技术前沿：触控技术——万物交互起源

触控是人与人，人与机器，甚至机器与机器间的一种广泛应用交互技术，是数字化时代的核心技术之一。

通常认为，英国马尔文皇家雷达研究所的约翰逊(E.A. Johnson)是第一个提出触摸显示概念的人。1965年，约翰逊在《电子通报(Electronics Letters)》杂志上发表一篇简短论文，题为《触摸显示：一种新的电脑输入/输出设备(TouchDisplay-A novel input/output device for computers)》，文中提出一种作为输入/输出装置的触摸显示设想：用手指在一块复合玻璃屏(内表面涂覆氧化铟锡(ITO)类的透明金属氧化物层，四角有四个电极)上的触摸产生感应静电电容，通过电容变化的测量实现对玻璃屏触摸动作的计算(后来被称为电容式触摸屏)。

1967年，约翰逊将自己的设想变成了现实，制造出人类历史上第一块触摸屏。他在《人体工程学(Ergonomics)》杂志上发表了题为《触摸显示：编程人机界面(Touch Displays: A Programmed Man-Machine Interface)》的论文，并附上了第一块触摸屏的照片和原理图。约翰逊的发明在1969年被授予美国专利(US patent3482241)。

再到1970年由两位CERN(European Council for Nuclear Research)的两位工程师在1970年代初期发明的透明触控面板，并且与1973年投入使用。再后来到1975年一个美国人George Samuel Hurst发明了电阻式触控面板并拿到美国专利(#3,911,215)，并于1982年投入商用。

SPS则于1976年6月开始运行，它的控制室配备了触摸屏——这是世界上第一个使用这种电容式触摸屏的大型装置。这类触摸屏还被用于其它大型装置以及规模更大的大型正负电子对撞机的现代化控制系统。神奇的是：有的触摸屏居然运行了20-30年，直到2008年CERN为规模更大的大型强子对撞机(LHC)安装了新的控制室。

这种触摸屏技术1977年就在商业上得到了应用，被出售给CERN的其他用户、其它研究机构，以及希望在自己控制系统中使用该项技术的公司。这种触摸屏的用户遍布世界各地：喷气式飞机上、英国卢瑟福实验室、日本高能加速器研究机构(KEK)、日本三菱公司、丰田公司、丹麦及德国的一些机构……

触控面板的技术要点

从技术原理角度来讲，触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的；其次它是绝对坐标，手指摸哪就是哪，不像鼠标需要一个光标作为相对定位用，所以很容易分散注意力，因为你要时时关注光标在哪里。

各类触控技术

电阻式触摸屏

原理是有2层相邻的导电层，导电面和导电面相对，中间用透明的绝缘的点隔开，当手指压下后，导致2个导电面接触，从而改变电阻或者电压，以此来定位。

优点是材料便宜，生产工艺简单，良率高，触控的精度也高，可以做多点触控，可以戴手套操作；缺点是显示效果差，清晰度不高，表面的耐刮PET只有2-3H，很容易被划伤。触控的精度经常需要校正。同时屏幕不能做到很大，适用中小尺寸。

目前电阻屏在市场上很少了，主要有一些工控屏和一体机等。工业环境很多都需要戴手套，如果手套等不经过改进的话，是不能操作的，而电阻屏，不管用什么，给个压力就可以了。另外曾经说车载触控会用这个方式，因为触控需要用稍大的力使表面的PET变形，才能起到触控，这样对车主有确认操作的印象，而常见的电容屏，轻轻一碰就反应，容易驾车误操作。正是有这些特点，这个电阻式的触摸屏也一直存在着。

表面电容式

原理是在玻璃表面涂上一层透明的ITO导电层，再在这个导电层外面涂上一个透明保护涂层，工作的时候，在屏幕四个角施加均匀的电压，当导体（手指）接触时带走电流，四个角从流出的电流计算位置，从而定位。

优点是成本低，功耗等使用成本也低，使用寿命也长。缺点是功能单一，无法支持手势识别等，且触控的稳定性比较差，经常出现漂移等现象，使用体验效果不佳。

表面电容支持大尺寸的触控，但是由于功能比较单一，所以在市场上比较少。

投射电容式

原理是触摸屏玻璃下2层导电层感应手指的触控处电容的变化来定位。

优点是适用多种尺寸，显示效果佳，支持多种触控手势，触控精度高，功耗低，使用寿命长，可以做成纯平，窄边框，折叠等屏幕，抗干扰能力也不错；缺点是成本相对偏高，工艺略复杂。

