全面解析触控和显示的最新技术

　　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。

　　本文概述了目前可用的触控和显示集成技术，其中包括最新的、有望在可预见的未来主导新型设备设计的、全面集成的解决方案。首先，将介绍把触控传感器直接集成到显示屏中的各种方式，然后探讨将触摸控制器和显示驱动器功能集成到单一IC中的方法，最后重点论述触控和显示功能集成为设备制造商及其合作伙伴带来的诸多优势。

　　需要注意的是，本文仅针对触控屏小于8英寸(20厘米)的智能手机和平板电脑。尽管有可能以类似方式在更大的触控屏中集成触控和显示功能，但是二者差别很大，有必要单独介绍。

　　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，相应地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。

　　结论

　　触控屏已成为智能手机和平板电脑的标配，而且由于用户希望设备使用简捷便利，所以触控屏正日益成为笔记本电脑和一体化台式PC的常见配置。尽管对于怎样将触控和显示功能纳入触控屏，现在有很多不同技术可用，不过在主流移动市场上，采用TDDI的内嵌式显示屏正在迅速成为新设备的首选。

　　图6 分离式叠层显示面板正让位于基于显示集成的设计

　　以前的叠层式显示面板的设计和制造方式引起了一些问题，内嵌式/TDDI设计之所以迅速普及，是因为这种设计能够解决这些问题。由不同公司自主决定怎样给显示屏增加触控传感器，以及分离式叠层显示面板的多个层由不同公司提供，可能导致设计比较复杂、成本上升、运行可靠性下降。触控和显示功能的全面集成和同步解决了这些问题，并带来了其他一些优势，可实现更薄、更智能的设备，并因此让用户更满意。

　　作者简介：

　　Kevin Barber，自2011年1月开始，担任Synaptics公司高级副总裁兼智能显示事业部(SDD)总经理。在加入Synaptics公司前，曾先后就职于美国科胜讯系统公司、思佳讯公司、PRTM咨询公司和ACCO半导体公司，拥有超过15年的组织与管理经验，以及丰富的移动通信领域专业经验。