觸控螢幕為什麼能感應手指？電容式觸控面板的原理

生活中的例子：用手觸碰操作的螢幕

手機和平板，只要用手指在螢幕上滑動就能操作。車站的售票機、銀行的ATM、汽車導航、工廠機器的操作面板，也都有用手觸碰操作的螢幕。像這樣感應螢幕哪裡被碰到的零件，稱為觸控面板。

觸控面板有好幾種方式。本文介紹其中兩種代表性的方式。一種是靠按壓力量反應的「電阻式」，另一種是現在手機主流的「電容式」。也有利用聲波或光的方式，這裡先省略。

按下才反應：電阻式

電阻式面板，是把兩片透明的板子或薄膜，隔著一點點空隙疊在一起。相對的兩面上，都有一層會導電的透明膜。空隙靠許多點狀的小支撐物維持。

按下上層的薄膜，它會彎曲並碰到下層的膜。這層膜故意做得稍微不容易導電。在兩端加上電壓，膜上的電壓就會隨位置一點一點改變。用另一層膜讀出接觸點的電壓，就知道那一點離邊緣有多遠。縱向和橫向各讀一次，位置就確定了。

電壓依長度比例分配的這種關係，可以用「分壓電路計算工具」改變數字試試看。

因為是靠按壓的力量讓膜接觸，所以不只手指，戴手套的手指、塑膠筆或指甲也能反應。結構簡單、容易便宜製造，也是它的優點。因此常用在業務用終端機和機器的操作面板等地方。

它也有缺點。光要穿過好幾層膜，所以畫面看起來稍暗。表面是薄膜，容易被尖銳的東西刮傷。也不擅長同時分辨兩根以上的手指。不過，也有產品搭配專用的控制器，最多能處理兩根手指。

螢幕上的「透明電極」

讓電從電路流進去、或讀取電的變化的導電部分，稱為電極。觸控面板把這種電極放在螢幕上面。一般的金屬膜不透光，直接放上去就看不到畫面。所以要使用既能導電、又能讓光充分通過的特殊材料。

代表性的材料，是銦和錫的氧化物。它稱為氧化銦錫，取英文字首簡稱ITO。在手機常見方式的面板中，電極也主要使用ITO。

也有取代ITO的材料。一種是把細到看不見的金屬線做成網格，另一種是散布極細銀線的薄膜。例如三菱電機就推出了不用ITO、以細金屬配線製作感測器的工業用面板。

手指扮演「導電的物體」

為了理解電容式，先來看看「儲存電荷的性質」。把兩片導電的板子隔著空隙面對面，加上電壓。這時，一片板子會累積正電荷，另一片會累積負電荷。

在相同電壓下，能儲存多少電荷？這個量稱為電容。板子越大、兩片靠得越近，電容就越大。利用這個性質儲存電荷的零件，就是電容器。

其實，人體也會導電。從面板的電極來看，指尖是「近在旁邊的導電物體」。而且，手指連著很大的身體。手指靠近時，電極周圍電的狀態會改變，電容也會稍微改變。測量這個變化的，就是電容式。

手指碰到的是表面的玻璃，並沒有直接碰到電極。這種隔著玻璃感應變化的方式，稱為投射電容式，英文簡稱PCAP。

原理1：檢查縱橫電極的交叉點

投射電容式的面板中，細長的電極分成橫列和縱行排列。縱向和橫向的電極，中間隔著一層不導電的薄層交叉。電極的間距約數 mm，比指尖的寬度還窄。

觸控控制器會對其中一條橫向電極，送出快速變化的電訊號。這時，訊號會有一部分經由電容，傳到與它交叉的縱向電極。像這樣利用兩條電極之間電容的測量方式，稱為互電容式。

手指靠近交叉點時，橫向電極發出的電的影響，會有一部分偏向手指。手指後面連著很大的身體，偏過去的部分會流向身體，不會回到縱向電極。因此，到達縱向電極的訊號會稍微減少。也就是說，手指碰觸時，那個交叉點的電容會變小。

控制器會依序切換送出訊號的橫向電極，測量所有交叉點的值。這個動作每秒重複很多次。值下降的交叉點，就是手指所在的位置。這裡只說明基本概念，實際的晶片還有更多巧思，例如同時使用好幾條電極。

手指的寬度，通常比電極的間距寬。所以在手指下方，相鄰好幾條電極的值都會改變。比較變化量的大小，甚至能算出手指位於電極與電極之間的哪裡。

原理2：能分辨好幾根手指的原因

另一種測量方式，是逐條測量每條電極對周圍整體能儲存多少電荷。這稱為自電容式。手指靠近時，電極旁多了一個「導電的物體」，所以能儲存的電荷會增加。

三菱電機2017年的論文指出，自電容式在靈敏度上有利，互電容式則在分辨多根手指上有利。自電容式有個弱點：如果縱向和橫向的電極分開測量，就很難分辨兩根手指。

例如，同時碰觸斜對角分開的兩個地方。這時可以知道，有反應的橫向電極有2條、縱向電極有2條。可是，這些電極組合出的交叉點有4個。真正的2點，和沒有碰到的另外2點，無法區分。這種假的點稱為「鬼點」。