投射电容目前是最流行的触控方式之一，从手机，手表，大尺寸触控等，适用性很广。

红外式触控

原理是在显示器四边装上光点感应框，屏幕表面无需涂层等。四边的光点感应框排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某个点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，电脑即时算出触摸点位置。

优点是便宜，便宜，便宜，且能够做大尺寸。缺点是使用效果差，响应速度相对慢，精确度取决于红外的管距，，必须在四周加边框，不能做成纯平面；光学油污温度等都会影响触控，容易受干扰，功能单一。

目前中大尺寸的触控屏市场，八成以上都是红外屏，但是我相信随着整个5G的发展，很多行业对触控要求的增加，以及其他触控方式的完善和成本下降，应该会改变这个局面的。

表面声波屏

原理是在玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。触控的震动干扰发出的超声波而定位。

优点是光学性能好，耐用。缺点是不支持拖拉，结构笨重，成本偏高，而且对细小的位置触控也不灵敏。

振波式触摸屏

原理是在屏幕的四个角上安装振波接收装置，通过计算振波到达角落的时间、强度差定位。

优点是透明性好，表面损坏不影响使用，不受表面脏污干扰，纯屏结构；缺点是角落易发生漂移。

高通在振波式上有很大的优势，除了这个大尺寸的应用，高通应用这个振波式运用在指纹识别上面，三星系列的手机很多用这个方式解锁。

光学式

原理是在屏幕的两个或以上的角上安装微型摄像头，通过捕捉触摸物体造成对三个边缘的“阴影”。而屏幕的图像也可以使用投影仪播放出来。一般博物馆等大型的场馆会使用这种方式。

优点是尺寸较大，光学性能好，可以立体投影或者曲面投影等；缺点是需要加边框而无法纯平，而屏幕的油污脏污等会影响触控，触控响应的时间较慢一点，整体的玻璃结构也比较厚，笨重一点。

电磁式

电磁触式控面板市场几乎全由日厂wacom主导，电磁式触控面板的透光率、高解析度高，反应灵敏，拥有Z轴感应能力，适合用来绘图，手写辨识等等，且无需直接触碰萤幕，即可触控的优点。电磁感应笔的精度，手写识别等非常适合在文字缝隙里划线、批注、记事，这是电子阅读器使用它的主要原因，而且电磁式触控模块有可挠式特生，可以搭配软件显示器，缺点就是，它依靠手写笔的电磁发射来定位，操作必须使用笔。所以使用e-ink屏的电子阅读器产品，都是电磁感应式的触摸，不能用手操作。

电磁感应式触摸屏结构简单，利于手写输入文字，还可以和其它触摸屏集成在一起，就能实现笔和手一起操作，因此广受欢迎。

压力触控Force Touch

Force Touch是Apple用于Apple Watch、全新MacBook和13英寸MacBook Pro的一项经过重新设计的触摸传感技术。通过它，设备可以感知用户点击的力度，根据力度的不同调出相应的不同功能。这一技术的推出，让Apple Watch如此小的操作空间也能够实现更多的互动。比如说，一个轻触的作用可能和平时的简单点击一样，而当你在浏览Safari时，一个加重力度的点击可能会为你弹出一个显示Wikipedia（维基）入口的窗口。

MacBook和全新MacBook Pro通过全面改造触控板的工作方式得到了现在的Force Touch触控板，Apple抛弃了传统的“跳板（ping board）”结构设计，取而代之的则是拥有四个传感器的Force Sensors。这些Force Sensors让用户可以在Force Touch触控板的任意地方点击，且操作效果毫无差异。以往触控板的“跳板”设计，用户很难在触控板的顶部及靠近键盘的地方操作，只能转移到底部。而现在拥有全新设计的触控板，让触感更轻松便捷。

