全面解析觸控和顯示的最新技術(shù)

　　電容式觸控屏技術(shù)已經(jīng)徹底改變了智能手機(jī)和平板電腦的面貌，目前該技術(shù)正在滲透進(jìn)筆記本電腦、臺(tái)式PC以及最新型汽車和可穿戴設(shè)備中。這些設(shè)備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，不斷要求廠商設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提高顯示質(zhì)量和性能，提供緊湊的外形尺寸、延長(zhǎng)電池壽命并降低成本，同時(shí)系統(tǒng)需易于使用。由于觸控屏對(duì)用戶體驗(yàn)有很大影響，因此一款產(chǎn)品最終能否取得成功，選擇哪一種觸控屏設(shè)計(jì)有可能成為決定性因素。

　　要將顯示屏變成“觸控板”，需要無(wú)縫整合以前截然分開(kāi)的兩種功能，即觸控和顯示功能。過(guò)去，怎樣給顯示屏增加觸控傳感器，一直由不同公司自主決定，貼合式面板疊層由多個(gè)層組成，不同公司提供不同的層。之后，有可能由另外一家制造商將這些層組裝成顯示面板。最近的技術(shù)進(jìn)步使得有可能將觸控傳感器直接集成到顯示屏中，同時(shí)將觸摸控制器和顯示驅(qū)動(dòng)器這兩種功能集成到單一集成電路(IC)中。

　　本文概述了目前可用的觸控和顯示集成技術(shù)，其中包括最新的、有望在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)主導(dǎo)新型設(shè)備設(shè)計(jì)的、全面集成的解決方案。首先，將介紹把觸控傳感器直接集成到顯示屏中的各種方式，然后探討將觸摸控制器和顯示驅(qū)動(dòng)器功能集成到單一IC中的方法，最后重點(diǎn)論述觸控和顯示功能集成為設(shè)備制造商及其合作伙伴帶來(lái)的諸多優(yōu)勢(shì)。

　　需要注意的是，本文僅針對(duì)觸控屏小于8英寸(20厘米)的智能手機(jī)和平板電腦。盡管有可能以類似方式在更大的觸控屏中集成觸控和顯示功能，但是二者差別很大，有必要單獨(dú)介紹。

　　將觸控傳感器集成到顯示屏疊層中

　　在觸控屏中集成觸控檢測(cè)和顯示更新功能涉及兩個(gè)方面：顯示面板疊層;控制觸控和顯示這兩種功能的IC。

　　圖 1 觸控傳感器可以作為一個(gè)獨(dú)立層添加到合式面板的顯示屏之上，也可直接集成到顯示屏疊層中的任一現(xiàn)有層

　　如圖1所示，在一個(gè)典型的觸控屏中，顯示屏疊層和顯示面板中有很多層。以前常見(jiàn)的做法是，將觸控傳感器作為一個(gè)單獨(dú)或獨(dú)立的層，覆蓋到疊層式層壓顯示面板中的顯示屏之上。采用這種設(shè)計(jì)方法時(shí)，觸控傳感器或者添加到玻璃蓋板(CG)上，或者放在一個(gè)專用的傳感器層中，這個(gè)專用傳感器層通常由塑料制成。

　　將傳感器整合在玻璃蓋板上的方法有時(shí)又叫“蓋板外嵌式傳感器(Sensor-on-Lens，簡(jiǎn)稱SoL)”或“蓋板集成式解決方案(One Glass Solution，簡(jiǎn)稱OGS)，因?yàn)檫@種方法無(wú)需增加一個(gè)單獨(dú)的傳感器層，僅利用玻璃蓋板即可。采用單獨(dú)傳感器層的設(shè)計(jì)方法稱為玻璃-薄膜(Glass-Film，簡(jiǎn)稱GF)或玻璃-薄膜-薄膜(Glass-Film-Film，簡(jiǎn)稱GFF)，視觸控發(fā)送和接收功能在傳感器薄膜的一層還是兩層上實(shí)現(xiàn)而定。所有這些設(shè)計(jì)方法都稱為“分離式”的，以強(qiáng)調(diào)觸控功能作為顯示屏上的覆蓋層而單獨(dú)存在這一事實(shí)。

