電容式觸控屏技術已經(jīng)徹底改變了智能手機和平板電腦的面貌，現(xiàn)在該技術正在進入筆記本電腦、臺式PC以及最新型汽車和可穿戴設備中。由于這些設備市場競爭激烈，因此不斷要求廠商設計的系統(tǒng)提高顯示質(zhì)量和性能，提供緊湊的外形尺寸、延長電池壽命并降低成本，同時要求系統(tǒng)易于使用。由于觸控屏對用戶體驗有很大影響，因此一款產(chǎn)品最終能否取得成功，選擇哪一種觸控屏設計有可能成為決定性因素。

　　要將顯示屏變成“觸控板”，需要無縫整合以前截然分開的兩種功能，即觸控和顯示功能。過去，怎樣給顯示屏增加觸控傳感器，一直由不同公司自主決定，貼合式面板疊層由多個層組成，不同公司提供不同的層，之后，有可能由另外一家制造商將這些層組裝成顯示面板。最近的技術進步使得有可能將觸控傳感器直接集成到顯示屏中，同時將觸摸控制器和顯示驅(qū)動器這兩種功能集成到單一集成電路（IC）中。

　　Synaptics公司高級副總裁兼智能顯示事業(yè)部總經(jīng)理Kevin Barber

　　本文概述了目前可用的觸控和顯示集成技術，其中包括最新的、有望在可預見的未來主導新型設備設計的、全面集成的解決方案。首先，本文將介紹把觸控傳感器直接集成到顯示屏中的各種方式，然后探討將觸摸控制器和顯示驅(qū)動器功能集成到單一IC中的方法，最后重點論述觸控和顯示功能集成為設備制造商及其合作伙伴帶來的諸多優(yōu)勢。

　　需要注意的是，本文僅針對觸控屏小于8英寸（20厘米）的智能手機和平板電腦。盡管有可能以類似方式在更大的觸控屏中集成觸控和顯示功能，但是二者差別很大，有必要單獨介紹。

　　將觸控傳感器集成到顯示屏疊層中

　　在觸控屏中集成觸控檢測和顯示更新功能涉及兩個方面：顯示面板疊層；控制觸控和顯示這兩種功能的 IC。

　　圖 1- 觸控傳感器可以作為一個獨立層添加到合式面板的顯示屏之上，或者也可以直接集成到顯示屏疊層中的任一現(xiàn)有層

　　圖 1 顯示，在一個典型的觸控屏中，顯示屏疊層和顯示面板中有很多層。以前常見的做法是，將觸控傳感器作為一個單獨或獨立的層，覆蓋到疊層式層壓顯示面板中的顯示屏之上。采用這種設計方法時，觸控傳感器或者添加到玻璃蓋板（CG）上，或者放在一個專用的傳感器層中，這個專用傳感器層通常由塑料制成。

　　將傳感器整合在玻璃蓋板上的方法有時又叫“蓋板外嵌式傳感器（Sensor-on-Lens，簡稱SoL）”或“蓋板集成式解決方案（One Glass Solution，簡稱OGS），因為這種方法無需增加一個單獨的傳感器層，僅利用玻璃蓋板即可。采用單獨傳感器層的設計方法稱為玻璃-薄膜（Glass-Film，簡稱GF）或玻璃-薄膜-薄膜（Glass-Film-Film，簡稱GFF），視觸控發(fā)送和接收功能在傳感器薄膜的一層還是兩層上實現(xiàn)而定。所有這些設計方法都稱為“分離式”的，以強調(diào)觸控功能作為顯示屏上的覆蓋層而單獨存在這一事實。

　　增加分離式觸控傳感器覆蓋層的優(yōu)勢是，技術成熟、風險低、產(chǎn)品上市快。甚至在采用最新顯示和觸控技術時，也會采用分離式設計，在這種情況下，常常在后續(xù)設計環(huán)節(jié)將分離式設計集成進去。有些LCD模組廠商也很重視能否利用工廠中現(xiàn)有制造系統(tǒng)及設備的問題。不過，分離式設計的劣勢是，顯示面板較厚、顯示屏較暗且成本較高。

　　由于最近的技術進步，LCD模組廠商能夠?qū)⒂|控傳感器直接集成到顯示屏疊層中的一層或多層上。這種集成可以在顯示屏中的基本單元之上或基本單元之內(nèi)實現(xiàn)，即外嵌式（On-Cell）集成或內(nèi)嵌式（In-Cell）集成。

　　將觸控傳感器矩陣放到濾色玻璃之上的方法稱為外嵌式集成，因為傳感器位于顯示屏基本單元之上。傳感器發(fā)送和接收網(wǎng)格（即菱形或條紋形網(wǎng)格）可以與跨接線電氣隔離，也可以采用特殊布局，以使這些網(wǎng)格無需架橋就能實現(xiàn)。后一種設計稱為單層多點外嵌式（Single-Layer-On-Cell，簡稱SLOC），這種設計很常見的，因為成本較低、良率較高。