除了以上所说的Force Touch技术，还有一个比较亮点的就是Tapic Engine。Tapic Engine可以更精细地感知用户的触摸动作，并会根据触摸的力度给出相应的震动反馈，让用户知道自己的行为是成功的。TechCrunch的Matthew Panzarino所说的，这种感觉就好像Force Touch触控板自己在点击，其实它本身并没有移动。而Force Sensors和Tapic Engine的绑定也算是Apple Watch中的主要新功能。

“触控板下面是一组震动马达，用于提供“力的回馈”，在有些应用中也被称为触觉技术。这种反馈可以忽悠你的手指，让你感觉自己在压一个中心按钮，是目前触控板的工作方式。这种反馈依赖一种被称为横向立场（LFFs）现象，让用户体验到震动触觉的“纹理”。”

Force Touch已经应用到了全新13英寸的MacBook上，著名的拆解网站iFixit已经对新MacBook Pro进行了拆解，你可以更加清晰地观察Force Touch触控板是如何运作的。

Force Touch触摸板的电磁线圈（来源：iFixit）

“磁性材料快速推拉安装在触控板下方的金属导轨，每次点击都会营造出一个“嗡嗡”的反馈。

进一步挖掘触摸板后，iFixit发现金属支架中似乎安装了变形测量器，这个测量器让触控板可以感觉到施加在触控板表面的力的大小。

显微镜下的变形测量器，测量器位于触摸板的四个角落附近（来源iFixit）

WIFI+投影的触控

原理是利用笔记本电脑的触控软件再用wifi无线信号快速传递到投影仪，这样就实现了即时的触控。

优点是显示效果佳，应用场景多样，大尺寸产品的成本也比较低。缺点是相对而言交互性略微差一点。

显示触控一定是越来越多，将来市场最强的方向是什么呢？目前来看，主要是以下一些方向，一是多点多手势等触控，满足多种应用场景，多点的话，至少10点以上，可以满足多人同时操作；二是触控的精度和速度需要不断提高；三是显示效果的提升；四是高可靠性，可以满足多种的外部使用环境，比如工业环境，室外环境等等。

最主流的三种触控技术对比

01

红外：屏幕的四边有红外发射管和红外接收管，对应形成横竖交叉的红外线矩阵。在屏幕表面形成红外线探测网，任何触摸物体可改变触点上的红外线而实现触摸操作。

优点：不受电流、电压、静电干扰，价格低廉、安装方便、稳定性优、使用寿命长、透光率高（达95%）。

缺点：红海市场，有凹槽不美观，不防尘不防水，怕强光。

02

电容：四边镀上了狭长的电极，内部形成了一个低电压交流场。屏幕覆盖着一层金属导电物质的透明薄膜层，当用户触摸电容屏时手指和工作面会形成一个耦合电容，于是手指会吸走一部分从屏幕四角的电极中流出电流。控制器通过对四个电流比例的精密计算，即可计算出接触点的位置。

优点：外观平整，防水防尘，不怕强光干扰；商业价值高。

缺点：成本相对较高；安装相对麻烦。

03

电磁：依靠电磁笔和感应器在操作过程中产生的磁场变化来进行判别，电磁笔为讯号发射端（transceiver），天线板为讯号接收端（receiver），当接近感应时磁通量发生变化，继而运算定义位置点。

优点：原笔迹书写、双笔双色，透光 率和解析度高，拥有Z轴感应能力，无需触碰即可触控。精度高。

缺点：成本相对较高；需要配合电磁笔。

三大主流触控技术解析

1) 电阻式(Resistive Touch)：用力真好

电阻式触控板主要由两片单面镀有ITO(氧化铟锡)的薄膜基板组成，上板与下板之间需要填充透光的弹性绝缘隔离物(spacer dot)来分开，如图所示，下极板必须是刚性的厚玻璃防止变形，而上极板则需要感应外力产生形变所以需要薄玻璃或者塑胶。

正常工作时，上下极板接电压并且处于断开状态，当外力按下时上极板发生形变与下极板接触导通，此时产生电压变化，通过此电压变化可以精确测量触摸点坐标(因为触摸上下极板接触后则上下极板由原来的整体电阻变成了一分为二的电阻，而电阻值分压值与它到边缘的距离成比例推算X、Y坐标的)。