　　增加分離式觸控傳感器覆蓋層的優(yōu)勢(shì)是，技術(shù)成熟、風(fēng)險(xiǎn)低、產(chǎn)品上市快。甚至在采用最新顯示和觸控技術(shù)時(shí)，也會(huì)采用分離式設(shè)計(jì)，在這種情況下，常常在后續(xù)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將分離式設(shè)計(jì)集成進(jìn)去。有些LCD模組廠商也很重視能否利用工廠中現(xiàn)有制造系統(tǒng)及設(shè)備的問(wèn)題。不過(guò)，分離式設(shè)計(jì)的劣勢(shì)是，顯示面板較厚、顯示屏較暗且成本較高。

　　由于最近的技術(shù)進(jìn)步，LCD模組廠商能夠?qū)⒂|控傳感器直接集成到顯示屏疊層中的一層或多層上。這種集成可以在顯示屏中的基本單元之上或基本單元之內(nèi)實(shí)現(xiàn)，即外嵌式(On-Cell)集成或內(nèi)嵌式(In-Cell)集成。

　　將觸控傳感器矩陣放到濾色玻璃之上的方法稱為外嵌式集成，因?yàn)閭鞲衅魑挥陲@示屏基本單元之上。傳感器發(fā)送和接收網(wǎng)格(即菱形或條紋形網(wǎng)格)可以與跨接線電氣隔離，也可以采用特殊布局，以使這些網(wǎng)格無(wú)需架橋就能實(shí)現(xiàn)。后一種設(shè)計(jì)稱為單層多點(diǎn)外嵌式(Single-Layer-On-Cell，簡(jiǎn)稱SLOC)，這種設(shè)計(jì)很常見(jiàn)的，因?yàn)槌杀据^低、良率較高。

　　用外嵌式技術(shù)給顯示屏增加觸控功能簡(jiǎn)單、可靠，而且這種方法對(duì)于有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管(AMOLED)顯示屏而言，常常是最佳選擇。對(duì)于較大型顯示屏以及曲面或柔性顯示屏而言，以外嵌方式集成無(wú)跨接線的金屬網(wǎng)狀傳感器也是很好的選擇。

　　如圖1所示，顯示屏中的基本單元從薄膜晶體管(TFT)玻璃的底部延伸至濾色玻璃的頂部，包括TFT電路、液晶材料和濾色片。在內(nèi)嵌式集成中，傳感器利用顯示屏中的現(xiàn)有層構(gòu)建觸控傳感器矩陣，一般是在公用電極(或VCOM層)上放置觸控傳感器矩陣，通過(guò)金屬層與矩陣互連。就如今的平面轉(zhuǎn)換(IPS)面板而言，這些層都位于TFT玻璃上。

　　另一種內(nèi)嵌式集成屬于混合式設(shè)計(jì)，其中觸控傳感器的發(fā)送層內(nèi)嵌在TFT玻璃中，而接收層則外嵌到濾色玻璃上。這種方式稱為混合多點(diǎn)內(nèi)嵌式(Hybrid In-Cell)設(shè)計(jì)。為了避免混淆，術(shù)語(yǔ)“全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式(Full In-Cell)”指的是，發(fā)送和接收觸控傳感器層均位于基本單元之內(nèi)。這兩種內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)如圖2所示。

　　圖2 觸控傳感器發(fā)送層和接受層所處位置決定內(nèi)嵌式集成的類型

　　集成觸摸控制器IC和顯示驅(qū)動(dòng)器IC

　　控制觸控功能和顯示功能的IC以前分別由不同的供應(yīng)商提供。盡管使用獨(dú)立的疊層式顯示面板和外嵌式顯示屏?xí)r，這兩種獨(dú)立的IC可以集成到一起，但是好處有限，工作比較復(fù)雜，因?yàn)樯婕暗蕉嗉夜?yīng)商。相比之下，采用內(nèi)嵌式集成時(shí)，將觸摸控制器和顯示驅(qū)動(dòng)器集成到單個(gè)IC中更容易實(shí)現(xiàn)，而且好處也顯著增多。

