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5/12/2015

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苹果压感触摸技术

2015-05-13 05:00作者：王星炜Steven
如果你已经预订了第一批苹果手表Apple Watch中的一块，或者你正在研究为啥这款手表价格区间从2千多到12.68万人民币跨度如此之大时，你是否注意到这样一个技术名词——压感触摸呢？那么这是一个什么样的技术呢？
压感触摸又称Force Touch，即一种可以感应屏幕按压力度的技术。之所以要引入这种技术，是因为苹果手表的屏幕要比普通手机屏幕尺寸小很多，因此使用普通手势进行屏幕操作就困难很多。为了解决这个棘手的问题，不得不用这种创新技术来感知屏幕的按压力度，从而引入一种新的屏幕操作手势。也因此让小屏幕的操作变得更得心应手。

那么Force Touch压感触摸技术是怎么实现的？让我们随着一些拆解报道一起来看一下苹果手表的内部吧。如下即为将苹果手表的屏幕拆下以后的照片。右侧为手表的屏幕，左侧即为手表的主体。其中包括手表的锂电池电源以及称作TAPTIC的模块。这个TAPTIC模块的作用就是为手表提供各种独特的回馈触感。当对苹果手表进行触摸或者通过表冠进行屏幕缩放的时候，TAPTIC让佩戴者对各种不同的操作都有明确的触感反馈。

说回Force Touch压感触摸技术，让我们来仔细看一下苹果手表的屏幕部分。在如下屏幕部分的放大照片中可以看到屏幕的背面除了各种线缆之外，除去金属保护罩后能看到一颗塑封的集成电路芯片。如下图深红框部分所示。

那么这颗芯片到底是什么样的芯片，它又是实现什么功能的呢？让我们看看如下这张来自Chipworks网站的放大特性照片。如照片所示，苹果手表屏幕背面的芯片是一款来自ADI半导体（Analog Devices, Inc.）的型号为AD7166的芯片。

实际上这是一款非常神秘的芯片，因为在ADI半导体的官网（www.analog.com）上并不能搜索到任何关于AD7166的资料。对于它的了解仅仅是各方新闻报道中的只言片语，其中提到这是一款基于ARMCortex M3内核的触摸屏主控芯片，具有测量屏幕按压力度的功能。仅仅靠这些碎片式的信息很难了解压感触摸技术具体怎么工作的。
那么苹果手表是不是唯一使用压感触摸技术的苹果设备呢？答案是否定的。因为最新发布的苹果笔记本MacBook Pro所用的 Force Touch Trackpad触摸板也支持这种压感触摸技术。通过压感触摸技术使得MacBook Pro增加了一种新的触控手势，称为Force Click压感点击。

那让我们看看通过这款触摸板的拆解报道能否一窥压感触摸技术的原理。如下即是将Trackpad触摸板从MacBook Pro拆下以后的背部照片。

在将塑料的保护壳翻过来以后可以看到四个角上装配了一种特殊的类似印刷电路板的装置。

仔细去观察这种装置的话可以在如下的几张照片中发现一些端倪。这种装置放大以后可以看到它内部是呈梳状结构的。

这个装置实际上是一种传感器，它的学名叫应力变形测量计Strain Gauge，又称为应变计。其工作原理就是当压力作用于应变计时，应变计内部的梳状结构的间距会发生变化从而改变其电阻或者电容值。这样通过特殊的处理芯片就能够将其电阻或电容的变化准确的测量出来，对应的也就知道加在其上的压力值了。
知道了应变计的工作原理，那么我们再从系统层面看看苹果怎么实现这个压感点击Force Click功能的。
首先通过如下的剖面图可以看到这款触摸板大致包括3层。第一层为电容玻璃表面CAPACITIVE GLASS SURFACE。类似笔记本电脑触摸板大量在使用的多点触摸电容板。第二层为TAPTIC ENGINE。是不是又看到了TAPTIC这个词？对的，这里的TAPTIC引擎和苹果手表里的TAPTIC一样，也是用来提供特殊的回馈触感的。它的工作原理我们稍后讲解。那么最后一层就是压感传感器FORCE SENSORS。

这里的压感传感器即是前面拆解照片中看到四个角上安装的应变计。通过应变计来测量手指施加到电容玻璃表面的压力。如果压力大于一定的值，就被认为是点击操作。此时TAPTIC回馈触感引擎会通过内部的电磁线圈改变磁场，将线圈相对的金属条吸合后再释放。通过其中的振动和声音让操作者得到平日中操作鼠标完全一样的触感。但其实内部并没有任何实体的按键。如下是张来自苹果官网的TAPTIC回馈触感引擎特写。

其实苹果除了会在苹果手表和苹果笔记本中应用这项压感触摸技术，通过苹果发布的各种消息，其下一代苹果手机iPhone 6S（也有消息称下一代的命名会是iPhone7）以及下一代的苹果平板iPad中加入压感触摸技术。即在电容屏幕的下方增加压感传感器FORCE SENSORS。
如果您关心美国股市的话，可能会找到如下的这篇报道。这篇关于ADI半导体可能帮助苹果在下一代的iPhone及iPad中实现，Force Touch压感触摸的报道发布后的第二天，即2015年3月30日，ADI的股票（NASDAQ：ADI）大涨近10%。可见苹果在整个电子业界的影响力之巨大。
BarclaysUps to Buy as Apple May Use for ‘Force Touch’
那么回到文章标题的问题——苹果压感触摸技术和汽车有半毛钱关系么？如前文所说压感触摸技术的核心是Strain Gauge应变计。如果我说应变计是一个已经在汽车上应用超过20年的技术你会相信吗？其实如果觉得不可思议那一点也不奇怪。因为应变计技术大部分用在汽车上一些无法直接看到的部分。
举个例子，如果你车上副驾位置坐了人但是又忘了系安全带，此时会听到报警音提示的话，那就是车上安装了副驾乘员侦测系统。其实副驾乘员侦测系统的核心就是应变计。通过应变计可以感知乘员施加于座椅的压力，原理类似于称重（目前市场上大部分的家用电子体重计都是基于应变计原理的）。当重量超过一定值以后即被判断为有乘员坐在副驾位置而来触发安全带是否系好的校验。因此当副驾位置放置重物，比如书包的时候，可能也会误触发未系安全带的报警。
另一类应变计的应用可能更不为人知，但是应用更广泛。那就是遍布于车身的压力传感器。在汽车工作的时候需要不断的测量进气压力，燃油压力，空调压力，刹车液压机油压力等等非常多的压力信号。其压力范围从0.1Bar到1600Bar不等（1Bar约等于一个大气压）。这些压力信号由各个控制器采集并用于其相应的控制，比如发动机控制器、空调控制器、刹车ABS/ESP控制器等等。因此这些压力传感器虽然看不见，但是却非常的重要，关乎车辆行驶和行车安全。而大部分压力传感器的核心就是应变计。如下为汽油缸内直喷系统框图，其中就包含基于应变计技术的油压传感器。

再一点，现在很多车企在车内都用起了触摸板。比如通用汽车别克多款车型使用的手写板，又或者奔驰的COMMAND和宝马的iDrive Touch系统都开始支持手写功能。那么又未尝不可在此类触摸板甚至将来的屏幕后方加入类似的压感触摸技术呢？相信采用此类技术将大大提升人机交互的体验。

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