所以电阻式触摸屏的精度主要取决于这个坐标电压的转换精度，所以非常依赖于A/D转换器的精度(力度大小的电压敏感性)。

因为电阻式萤幕透过压力操控，所以不一定要用手来控制，笔、信用卡等都可以操作，即使戴套也没关系，而且它和外界是隔离的所以它具有防尘防污的优势。不过如果「摸」得太轻，电阻式萤幕不会有反应，要用轻戳才行。

电阻式萤幕成本低廉、技术门槛低，而且，操作电阻式触控萤幕时需要轻敲，所以容易坏，而且灵敏度也不太好，画画、写字并不流畅。

2) 电容式(Capacitive Touch)：纵享轻滑

然而，真正带来智能手机风潮的是电容式触摸屏，它是由一片双面镀有导电膜的玻璃基板组成，并在上极板上覆盖一层薄的SiO2介质层。如图所示，其中上电极是用来与人体(接地)构成平板电容感测电容变化的，而下极板用来屏蔽外界信号干扰的。

工作时，上透明电极需要接电压并在四个角上引出四个电极，所以当手指触碰上面的SiO2层时，因人体是导电的，所以人体与上透明电极之间产生足够的耦合电容，并且根据与四个角(或周边)测量的电容值变化来计算出触控位置坐标(离触控位置越近则电容越大)。

多点触控的Projected Capacitive

但是这种表面电容式触控(Surface Capacitive)还是无法满足现在流行的多点触控，如果要实现多点触控必须要使用新技术叫做Projected-Capacitive Touch，它主要改变在于将表面的感应电极铺设成一层或两层并且进行图案化(主要是菱形)，一层负责X方向，一层负责Y方向，然后通过X方向和Y方向电极电容的变化来定位。

多点触控的Projected Capacitive主要有两种：

• 自电容(Self-Capacitive)
• 互电容(Mutual Capacitive)

自电容它是直接扫描每个X和Y的电极电容，所以当两个触摸点的时候会额外产生两个虚拟点(Ghost Points)，如图所示，左边为两层电极图形化示意图(多为菱形)，它只需要一层ITO层即可，通过光刻形成X和Y电极。右边为原理图，从原理图上看，当同时触摸(X2, Y0)和(X1, Y3)时，由于量测四个电极的电容，所以会额外多出两个点(X1, Y0)和(X2, Y3)，这就是Ghost Points，只能靠软件解决了。

虽然自电容有Ghost-Points的问题，但是自电容位置精准灵敏度高，最大的好处是它可以做Single layer ITO膜，但是到大尺寸(>15寸)的时候点数增加导致管脚增多，成本会很高，而且点数多了之后中间的线路会走不出来，必须要把ITO变细，所以电阻增大，而且点数多扫描时间也会增长，看似没有优势，但是现在苹果手机貌似就是在走自电容触控技术，这些技术应该都突破了。

而互电容(Mutual-Cpacitive or Trans-Capacitive)它需要两层ITO膜层，通过特殊的结构把X和Y电极在每个节点上分隔开，这样它扫描的就是节点(Intersection)电容，而不是电极电容了。只是这两层ITO在交点处的接触必须隔开，需要用到MEMS技术将它类似立交桥架起来。

不管是自电容还是互电容，都是依赖于将电容从人体电容中导到电极上，所以这两种技术都叫做电荷转移型电容触控(Charge-Transfer)。

电容式触控优势在于速度快，可以滑而不用再用戳的。然而它只能用导电物体操控，它还有个缺点是如果触控面积比较大(手掌)，可能你还没碰到就有动作了，因为面积大耦合电容大，所以触发了屏幕，所以它对外界电场或温湿度导致的电场变化比较敏感。但是它是一层玻璃板结构所以透光率比电阻式高可达90%以上。

然而不管是电阻式还是电容式触摸屏都很难做到均匀电场，所以只能用于20几寸以下的面板尺寸。如果要做大屏幕触控必须要使用波动式触控技术(主要有表面声波或红外线波两种)，它主要在四角或边缘安装红外线或声波发射器/接收器，当触控阻断声波或红外线时，对应的接收器接收不到信号则可以断定坐标，这种触控屏怕脏怕灰怕油，太娇气了，而且很容易受环境波动影响。

