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科学小讲堂：一次看懂苹果的3D touch

发表于：2024-11-15 作者：巴士阿叔

编辑最后更新 2024年11月15日，早期的手机屏幕只能用来“看”，触摸技术的发明让人可以和屏幕在2D的平面上进行互动，而Apple公司日前推出的iPhone6s结合了In-cell面板、形变感测器(Strain sensor)、触觉引擎(Taptic engine)开启了智能触摸新时代，到底什么是3D touch技术?什么又是In-cell

　　早期的手机屏幕只能用来“看”，触摸技术的发明让人可以和屏幕在2D的平面上进行互动，而Apple公司日前推出的iPhone6s结合了In-cell面板、形变感测器(Strain sensor)、触觉引擎(Taptic engine)开启了智能触摸新时代，到底什么是3D touch技术?什么又是In-cell面板呢?

　　2D触摸：让面板活了起来

　　LCD面板原本只是用来显示影像的，使用者只能单向接收影像讯息，触摸面板的出现，让使用者可以与面板互动，让面板活了起来。触摸面板的种类很多，目前手机所使用的“多点触摸(Multi touch)”面板大多使用“投射式电容触摸(Projected capacitive touch)”技术。投射式电容触摸的触摸线路(Sensor pattern)主要有驱动线路(Tx)与感测线路(Rx)，分别有水平线与垂直线密密麻麻的分布在整个面板，如图一(a)所示，我们可以想像驱动线路(Tx)“投射(Projected)”出电力线，经由绝缘体(液晶或空气)到达感测线路(Rx)形成“电容(Capacitor)”，如图一(b)所示，由于人体本身就是导体，当我们的手指摸到触摸面板时，不需用力就会影响电力线改变电容的大小，经由感测线路(Rx)所量测到电容大小的变化就可以计算出手指接触的位置，如图一(c)所示。

　　▲图一：投射式电容触摸示意图。(a)驱动线路与感测线路在上下不同的导电玻璃上;(b)与(c)驱动线路与感测线路都在下方的导电玻璃上。

　　触摸线路(Sensor pattern)的驱动线路(Tx)与感测线路(Rx)到底要做在那里比较好呢?每一家公司各有自己的技术与专利，基本上各有优缺点，并没有决对的好坏，简单从图一(c)的液晶面板构造可以看出，能够制作触摸线路的地方不外乎前导电玻璃的上方或下方、后导电玻璃的上方三个位置。

　　一般而言，驱动线路(Tx)都在后导电玻璃的上方，这样电力线才会由下向上投射出来，而感测线路(Rx)每一家公司设计的位置则不相同，Sony与JDI的“Pixel Eyes”把Rx制作在前导电玻璃的上方，如图二(a)所示;Samsung把Rx制作在前导电玻璃的下方，如图二(b)所示;Apple把Rx制作在后导电玻璃的上方，也就是与Tx制作在同一个地方，因此制程最复杂成本最高，如图二(c)所示。

　　▲图二：触摸线路的驱动线路(Tx)与感测线路(Rx)位置示意图。(Source：Noun Project)

　　3D触摸：让面板变得更有智能

　　前面介绍的触摸线路(Sensor pattern)分别有水平线与垂直线密密麻麻的分布在整个面板，所以是属于2D平面的触摸技术，只能计算出使用者手指接触面板的X与Y座标位置，无法知道手指下压的力道，3D触摸的出现，让使用者下压的深度Z座标也能够传达给手机，让面板变得更有智能。

　　iPhone 6s所使用的“3D触摸(3D Touch)”目前公开的资料不多，根据Apple公司官方网站上的影片介绍，可以看出有两个重要的设计：

　　1.形变感测器(Strain sensor)：在LCD面板下方另外安装8×12=96个形变感测器(注)，当使用者的手指下压保护玻璃，玻璃受力会向下产生微小的形变，如图三(a)所示，而使保护玻璃与形变感测器之间的矩离变短，再配合加速度感测器(Accelerometer)量测到的讯号，经由复杂的数学演算法可以快速且即时的计算出下压的力量大小，由于是使用演算法间接估计，因此精确度不高，基本上只分为“轻压(Peek)”与“重压(Pop)”。任何一个形变感测器侦测到的讯号可以和周围其他形变感测器侦测到的讯号比较，就知道手指下压的位置与力量大小。

　　注：由于Apple公司公开的资料不足，这8×12=96个形变感测器在影片中只含糊的以“Touch sensor”带过，但是根据Apple公司的相关专利，是形变感测器的机会很高。