　　用外嵌式技術給顯示屏增加觸控功能簡單、可靠，而且這種方法對于有源矩陣有機發(fā)光二極管（AMOLED）顯示屏而言，常常是最佳選擇。對于較大型顯示屏以及曲面或柔性顯示屏而言，以外嵌方式集成無跨接線的金屬網(wǎng)狀傳感器也是很好的選擇。

　　如圖1所示，顯示屏中的基本單元從薄膜晶體管（TFT）玻璃的底部延伸至濾色玻璃的頂部，包括TFT電路、液晶材料和濾色片。在內(nèi)嵌式集成中，傳感器利用顯示屏中的現(xiàn)有層構建觸控傳感器矩陣，一般是在公用電極（或VCOM層）上放置觸控傳感器矩陣，通過金屬層與矩陣互連。就如今的平面轉換（IPS）面板而言，這些層都位于TFT玻璃上。

　　另一種內(nèi)嵌式集成屬于混合式設計，其中觸控傳感器的發(fā)送層內(nèi)嵌在TFT玻璃中，而接收層則外嵌到濾色玻璃上。這種方式稱為混合多點內(nèi)嵌式（Hybrid In-Cell）設計。為了避免混淆，術語“全面多點內(nèi)嵌式（Full In-Cell）”指的是，發(fā)送和接收觸控傳感器層均位于基本單元之內(nèi)。這兩種內(nèi)嵌式設計如圖2所示。

　　圖2 –觸控傳感器發(fā)送層和接受層所處位置決定內(nèi)嵌式集成的類型

　　集成觸摸控制器IC和顯示驅(qū)動器IC

　　控制觸控功能和顯示功能的IC以前分別由不同的供應商提供。盡管使用獨立的疊層式顯示面板和外嵌式顯示屏時，這兩種獨立的IC可以集成到一起，但是好處有限，工作比較復雜，因為涉及到多家供應商。相比之下，采用內(nèi)嵌式集成時，將觸摸控制器和顯示驅(qū)動器集成到單個IC中更容易實現(xiàn)，而且好處也顯著增多。

　　現(xiàn)有智能手機和平板電腦的顯示功能可能是由單一顯示驅(qū)動器IC（DDIC）控制的，而觸控功能則可能由獨立的觸摸控制器IC控制。在采用外嵌式顯示屏的設計中，DDIC總是位于TFT玻璃上，這種方式稱為（Chip-On-Glass，簡稱COG），而觸摸控制器IC通常位于柔性印刷電路板（FPC或flex）上，這種方式稱為柔性印刷電路板外嵌芯片（Chip-On-Flex，簡稱COF）。在這類設計中，在主機和顯示面板之間通常有兩塊FPC：一個用于TFT玻璃上的DDIC；另一個用于觸摸控制器。

　　采用全面多點內(nèi)嵌式顯示屏設計的智能手機和平板電腦僅需要一個FPC，就可以連接顯示屏和觸控傳感器，如圖3所示。既然可以僅用一個FPC，那么將觸摸控制器和顯示驅(qū)動器集成到一個IC中，也就十分合理了，這種僅用一個IC的方式稱為觸控與顯示驅(qū)動器集成（TDDI）。因為該IC本身有一個CPU（用于觸控信號處理），而且該IC安裝在TFT玻璃上，所以這種集成式解決方案有時又稱為TDDI助力的“智能顯示屏”。

　　圖3 – 采用全面多點內(nèi)嵌式設計時，僅需要一塊柔性印刷電路板（FPC）。

　　請注意，TDDI還可用于混合多點內(nèi)嵌式解決方案。在這種解決方案中，通常會采用第二塊FPC，以將（TFT玻璃上的TDDI芯片的）接收器引腳連至濾色玻璃上的接收器電極，如圖3所示。這第二塊FPC僅含有信號選路電路，其上沒有任何有源組件。

　　TDDI解決方案的架構設計和實現(xiàn)絕非微不足道。為了提高顯示噪聲管理和電容檢測性能，現(xiàn)在的最新設計在觸控檢測功能和顯示更新功能之間實現(xiàn)了協(xié)調(diào)和同步。這樣的設計不再像獨立的疊層式顯示面板和外嵌式顯示屏那樣受到諸多限制，后者的觸控功能和顯示功能通常是相互獨立運行的。