每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。

触控面板的电路部分

上面介绍了触控面板的感应模块原理及结构，但是和Sensor一样(触控也是一种Sensor)，它有传感部分就一定有电路部分，而触控的电路部分主要负责的事情就是：信号探测、坐标定位、以及手势识别(滑动/放大/点击)。

而对于MCU电路来说，主要需要哪些电路单元，首先最重要的就是ADC(这是所有Sensor必须的)，其次是Scan Control和DSP(信号处理)，而扫描电路一定需要时钟信号，所以需要Timer。而手势识别是靠一个叫Finger Tracking的单元实现，最后就是User configure的代码保存需要用到EEPROM或Flash。

而在设计上的主要难点有两个：

• 高电阻加大电容问题
• 噪声耦合(Noise Coupling)

前者主要是由于屏幕越来越大导致ITO的电极越来越长所以电阻越来越大，另外电极越来越长导致电容面积越来越大所以电容也变大，最后的问题是RC-delay延长，而解法要么是通过加大电压来加速scan，要么是换金属布线(Ag)。

后者(Noise coupling)主要是由于面板越来越大，很容易接收到环境噪声的干扰主要靠shielding来避免，而另外的干扰来自开关电源的干扰，这只能通过在ADC之前增加Noise Cancellation来实现。

电磁触控分类

01电磁笔

按电磁笔来分，可分主动笔和被动笔。

（1）主动笔-有源电磁笔

有源笔通过内置电池发射电磁信号，使用时不论电磁笔是否在电磁屏附近都可持续发射电磁信号，电磁信号强，响应速度更快、可做大尺寸、功耗低、抗干扰能力更强，但是电磁笔成本高，需要安装电池或充电。大尺寸只能用有源笔。笔体积受制于电池大小，重量。

（2）被动笔-无源电磁笔

无源电磁相对有源功耗高，只能做小尺寸，最大可以做到22寸，边角信号弱、只能单笔触控，优点是电磁笔不需要电源、便携设备的触控笔可做的很小。无源笔对天线板的要求比有源笔高，同样小尺寸的情况下有源笔的方案比无源笔要贵。无源电磁笔不靠近电磁屏，接受不到电磁能量，随距离越远，信号越弱，但因无需电池，轻便，对笔无要求，对于20寸以下，更有优势。目前市面上小尺寸偏多。如电子商务签名板，pos机，电子阅读器等。

02材质

按材质来分，可分透明和非透明，前者可应用于直下式背光源和侧入式背光源；后者则只能应用在侧入式光源。

市场触控技术应用分类

1. 内嵌式触摸屏结构

目前触摸屏基本都是采用外挂式的结构，这种结构的显示模块和触控模块是两个相对独立的器件，然后通过后端贴合工艺将两个器件整合，但是这种相对独立的外挂式构造会影响产品的厚度，不符合触控显示类产品日益轻薄化的发展趋势。由此产生了内嵌式触摸屏的概念，内嵌式结构将触控模块嵌入显示模块内，使两个模块合为一体，而不再是两个相对独立的器件。

相比于传统的外挂式结构，内嵌式结构的优点在于：仅需2层ITO玻璃、材料成本降低、透光度提高、更加轻薄；不需要触摸屏模组与TFT模组的后端贴合，提高良品率;触摸屏组与TFT模组同时生产，减少了模组的运输费用。内嵌式触摸屏又可分为两种：In-cell技术和On-cell技术。

In-cell技术

两种技术的定义略有差别，但是原则类似，都是将触摸屏内嵌于液晶模组之中。In-cell技术把触摸屏整合在彩色滤光片下方，由于是将触摸传感器置于液晶面板内部，占据了一部分显示区域，所以牺牲了部分显示效果，而且还使工艺变得复杂，高良率难以实现。

On-cell技术

On-cell技术是在彩色滤光片上整合触摸屏，不是在液晶面板内部嵌入触摸传感器，只需在彩色滤光片底板与偏光板之间形成简单的透明电极即可，降低了技术难度。On-cell的主要挑战是显示器耦合到感测层的杂讯数量，触控屏幕元件必须运用精密的演算法来处理这种杂讯。On-cell技术提供将触摸屏整合到显示器的所有好处，例如使触控面板更加轻薄与大幅降低成本等优点，但整体系统成本降低的幅度仍然远远不及Incell技术。