　　現(xiàn)有智能手機(jī)和平板電腦的顯示功能可能是由單一顯示驅(qū)動(dòng)器IC(DDIC)控制的，而觸控功能則可能由獨(dú)立的觸摸控制器IC控制。在采用外嵌式顯示屏的設(shè)計(jì)中，DDIC總是位于TFT玻璃上，這種方式稱為(Chip-On-Glass，簡(jiǎn)稱COG)，而觸摸控制器IC通常位于柔性印刷電路板(FPC或flex)上，這種方式稱為柔性印刷電路板外嵌芯片(Chip-On-Flex，簡(jiǎn)稱COF)。在這類設(shè)計(jì)中，在主機(jī)和顯示面板之間通常有兩塊FPC：一個(gè)用于TFT玻璃上的DDIC;另一個(gè)用于觸摸控制器。

　　采用全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式顯示屏設(shè)計(jì)的智能手機(jī)和平板電腦僅需要一個(gè)FPC，就可以連接顯示屏和觸控傳感器，如圖3所示。既然可以僅用一個(gè)FPC，那么將觸摸控制器和顯示驅(qū)動(dòng)器集成到一個(gè)IC中，也就十分合理了，這種僅用一個(gè)IC的方式稱為觸控與顯示驅(qū)動(dòng)器集成(TDDI)。因?yàn)樵揑C本身有一個(gè)CPU(用于觸控信號(hào)處理)，而且該IC安裝在TFT玻璃上，所以這種集成式解決方案有時(shí)又稱為TDDI助力的“智能顯示屏”。

　　圖3 采用全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式設(shè)計(jì)時(shí)，僅需要一塊柔性印刷電路板(FPC)

　　請(qǐng)注意，TDDI還可用于混合多點(diǎn)內(nèi)嵌式解決方案。在這種解決方案中，通常會(huì)采用第二塊FPC，以將(TFT玻璃上的TDDI芯片的)接收器引腳連至濾色玻璃上的接收器電極，如圖3所示。這第二塊FPC僅含有信號(hào)選路電路，其上沒(méi)有任何有源組件。

　　TDDI解決方案的架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)絕非微不足道。為了提高顯示噪聲管理和電容檢測(cè)性能，現(xiàn)在的最新設(shè)計(jì)在觸控檢測(cè)功能和顯示更新功能之間實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)和同步。這樣的設(shè)計(jì)不再像獨(dú)立的疊層式顯示面板和外嵌式顯示屏那樣受到諸多限制，后者的觸控功能和顯示功能通常是相互獨(dú)立運(yùn)行的。

　　顯示集成解決方案的優(yōu)勢(shì)

　　在內(nèi)嵌式顯示屏和IC層面集成觸控和顯示功能，可以產(chǎn)生一些顯著優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)可以劃分成兩類：有利于工程、制造和支持工作的優(yōu)勢(shì);提升智能手機(jī)或平板電腦設(shè)計(jì)品質(zhì)的優(yōu)勢(shì)。

　　工程、制造和支持方面的優(yōu)勢(shì)

　　在顯示屏疊層和IC層面集成觸控功能和顯示功能，可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，有助于加速新設(shè)備上市，這在快速變化的市場(chǎng)上，可為設(shè)備制造商帶來(lái)顯著的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　由于所需組件減少，供應(yīng)鏈效率提高，因此制造成本最大限度地降低了。在全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式集成中，少用了一塊FPC，還少用了一個(gè)IC。LCD制造商交付的顯示面板具備全面集成的觸控功能，因此由分離式傳感器貼合過(guò)程導(dǎo)致的產(chǎn)量損失問(wèn)題實(shí)際上不復(fù)存在了。隨著組件和供應(yīng)商減少，組裝步驟也減少了，相應(yīng)地組裝中可能出現(xiàn)的問(wèn)題也減少了，而且設(shè)備停留于在制過(guò)程的時(shí)間也減少了。圖4比較了不同疊層式顯示面板的價(jià)格，其中全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式/TDDI設(shè)計(jì)的價(jià)格是最低的。

　　圖4 與分離式GFF參考設(shè)計(jì)相比，顯示集成技術(shù)可顯著降低成本。全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式集成與TDDI相結(jié)合，構(gòu)成了目前成本最低的解決方案。

　　由一個(gè)供應(yīng)商負(fù)責(zé)提供觸控屏顯示面板從左到右、從上到下的所有組件，就可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的“一站購(gòu)齊”式供應(yīng)鏈，這有益于工程、制造，尤其是持續(xù)不斷的支持服務(wù)。由單一供應(yīng)商全面負(fù)責(zé)提供觸控和顯示功能，還可簡(jiǎn)化故障排除工作。