　　顯示集成解決方案的優(yōu)勢

　　在內(nèi)嵌式顯示屏和IC層面集成觸控和顯示功能，可以產(chǎn)生一些顯著優(yōu)勢。這些優(yōu)勢可以劃分成兩類：有利于工程、制造和支持工作的優(yōu)勢；提升智能手機或平板電腦設計品質(zhì)的優(yōu)勢。

　　工程、制造和支持方面的優(yōu)勢

　　在顯示屏疊層和IC層面集成觸控功能和顯示功能，可簡化設計工作，有助于加速新設備上市，這在快速變化的市場上，可為設備制造商帶來顯著的競爭優(yōu)勢。

　　由于所需組件減少，供應鏈效率提高，因此制造成本最大限度地降低了。在全面多點內(nèi)嵌式集成中，少用了一塊FPC，還少用了一個IC。LCD制造商交付的顯示面板具備全面集成的觸控功能，因此由分離式傳感器貼合過程導致的產(chǎn)量損失問題實際上不復存在了。隨著組件和供應商減少，組裝步驟也減少了，相應地組裝中可能出現(xiàn)的問題也減少了，而且設備停留于在制過程的時間也減少了。圖4比較了不同疊層式顯示面板的價格，其中全面多點內(nèi)嵌式/TDDI設計的價格是最低的。

　　圖4 – 與分離式GFF參考設計相比，顯示集成技術可顯著降低成本。全面多點內(nèi)嵌式集成與TDDI相結合，構成了目前成本最低的解決方案。

　　由一個供應商負責提供觸控屏顯示面板從左到右、從上到下的所有組件，就可實現(xiàn)簡化的“一站購齊”式供應鏈，這有益于工程、制造，尤其是持續(xù)不斷的支持服務。由單一供應商全面負責提供觸控和顯示功能，還可簡化故障排除工作。

　　設備設計方面的優(yōu)勢

　　同時在顯示屏和IC層面集成觸控和顯示功能，可實現(xiàn)優(yōu)美簡潔的設計，使設備線條更加流暢，功能更加豐富。與分離式設計相比，采用全面多點內(nèi)嵌式顯示屏，顯示面板更薄。顯示屏的邊框也更窄，因為無需在顯示面板側邊或頂面增加布線空間。顯示面板更薄，就可以實現(xiàn)更薄的設備，或者為其他功能提供更多空間，例如增加內(nèi)存或電池容量。同時顯示屏邊框較窄，玻璃鑲嵌凹槽就可以更窄，而這正是從設備的全尺寸無邊框顯示屏所需要的。

　　內(nèi)嵌式技術與TDDI相結合，還提高了性能，因為能夠隔離和同步顯示更新功能與觸控檢測功能，因此顯示屏可以更快地響應觸控。此外，由于觸控和顯示功能同步，所以基本消除了干擾觸控檢測的顯示屏噪聲。這種噪聲問題如果未得到適當解決，就有可能引起功能問題。如圖5所示，由于沒有獨立的觸控傳感器層衰減光線，所以內(nèi)嵌式顯示屏亮度提高大約10%，或者換一種說法，內(nèi)嵌式顯示屏可以用較弱的背光照明提供同樣的亮度，從而延長了電池壽命。

　　圖 5 – 將觸控傳感器直接集成到顯示屏疊層中，可以實現(xiàn)更薄、更亮的顯示屏，還可以簡化供應鏈。

　　最后，因為觸控與顯示功能集成簡化了設備的設計和制造，所以這種集成還提高了設備的總體可靠性，因為無需貼合多個功能層，減少了可能產(chǎn)生的故障或失效情況。相比之下，在貼合分離式疊層顯示面板中，當出現(xiàn)設計本身的問題時，由于需要涉及多家供應商，因此難以及時解決問題。

　　結論

　　觸控屏已成為智能手機和平板電腦的標配，而且由于用戶希望設備使用簡捷便利，所以觸控屏正日益成為筆記本電腦和一體化臺式PC的常見配置。盡管對于怎樣將觸控和顯示功能納入觸控屏，現(xiàn)在有很多不同技術可用，不過在主流移動市場上，采用TDDI的內(nèi)嵌式顯示屏正在迅速成為新設備的首選。

　　圖6 – 分離式疊層顯示面板正讓位于基于顯示集成的設計

　　以前的疊層式顯示面板的設計和制造方式引起了一些問題，內(nèi)嵌式/TDDI設計之所以迅速普及，是因為這種設計能夠解決這些問題。由不同公司自主決定怎樣給顯示屏增加觸控傳感器，以及分離式疊層顯示面板的多個層由不同公司提供，可能導致設計比較復雜、成本上升、運行可靠性下降。觸控和顯示功能的全面集成和同步解決了這些問題，并帶來了其他一些優(yōu)勢，可實現(xiàn)更薄、更智能的設備，并因此讓用戶更滿意。