一次看懂 iPhone 6s的3D touch 與 In

關(guān)鍵詞： 3D touch , In-cell , iPhone6s

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(dòng)，而 Apple 公司日前推出的 iPhone 6s 結(jié)合了 In-cell 面板、應(yīng)變傳感器（Strain sensor）、觸覺引擎（Taptic engine）開啟了智能觸摸新時(shí)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(dòng)，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(diǎn)觸摸（Multi touch）”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(dòng)線路（Tx）與感測(cè)線路（Rx），分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個(gè)面板，如圖一（a）所示，我們可以想像驅(qū)動(dòng)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(cè)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(shí)，不需用力就會(huì)影響電力線改變電容的大小，經(jīng)由感測(cè)線路（Rx）所量測(cè)到電容大小的變化就可以計(jì)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(dòng)線路與感測(cè)線路在上下不同的導(dǎo)電玻璃上；（b）與（c）驅(qū)動(dòng)線路與感測(cè)線路都在下方的導(dǎo)電玻璃上。（Source：Noun Project）

觸摸線路（Sensor pattern）的驅(qū)動(dòng)線路（Tx）與感測(cè)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(diǎn)，并沒有決對(duì)的好壞，簡(jiǎn)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(gè)位置。

一般而言，驅(qū)動(dòng)線路（Tx）都在后導(dǎo)電玻璃的上方，這樣電力線才會(huì)由下向上投射出來，而感測(cè)線路（Rx）每一家公司設(shè)計(jì)的位置則不相同，Sony與JDI的“Pixel Eyes”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(gè)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(dòng)線路（Tx）與感測(cè)線路（Rx）位置示意圖。（Source：Noun Project）

3D 觸摸：讓面板變得更有智能

前面介紹的觸摸線路（Sensor pattern）分別有水平線與垂直線密密麻麻的分布在整個(gè)面板，所以是屬于 2D 平面的觸摸技術(shù)，只能計(jì)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。

iPhone 6s 所使用的“3D 觸摸（3D Touch）”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(gè)重要的設(shè)計(jì)：

1. 應(yīng)變傳感器（Strain sensor）：在 LCD 面板下方另外安裝 8×12=96 個(gè)應(yīng)變傳感器（注），當(dāng)使用者的手指下壓保護(hù)玻璃，玻璃受力會(huì)向下產(chǎn)生微小的形變，如圖三（a）所示，而使保護(hù)玻璃與應(yīng)變傳感器之間的矩離變短，再配合加速度感測(cè)器（Accelerometer）量測(cè)到的訊號(hào)，經(jīng)由復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法可以快速且即時(shí)的計(jì)算出下壓的力量大小，由于是使用算法間接估計(jì)，因此精確度不高，基本上只分為“輕壓（Peek）”與“重壓（Pop）”。任何一個(gè)應(yīng)變傳感器偵測(cè)到的訊號(hào)可以和周圍其他應(yīng)變傳感器偵測(cè)到的訊號(hào)比較，就知道手指下壓的位置與力量大小。

2. 觸覺引擎（Taptic engine）：是一個(gè)可以產(chǎn)生微小振動(dòng)的機(jī)械元件，如圖三（b）所示，提供使用者即時(shí)的觸覺反饋，當(dāng)使用者輕壓（Peek）時(shí)產(chǎn)生 10 毫秒的“微震（Mini tap）”，當(dāng)使用者重壓（Pop）時(shí)產(chǎn)生 15 毫秒產(chǎn)生“全震（Full tap）”，使用者會(huì)覺得就好像真的按下按鍵一樣，手機(jī)的觸覺反饋?zhàn)屖褂谜吒杏X手機(jī)好像是活的。

結(jié)合上面兩種元件，經(jīng)由應(yīng)變傳感器偵測(cè)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(shí)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(yàn)。

圖三：iPhone 6s 的 3D 觸摸（3D Touch）技術(shù)結(jié)合了 8×12=96 個(gè)應(yīng)變傳感器（Strain sensor）與觸覺引擎（Taptic engine）。（Source：Noun Project、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（Liquid Crystal Display，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（Back light）、后偏光片（Polarizer）、后導(dǎo)電玻璃、薄膜電晶體（Thin Film Transistor，TFT）、液晶（Liquid crystal）、彩色濾光片（Color filter）、前導(dǎo)電玻璃、前偏光片（Analyzer）、保護(hù)玻璃（Cover glass）等，構(gòu)造與原理有些復(fù)雜，這里我們不詳細(xì)介紹（對(duì) LCD 工作原理有興趣請(qǐng)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（Light Emitting Diode, 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（Indium Tin Oxide，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(shí)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(jiǎn)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)，必須成長在硅晶圓上才行，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(jì)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（Thin Film Transistor，TFT）”。

在后導(dǎo)電玻璃上有 TFT 開關(guān)元件的面板稱為“主動(dòng)矩陣式（Active matrix）”，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(dòng)矩陣式（Passive matrix）”，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（Organic Light Emitting Diode，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 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(duì)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(gè)流程通稱為“面板工程（Cell engineering）”，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(shí)面板工程的步驟還蠻復(fù)雜的。

觸摸面板需要“觸摸線路（Sensor pattern）”來確定使用者手指點(diǎn)選的位置，觸摸線路如果先制作在保護(hù)玻璃（Cover glass）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(diǎn)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(jià)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(jià)值，可以應(yīng)用在其他大尺寸或?qū)穸纫蟊容^不計(jì)較的產(chǎn)品上。

圖五：觸摸線路的位置示意圖（圖中省略彩色濾光片）。