内嵌式的概念最先由TMD在2003年提出，随后Sharp、Samsung、AUO、LG等公司相继提出此概念，并相继公布了一些研究成果，但是由于技术问题，都没有能够实现商业化。

内嵌式触摸屏已经有近10年的发展时间，目前距实现商业化仍有一定的距离，但是内嵌式触摸屏代表作未来触摸屏的发展方向，积极储备内嵌式技术的厂家会在今后的市场竞争中处于相对有利的位置。

2. 多点触控技术

2007年苹果公司通过投射式电容技术实现的多点触控功能，该功能提供了前所未有的用户体验，体现了与当时其他触控技术的不同，使多点触控技术成为市场的潮流。

目前多点触控技术已经从开始的仅可以实现两指缩放、三指滚动以及四指拨移，发展到能够支持5点以上的触控识别和多重输入方式等，今后多点触控技术将向实现更细致的屏幕物件操控用和更具自由度的方向发展。

3. 混合式触控技术

目前虽然触控技术类型众多，但每种技术都各有利弊，没有一种技术是完美的。近年来有人开始提出混合式触控技术的概念，即在一块触控面上采用两种或者两种以上的触控识别技术，达到多种触控技术之间实现优劣互补的目的。

目前已经研发出基于电容式和电阻式的混合式触摸屏，该触摸屏可以通过手写笔和手指操作、支持多点触控等，显著提高触摸屏的识别效率。随着用户对触控技术要求的不断提高，单一的触控技术肯定不能满足人们的需要，所以混合式触控技术必定会成为未来触控技术的发展方向之一。

4. 触觉反馈技术

触控显示技术的不断发展给人们带来便捷的操作方式和良好的视觉效果同时，却忽略触摸操作时给用户一个触觉反馈。目前触觉反馈技术研究不多，美国的Immersion公司推出名叫“Forcefeedback”的触觉反馈技术，该技术是利用机械马达产生振动或者运动，它可以模拟跳动、物体掉落和阻尼运动等触觉效果，也是目前使用较多的触觉反馈技术。

Senseg公司的“E-sense”技术采用的是生物电场的原理产生一个触觉反馈。开发出更加逼真的触觉反馈技术，可以给用户带来新的触控体验，因此触觉反馈技术也是今后触控技术发展的一个方向。

智能手机电容触摸屏核心技术方案——显示触控一体化

电容式触控屏技术已经彻底改变了智能手机和平板电脑的面貌，目前该技术正在渗透进笔记本电脑、台式PC以及最新型汽车和可穿戴设备中。这些设备市场竞争激烈，不断要求厂商设计的系统提高显示质量和性能，提供紧凑的外形尺寸、延长电池寿命并降低成本，同时系统需易于使用。由于触控屏对用户体验有很大影响，因此一款产品最终能否取得成功，选择哪一种触控屏设计有可能成为决定性因素。

要将显示屏变成“触控板”，需要无缝整合以前截然分开的两种功能，即触控和显示功能。过去，怎样给显示屏增加触控传感器，一直由不同公司自主决定，贴合式面板叠层由多个层组成，不同公司提供不同的层。之后，有可能由另外一家制造商将这些层组装成显示面板。最近的技术进步使得有可能将触控传感器直接集成到显示屏中，同时将触摸控制器和显示驱动器这两种功能集成到单一集成电路（IC）中。

将触控传感器集成到显示屏叠层中

在触控屏中集成触控检测和显示更新功能涉及两个方面：显示面板叠层；控制触控和显示这两种功能的IC。

图 1 触控传感器可以作为一个独立层添加到合式面板的显示屏之上，也可直接集成到显示屏叠层中的任一现有层

如图1所示，在一个典型的触控屏中，显示屏叠层和显示面板中有很多层。以前常见的做法是，将触控传感器作为一个单独或独立的层，覆盖到叠层式层压显示面板中的显示屏之上。采用这种设计方法时，触控传感器或者添加到玻璃盖板（CG）上，或者放在一个专用的传感器层中，这个专用传感器层通常由塑料制成。