　　2.触觉引擎(Taptic engine)：是一个可以产生微小振动的机械元件，如图三(b)所示，提供使用者即时的触觉反馈，当使用者轻压(Peek)时产生10毫秒的“微震(Mini tap)”，当使用者重压(Pop)时产生15毫秒产生“全震(Full tap)”，使用者会觉得就好像真的按下按键一样，手机的触觉反馈让使用者感觉手机好像是活的。

　　结合上面两种元件，经由形变感测器侦测使用者下压的力量大小，再经由触觉引擎提供使用者即时的触觉反馈，让触摸变得更有智能，也为使用者创造了更完美的触摸新体验。

　　▲图三：iPhone 6s的3D触摸(3D Touch)技术结合了8×12=96个形变感测器(Strain sensor)与触觉引擎(Taptic engine)。(Source：Noun Project、苹果)

　　LCD面板的基本原理与构造

　　手机由于体积小又由电池供电，因此显示器必须符合轻薄省电的要求，目前主要是使用“液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)”。

　　LCD的构造如图四所示，由下而上顺着光前进的路径依序有背光模组(Back light)、后偏光片(Polarizer)、后导电玻璃、薄膜电晶体(Thin Film Transistor，TFT)、液晶(Liquid crystal)、彩色滤光片(Color filter)、前导电玻璃、前偏光片(Analyzer)、保护玻璃(Cover glass)等，构造与原理有些复杂，这里我们不详细介绍。

　　手机由于尺寸要小又要省电，因此使用发光二极体(Light Emitting Diode, LED)做为光源，导电玻璃是在玻璃基板上成长薄薄的一层“氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)”形成可以导电的玻璃，ITO是一种陶瓷(金属氧化物)，几乎所有的陶瓷都是绝缘体，但是ITO不但可以导电，而且在厚度很薄的时候还是透明的，能够让可见光穿透，因此大量应用在各种光电元件上。

　　此外，必须在后导电玻璃上方使用半导体制程技术成长“开关元件”，最简单的开关元件就是“MOS”，但是MOS具有金属、氧化物、半导体的结构，必须成长在矽晶圆上才行，要在导电玻璃上成长开关元件不能使用MOS，必须另外设计一种开关元件，它的工作原理和MOS很像，我们称为“薄膜电晶体(Thin Film Transistor，TFT)”。

　　在后导电玻璃上有TFT开关元件的面板称为“主动矩阵式(Active matrix)”，开关在像素旁边所以反应比较快;没有TFT开关元件的面板称为“被动矩阵式(Passive matrix)”，这种面板的开关元件做在面板外的印刷电路板(PCB)上，开关距离像素比较远所以反应比较慢，那大家猜猜什么是AMOLED?有机发光二极体(Organic Light Emitting Diode，OLED)也有后导电玻璃，所以AMOLED就是指后导电玻璃上有TFT开关元件。

　　▲图四：LCD面板的基本原理与构造。(Source：Flickr/Jakub Vacek CC BY 2.0、Flickr/Osman Kalkavan CC BY 2.0、Noun Project)

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

　　LCD的制作流程是先在“前导电玻璃”下方的ITO侧制作开关线路与彩色滤光片;在“后导电玻璃”上方的ITO侧制作开关线路与TFT;再将前后两片导电玻璃的ITO侧面对面夹起来，并将液态的液晶注入两片导电玻璃之间，形成图四(b)的构造，这个流程通称为“面板工程(Cell engineering)”，因此两片导电玻璃与之间的区域就通称为“面板(Cell)”。

　　触摸面板需要“触摸线路(Sensor pattern)”来确定使用者手指点选的位置，触摸线路如果先制作在保护玻璃(Cover glass)上再以黏着剂贴合在面板(Cell)的前导电玻璃上方(也就是在Cell外面)，则称为“Out-cell”，如图五(a)所示。

　　触摸线路如果直接制作在面板(Cell)的前导电玻璃上方(也就是在Cell上面)，则称为“On-cell”，如图五(b)所示;触摸线路如果直接制作在面板(Cell)的前后导电玻璃之间(也就是在Cell里面)，则称为“In-cell”，如图五(c)所示。由图中可以看出In-cell最大的优点就是厚度薄，因此目前已经成为智能手机面板的主流，但是也有价格高与触摸线路易受TFT与开关线路干扰的问题，因此Out-cell与On-cell仍然有存在价值，可以应用在其他大尺寸或对厚度要求比较不计较的产品上。