　　設(shè)備設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)

　　同時(shí)在顯示屏和IC層面集成觸控和顯示功能，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)美簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)，使設(shè)備線條更加流暢，功能更加豐富。與分離式設(shè)計(jì)相比，采用全面多點(diǎn)內(nèi)嵌式顯示屏，顯示面板更薄。顯示屏的邊框也更窄，因?yàn)闊o(wú)需在顯示面板側(cè)邊或頂面增加布線空間。顯示面板更薄，就可以實(shí)現(xiàn)更薄的設(shè)備，或者為其他功能提供更多空間，例如增加內(nèi)存或電池容量。同時(shí)顯示屏邊框較窄，玻璃鑲嵌凹槽就可以更窄，而這正是從設(shè)備的全尺寸無(wú)邊框顯示屏所需要的。

　　內(nèi)嵌式技術(shù)與TDDI相結(jié)合，還提高了性能，因?yàn)槟軌蚋綦x和同步顯示更新功能與觸控檢測(cè)功能，因此顯示屏可以更快地響應(yīng)觸控。此外，由于觸控和顯示功能同步，所以基本消除了干擾觸控檢測(cè)的顯示屏噪聲。這種噪聲問(wèn)題如果未得到適當(dāng)解決，就有可能引起功能問(wèn)題。如圖5所示，由于沒(méi)有獨(dú)立的觸控傳感器層衰減光線，所以內(nèi)嵌式顯示屏亮度提高大約10%，或者換一種說(shuō)法，內(nèi)嵌式顯示屏可以用較弱的背光照明提供同樣的亮度，從而延長(zhǎng)了電池壽命。

　　圖 5 將觸控傳感器直接集成到顯示屏疊層中，可以實(shí)現(xiàn)更薄、更亮的顯示屏，還能簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈。

　　最后，因?yàn)橛|控與顯示功能集成簡(jiǎn)化了設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，所以這種集成還提高了設(shè)備的總體可靠性，因?yàn)闊o(wú)需貼合多個(gè)功能層，減少了可能產(chǎn)生的故障或失效情況。相比之下，在貼合分離式疊層顯示面板中，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)計(jì)本身的問(wèn)題時(shí)，由于需要涉及多家供應(yīng)商，因此難以及時(shí)解決問(wèn)題。

　　結(jié)論

　　觸控屏已成為智能手機(jī)和平板電腦的標(biāo)配，而且由于用戶希望設(shè)備使用簡(jiǎn)捷便利，所以觸控屏正日益成為筆記本電腦和一體化臺(tái)式PC的常見(jiàn)配置。盡管對(duì)于怎樣將觸控和顯示功能納入觸控屏，現(xiàn)在有很多不同技術(shù)可用，不過(guò)在主流移動(dòng)市場(chǎng)上，采用TDDI的內(nèi)嵌式顯示屏正在迅速成為新設(shè)備的首選。

　　圖6 分離式疊層顯示面板正讓位于基于顯示集成的設(shè)計(jì)

　　以前的疊層式顯示面板的設(shè)計(jì)和制造方式引起了一些問(wèn)題，內(nèi)嵌式/TDDI設(shè)計(jì)之所以迅速普及，是因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)能夠解決這些問(wèn)題。由不同公司自主決定怎樣給顯示屏增加觸控傳感器，以及分離式疊層顯示面板的多個(gè)層由不同公司提供，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)比較復(fù)雜、成本上升、運(yùn)行可靠性下降。觸控和顯示功能的全面集成和同步解決了這些問(wèn)題，并帶來(lái)了其他一些優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)更薄、更智能的設(shè)備，并因此讓用戶更滿意。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　Kevin Barber，自2011年1月開(kāi)始，擔(dān)任Synaptics公司高級(jí)副總裁兼智能顯示事業(yè)部(SDD)總經(jīng)理。在加入Synaptics公司前，曾先后就職于美國(guó)科勝訊系統(tǒng)公司、思佳訊公司、PRTM咨詢公司和ACCO半導(dǎo)體公司，擁有超過(guò)15年的組織與管理經(jīng)驗(yàn)，以及豐富的移動(dòng)通信領(lǐng)域?qū)I(yè)經(jīng)驗(yàn)。