将传感器整合在玻璃盖板上的方法有时又叫“盖板外嵌式传感器（Sensor-on-Lens，简称SoL）”或“盖板集成式解决方案（One Glass Solution，简称OGS），因为这种方法无需增加一个单独的传感器层，仅利用玻璃盖板即可。采用单独传感器层的设计方法称为玻璃-薄膜（Glass-Film，简称GF）或玻璃-薄膜-薄膜（Glass-Film-Film，简称GFF），视触控发送和接收功能在传感器薄膜的一层还是两层上实现而定。所有这些设计方法都称为“分离式”的，以强调触控功能作为显示屏上的覆盖层而单独存在这一事实。

增加分离式触控传感器覆盖层的优势是，技术成熟、风险低、产品上市快。甚至在采用最新显示和触控技术时，也会采用分离式设计，在这种情况下，常常在后续设计环节将分离式设计集成进去。有些LCD模组厂商也很重视能否利用工厂中现有制造系统及设备的问题。不过，分离式设计的劣势是，显示面板较厚、显示屏较暗且成本较高。

由于最近的技术进步，LCD模组厂商能够将触控传感器直接集成到显示屏叠层中的一层或多层上。这种集成可以在显示屏中的基本单元之上或基本单元之内实现，即外嵌式（On-Cell）集成或内嵌式（In-Cell）集成。

将触控传感器矩阵放到滤色玻璃之上的方法称为外嵌式集成，因为传感器位于显示屏基本单元之上。传感器发送和接收网格（即菱形或条纹形网格）可以与跨接线电气隔离，也可以采用特殊布局，以使这些网格无需架桥就能实现。后一种设计称为单层多点外嵌式（Single-Layer-On-Cell，简称SLOC），这种设计很常见的，因为成本较低、良率较高。

用外嵌式技术给显示屏增加触控功能简单、可靠，而且这种方法对于有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示屏而言，常常是最佳选择。对于较大型显示屏以及曲面或柔性显示屏而言，以外嵌方式集成无跨接线的金属网状传感器也是很好的选择。

如图1所示，显示屏中的基本单元从薄膜晶体管（TFT）玻璃的底部延伸至滤色玻璃的顶部，包括TFT电路、液晶材料和滤色片。在内嵌式集成中，传感器利用显示屏中的现有层构建触控传感器矩阵，一般是在公用电极（或VCOM层）上放置触控传感器矩阵，通过金属层与矩阵互连。就如今的平面转换（IPS）面板而言，这些层都位于TFT玻璃上。

另一种内嵌式集成属于混合式设计，其中触控传感器的发送层内嵌在TFT玻璃中，而接收层则外嵌到滤色玻璃上。这种方式称为混合多点内嵌式（Hybrid In-Cell）设计。为了避免混淆，术语“全面多点内嵌式（Full In-Cell）”指的是，发送和接收触控传感器层均位于基本单元之内。这两种内嵌式设计如图2所示。

图2 触控传感器发送层和接受层所处位置决定内嵌式集成的类型

集成触摸控制器IC和显示驱动器IC

控制触控功能和显示功能的IC以前分别由不同的供应商提供。尽管使用独立的叠层式显示面板和外嵌式显示屏时，这两种独立的IC可以集成到一起，但是好处有限，工作比较复杂，因为涉及到多家供应商。相比之下，采用内嵌式集成时，将触摸控制器和显示驱动器集成到单个IC中更容易实现，而且好处也显著增多。

现有智能手机和平板电脑的显示功能可能是由单一显示驱动器IC（DDIC）控制的，而触控功能则可能由独立的触摸控制器IC控制。在采用外嵌式显示屏的设计中，DDIC总是位于TFT玻璃上，这种方式称为（Chip-On-Glass，简称COG），而触摸控制器IC通常位于柔性印刷电路板（FPC或flex）上，这种方式称为柔性印刷电路板外嵌芯片（Chip-On-Flex，简称COF）。在这类设计中，在主机和显示面板之间通常有两块FPC：一个用于TFT玻璃上的DDIC；另一个用于触摸控制器。

