(TX)套用一個(gè)激發(fā)訊號(hào)，然后偵測(cè)得用多少電荷或電流，才能對(duì)含有接收器(RX)的感測(cè)器充飽電。在這個(gè)模型中，有兩個(gè)電流可能會(huì)經(jīng)過的回路，其一為透過人體和感測(cè)器直接耦合(I2)；其二為從感測(cè)器到鄰近感測(cè)器之間形成邊際電場(chǎng)耦合(I1)。自容的主要訊號(hào)來(lái)源為I2，大多來(lái)自手指與感測(cè)器之間直接的電容耦合(圖1中)。

直接電容耦合可利用平行板電容公式C=E0×Er×A/d推算，其中E0是自由空間的介電系數(shù)，Er是觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層的相對(duì)介電系數(shù)，A是手指覆蓋的面積，d是手指與感測(cè)器之間的距離，中間隔著觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層材料，圖1的C1與C2分別是行動(dòng)裝置與人體相對(duì)于地面的電容。這些電容通常遠(yuǎn)高于直接耦合電容，因此所有這些的電容串聯(lián)會(huì)降低直接耦合電容，然而C1通常小到足以降低整體直接電容耦合，尤其是當(dāng)行動(dòng)裝置完全以電池供電，且沒有連結(jié)充電器的時(shí)候。

邊際電場(chǎng)訊號(hào)I1在觸控時(shí)會(huì)增加一些觸控訊號(hào)，因?yàn)槭种笗?huì)吸收這個(gè)訊號(hào)，并透過人體傳導(dǎo)到地面(加到I2)。觸控螢?zāi)簧蠜]有被觸碰到的水氣，會(huì)對(duì)I1產(chǎn)生很大的影響，而這些水氣也是電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)生誤差的主要來(lái)源，水氣會(huì)增加鄰近感測(cè)器之間的邊際電場(chǎng)，進(jìn)而增加電容。端視觸控螢?zāi)槐Ｗo(hù)層的厚度與介電系數(shù)，可能導(dǎo)致足夠的電容變化，如手指輕觸，讓感測(cè)電路將它誤判為假性觸控。欲解決這個(gè)問題，就得使用傳導(dǎo)屏蔽(有時(shí)稱為Guard保護(hù)層)(圖2)。

圖2 屏蔽狀態(tài)下的基本自容物理模型

利用復(fù)制的TX來(lái)驅(qū)動(dòng)鄰近感測(cè)器，即可消除I1且感測(cè)電路不會(huì)偵測(cè)到任何電容。但若要實(shí)際應(yīng)用此解決方案，觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮軝C(jī)動(dòng)地切換感測(cè)接腳，即時(shí)在TX、RX及屏蔽之間切換，進(jìn)而感測(cè)到整個(gè)觸控螢?zāi)?。在傳統(tǒng)CapSense按鈕上，屏蔽技術(shù)也能同樣運(yùn)作。

圖3則是以不同的方式讓讀者了解I1、I2及感測(cè)到的電流IRX如何隨觸碰、水氣等因素，以及在有屏蔽與無(wú)屏蔽狀態(tài)下產(chǎn)生的各種變化?；ト莸脑硎歉袦y(cè)兩個(gè)感測(cè)器之間的電容(圖4)。

圖3 自容電流在不同狀態(tài)與時(shí)間下的變化

圖4 屏蔽狀態(tài)下的基本互容物理模型

此時(shí)，TX套用到一個(gè)感測(cè)器上，而RX則套用到另一個(gè)鄰近感測(cè)器?；ト莞袦y(cè)的物理原理和自容相同，但手指訊號(hào)的主要來(lái)源是邊際電場(chǎng)而不是直接耦合。手指會(huì)吸走電荷，并表現(xiàn)在電流上，而這個(gè)電流在正常情況下都是經(jīng)過邊際電場(chǎng)(I1)再透過人體(I2)傳到地面，整體效應(yīng)就是兩個(gè)感測(cè)器之間的互容減少。觸控螢?zāi)簧蠜]有被手指觸碰到的水氣，也會(huì)產(chǎn)生像自容一樣增加邊際電場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)而提高電容訊號(hào)，并增加流到RX的電流。圖5為另一種互容感測(cè)呈現(xiàn)方式。 [!--empirenews.page--]

圖5 互容電流在不同狀態(tài)與時(shí)間下的變化

自容/互容感測(cè)各有所長(zhǎng)兩者兼顧設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)高

具傳導(dǎo)屏蔽的自容感測(cè)，雖然能有較佳的抗水性功能，但卻無(wú)法支援真正的多點(diǎn)觸控。從較高層次的觀點(diǎn)來(lái)看，互容感測(cè)應(yīng)該也適用于抗水性，因?yàn)樵谟|控螢?zāi)槐砻嫔显黾铀畾鈺?huì)導(dǎo)致與手指觸控相反的磁性改變，但這也意味移除水氣和手指觸控并無(wú)差別。

具傳導(dǎo)屏蔽的自容，雖然能在有水氣的情況下運(yùn)作，但卻無(wú)法支援多點(diǎn)觸控效能。相反的，互容能支援多點(diǎn)觸控的效能，但遇到水氣時(shí)卻無(wú)法正常運(yùn)作。對(duì)抗水性來(lái)說(shuō)，最可靠穩(wěn)定的解決方案就是同時(shí)使用互容與自容感測(cè)，而要實(shí)際應(yīng)用這種解決方案，前提就是觸控螢?zāi)豢刂破鞅仨毮茉赥X、RX及屏蔽之間動(dòng)態(tài)地切換接腳功能。

然而，結(jié)合自容與互容感測(cè)，卻無(wú)法對(duì)濕手指追蹤功能帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)手指觸碰到觸控螢?zāi)簧系乃畾鈺r(shí)，水氣就會(huì)和手指合為一體成為導(dǎo)體，此時(shí)手指會(huì)吸走邊際電場(chǎng)電流，并傳導(dǎo)至地面降低電容。

不過在撥打電話時(shí)，觸控表面的觸控反應(yīng)狀況，也可能類似當(dāng)大姆指或臉頰貼近整個(gè)螢?zāi)粫r(shí)的反應(yīng)一樣，得視水氣多寡及水氣在螢?zāi)槐砻娴姆植记闆r決定。若沒有運(yùn)用特別演算法來(lái)處理這個(gè)大面積的訊號(hào)，觸控螢?zāi)豢刂破骶蜁?huì)以水氣覆蓋面的中心點(diǎn)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，可能會(huì)造成距離的誤差(圖6)。

圖6 濕手指追蹤觸控精準(zhǔn)度誤差

盡管可利用訊號(hào)中的資訊來(lái)改進(jìn)精準(zhǔn)度，但若只想藉電容感測(cè)技術(shù)，讓追蹤濕手指的精準(zhǔn)度達(dá)到和追蹤沒有水氣時(shí)正常手指位置的精準(zhǔn)度，則較不切實(shí)際。

電容式觸控螢?zāi)划a(chǎn)業(yè)尚未對(duì)防水做明確定義，雖有一些通用標(biāo)準(zhǔn)，但大多用于破壞性測(cè)試，并未涵蓋觸控螢?zāi)唬蚨顾耘c濕手指追蹤逐漸受業(yè)界注意；此外，了解水氣對(duì)自容與互容所產(chǎn)生的不同影響，智慧觸控螢?zāi)豢刂破骷軜?gòu)加上成熟的智慧財(cái)產(chǎn)權(quán)，將可解決當(dāng)前難題。

(本文作者任職于賽普拉斯)