互電容式是逐一測量交叉點，所以不會出現這種混淆。不管有幾根手指，值下降的交叉點都會指出各自的位置。現在手機的觸控偵測，主要採用這種互電容式。

實際的產品，有時也會結合兩種測量方式。三菱電機2017年的論文中，用結合的方式，最多可分辨10根手指。

觸控控制器：測量、計算、通知

對電極送出訊號、測量微小的變化，是稱為觸控控制器的專用晶片的工作。手指造成的變化非常小，很容易被周圍電的干擾（雜訊）淹沒。所以會用一些方法減少雜訊的影響，例如重複多次相同的測量再加總。

控制器從測得的值算出手指的位置，再通知手機運算核心的晶片（SoC）。讀取數值、計算、傳出結果的流程，很像「微控制器（MCU）是什麼？」中「讀取→判斷→驅動」的循環。

來看看測量次數的例子。三星表示，2023年發表的Galaxy S23系列在遊戲模式下，每秒檢查觸控240次。也就是大約每4毫秒一次。次數越多，就越能精細地追蹤快速移動的手指。

也有產品把在螢幕上顯示畫面的電路，和觸控控制器整合成一顆晶片。美國的Synaptics在2015年，推出了這種用於手機和平板的單晶片產品。

怕水、手套和雜訊的原因

水也會改變電極周圍電的狀態。所以螢幕濕的時候，可能把水滴誤認成手指，或讓手指的反應變得不穩。水滴改變數值的方式和手指不同，也有方法利用這個差異來辨別水滴。

戴上手套後，大多數情況下螢幕就不會反應。因為手套的布料不容易導電，手指和電極的距離也拉遠，變化就變得非常小。不過，只要讓電極更容易導電、再調整晶片，也能抓到隔著手套的微弱變化（Nissha的資料）。三菱電機2017年的論文也報告了一種工業用面板，戴著厚的耐熱手套、或有水滴附著時也能操作。

電的雜訊也是一大困擾。從充電器或螢幕電路進來的雜訊，會混進手指造成的微小變化中。因此，也有觸控控制器具備抑制充電器和螢幕雜訊的功能（例如Microchip的產品）。

螢幕和觸控感測器怎麼疊在一起

觸控感測器和顯示畫面的螢幕（液晶或OLED），是功能不同的兩個零件。以前一般的做法，是把做好電極的玻璃或薄膜，貼合在螢幕上面。這種疊法多了好幾層，所以會變厚、變重。

因此，把感測器直接做進螢幕零件的方法普及起來。在顯示面板的上表面直接製作電極的方式，稱為外嵌式（on-cell）。三星顯示器把觸控感測器做進OLED面板裡。2023年，它宣布要把這項技術擴展到筆記型電腦用的大螢幕。

更進一步，把感測器放進螢幕內部的方式，稱為內嵌式（in-cell）。這是讓液晶裡原本就有的層，也兼做觸控偵測的結構。不需要事後再貼一片觸控專用的面板，所以能做得更薄、更輕。日本顯示器公司（Japan Display）等，就在生產這種液晶面板。

觸控筆怎麼讓螢幕反應？

手機用的簡易觸控筆中，有些筆尖是用導電的橡膠或纖維做成（例如Sanwa Supply的產品）。筆尖透過握筆的手在電氣上相連，代替手指改變電極周圍電的狀態。這種不用電池的筆，稱為被動式觸控筆。

靠電池或充電運作的主動式觸控筆，會從筆尖自己發出電訊號。面板接收這個訊號，所以即使筆尖很細，也容易抓到位置。Wacom利用電容的方式，是用同一個控制器處理筆和手指的觸控。

Wacom也有另一種方式，是從放在螢幕背面的另一片感測板，對沒有電池的筆供電。這種方式用的不是電容，而是電與磁的作用（電磁感應）。

用手指觸碰的螢幕的發展

1965年，英國皇家雷達研究所的E. A. Johnson，在論文中發表了能感應手指觸碰的螢幕。它用螢幕上張設的細線，把手指的靠近感應為電容的變化。這常被舉為電容式觸控螢幕的第一個例子。

2007年，Apple發表了iPhone。特色是用手指操作、可多點觸控（同時使用好幾根手指）的大螢幕。來看看業界雜誌Information Display在2010年的文章。投射電容式在2006年還幾乎沒沒無聞。到了2009年，卻急速成長為觸控方式中的第2名。

常見的誤解

從數字來看

Galaxy S23的螢幕，每秒最多重繪畫面120次（根據三星的規格）。在遊戲模式下，等於畫面每重繪1次，就檢查2次觸控。檢查觸控比更新畫面更頻繁，就能更快回應手指的動作。

進一步學習

• 用表格看差異：電容式與壓阻式MEMS感測器的差異（把同樣「測量電容變化」的概念用在感測器上的例子）、串聯與並聯的差異（連接電容器時的電容）
• 下一步的用語：電容式感測（從電容的變化得知動作或位置的方式）、時間常數（電容器充電的快慢）
• 用數字試試看：RC 時間常數計算工具（電容器經由電阻充電的情形）
• 相關文章：「影像感測器是什麼？」（把光變成電、手機裡的另一種感測器）、「積體電路（IC）是什麼？」