采用全面多点内嵌式显示屏设计的智能手机和平板电脑仅需要一个FPC，就可以连接显示屏和触控传感器，如图3所示。既然可以仅用一个FPC，那么将触摸控制器和显示驱动器集成到一个IC中，也就十分合理了，这种仅用一个IC的方式称为触控与显示驱动器集成（TDDI）。因为该IC本身有一个CPU（用于触控信号处理），而且该IC安装在TFT玻璃上，所以这种集成式解决方案有时又称为TDDI助力的“智能显示屏”。

图3 采用全面多点内嵌式设计时，仅需要一块柔性印刷电路板（FPC）

请注意，TDDI还可用于混合多点内嵌式解决方案。在这种解决方案中，通常会采用第二块FPC，以将（TFT玻璃上的TDDI芯片的）接收器引脚连至滤色玻璃上的接收器电极，如图3所示。这第二块FPC仅含有信号选路电路，其上没有任何有源组件。

TDDI解决方案的架构设计和实现绝非微不足道。为了提高显示噪声管理和电容检测性能，现在的最新设计在触控检测功能和显示更新功能之间实现了协调和同步。这样的设计不再像独立的叠层式显示面板和外嵌式显示屏那样受到诸多限制，后者的触控功能和显示功能通常是相互独立运行的。

显示集成解决方案的优势

在内嵌式显示屏和IC层面集成触控和显示功能，可以产生一些显著优势。这些优势可以划分成两类：有利于工程、制造和支持工作的优势；提升智能手机或平板电脑设计品质的优势。

工程、制造和支持方面的优势

在显示屏叠层和IC层面集成触控功能和显示功能，可简化设计工作，有助于加速新设备上市，这在快速变化的市场上，可为设备制造商带来显著的竞争优势。

由于所需组件减少，供应链效率提高，因此制造成本最大限度地降低了。在全面多点内嵌式集成中，少用了一块FPC，还少用了一个IC。LCD制造商交付的显示面板具备全面集成的触控功能，因此由分离式传感器贴合过程导致的产量损失问题实际上不复存在了。随着组件和供应商减少，组装步骤也减少了，相应的组装中可能出现的问题也减少了，而且设备停留于在制过程的时间也减少了。图4比较了不同叠层式显示面板的价格，其中全面多点内嵌式/TDDI设计的价格是最低的。

图4 与分离式GFF参考设计相比，显示集成技术可显著降低成本。全面多点内嵌式集成与TDDI相结合，构成了目前成本最低的解决方案。

由一个供应商负责提供触控屏显示面板从左到右、从上到下的所有组件，就可实现简化的“一站购齐”式供应链，这有益于工程、制造，尤其是持续不断的支持服务。由单一供应商全面负责提供触控和显示功能，还可简化故障排除工作。

设备设计方面的优势

同时在显示屏和IC层面集成触控和显示功能，可实现优美简洁的设计，使设备线条更加流畅，功能更加丰富。与分离式设计相比，采用全面多点内嵌式显示屏，显示面板更薄。显示屏的边框也更窄，因为无需在显示面板侧边或顶面增加布线空间。显示面板更薄，就可以实现更薄的设备，或者为其他功能提供更多空间，例如增加内存或电池容量。同时显示屏边框较窄，玻璃镶嵌凹槽就可以更窄，而这正是从设备的全尺寸无边框显示屏所需要的。

内嵌式技术与TDDI相结合，还提高了性能，因为能够隔离和同步显示更新功能与触控检测功能，因此显示屏可以更快地响应触控。此外，由于触控和显示功能同步，所以基本消除了干扰触控检测的显示屏噪声。这种噪声问题如果未得到适当解决，就有可能引起功能问题。如图5所示，由于没有独立的触控传感器层衰减光线，所以内嵌式显示屏亮度提高大约10%，或者换一种说法，内嵌式显示屏可以用较弱的背光照明提供同样的亮度，从而延长了电池寿命。

图 5 将触控传感器直接集成到显示屏叠层中，可以实现更薄、更亮的显示屏，还能简化供应链。

最后，因为触控与显示功能集成简化了设备的设计和制造，所以这种集成还提高了设备的总体可靠性，因为无需贴合多个功能层，减少了可能产生的故障或失效情况。相比之下，在贴合分离式叠层显示面板中，当出现设计本身的问题时，由于需要涉及多家供应商，因此难以及时解决问题。

附：智能手机电容触摸屏通用工艺