小Nan碎碎念：Touch的秘密 淺談觸摸屏原理

第十五期：“觸摸”流行風

    “觸摸”流行風

    觸摸屏為何如此流行？

    其實早在1971年，美國人Sam Hurt就發(fā)明了觸摸屏技術(shù)。要說這項技術(shù)真正進入百姓生活已是上個世紀九十年代的事了�，F(xiàn)如今，普遍采用的觸屏主要有電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式類型，而iPhone用的就是電容式觸摸屏。2007年，蘋果iPhone及iPodTouch的問世讓多點觸摸技術(shù)迅速捕獲了全球大眾的心，給用戶帶來獨特而又神奇的應(yīng)用體驗，使得觸摸屏讓整個市場大放異彩。

    Touch的秘密 淺談觸摸屏原理

    所以必須承認，iPhone的巨大成功刺激了所有移動設(shè)備的廠商。不僅移動設(shè)備廠商趨之若鶩，幾乎所有的PC制造廠商也都在拼命追趕觸摸屏的潮流。目前在顯示器市場中，三星、戴爾、優(yōu)派、長城、AOC都已推出了支持多點觸控操作的觸摸屏液晶顯示器，這也讓整個市場都見識到了觸摸屏的前途無量。而對于觸摸屏的技術(shù)來說，相信大多數(shù)人還都不了解。對此感興趣的朋友可要注意了，今天小Nan就為大家淺談觸摸屏的原理、類型以及特點。

觸摸屏工作 原理及類型

    觸摸屏(Touch panel)：又稱為觸控面板，是個可接收觸頭等輸入訊號的感應(yīng)式液晶顯示裝置，當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程式驅(qū)動各種連結(jié)裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，并借由液晶顯示畫面制造出生動的影音效果。

    工作原理

    為了操作上的方便，人們用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時，我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏，然后系統(tǒng)根據(jù)手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成;觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面，用于檢測用戶觸摸位置，接受后送觸摸屏控制器;而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息，并將它轉(zhuǎn)換成觸點坐標，再送給CPU，它同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。

    主要類型

    從技術(shù)原理來區(qū)別觸摸屏，可分為五個基本種類：矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。其中，矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏已退出歷史舞臺；紅外線技術(shù)觸摸屏價格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真;電容技術(shù)觸摸屏設(shè)計構(gòu)思合理，但其圖像失真問題很難得到根本解決；電阻技術(shù)觸摸屏的定位準確，但其價格頗高，且怕刮易損；表面聲波觸摸屏解決了以往觸摸屏的各種缺陷，清晰不容易被損壞，適于各種場合，缺點是屏幕表面如果有水滴和塵土?xí)�使觸摸屏變的遲鈍，甚至不工作。

    按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，觸摸屏可分為四類。分別為電阻式、電容式、紅外線式以及表面聲波式。每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點，要了解哪種觸摸屏適用于哪種場合，關(guān)鍵就在于要懂得每一類觸摸屏技術(shù)的工作原理和特點。

電阻式觸摸 屏原理及特點

    電阻式觸摸屏

電阻式觸摸屏 工作原理

    電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點(X,Y)的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標和Y坐標的電壓。很多LCD模塊都采用了電阻式觸摸屏，這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。電阻式觸摸屏基本上是薄膜加上玻璃的結(jié)構(gòu)，薄膜和玻璃相鄰的一面上均涂有ITO(納米銦錫金屬氧化物)涂層，ITO具有很好的導(dǎo)電性和透明性。當觸摸操作時，薄膜下層的ITO會接觸到玻璃上層的ITO，經(jīng)由感應(yīng)器傳出相應(yīng)的電信號，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路送到處理器，通過運算轉(zhuǎn)化為屏幕上的X、Y值，而完成點選的動作，并呈現(xiàn)在屏幕上。

    性能特點

    ① 它們都是一種對外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵、水汽和油污

    ②可以用任何物體來觸摸，可以用來寫字畫畫，這是它們比較大的優(yōu)勢

    ③電阻觸摸屏的精度只取決于A/D轉(zhuǎn)換的精度，因此都能輕松達到4096*4096• 比較而言，五線電阻比四線電阻在保證分辨率精度上還要優(yōu)越，但是成本代價大，因此售價非常高。

    四線電阻屏

    四線電阻模擬量技術(shù)的兩層透明金屬層工作時每層均增加5V恒定電壓：一個豎直方向，一個水平方向。總共需四根電纜。 　　特點：高解析度，高速傳輸反應(yīng)。表面硬度處理，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理。具有光面及霧面處理。一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。

    五線電阻屏

    五線電阻技術(shù)觸摸屏的基層把兩個方向的電壓場通過精密電阻網(wǎng)絡(luò)都加在玻璃的導(dǎo)電工作面上，我們可以簡單的理解為兩個方向的電壓場分時工作加在同一工作面上，而外層鎳金導(dǎo)電層只僅僅用來當作純導(dǎo)體，有觸摸后分時檢測內(nèi)層ITO接觸點X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點的位置。五線電阻觸摸屏內(nèi)層ITO需四條引線，外層只作導(dǎo)體僅僅一條，觸摸屏得引出線共有5條。特點：解析度高，高速傳輸反應(yīng)。表面硬度高，減少擦傷、刮傷及防化學(xué)處理。同點接觸3000萬次尚可使用。導(dǎo)電玻璃為基材的介質(zhì)。 一次校正，穩(wěn)定性高，永不漂移。五線電阻觸摸屏有高價位和對環(huán)境要求高的缺點。

    電阻屏的局限

    不管是四線電阻觸摸屏還是五線電阻觸摸屏,它們都是一種對外界完全隔離的工作環(huán)境，不怕灰塵和水汽，它可以用任何物體來觸摸，可以用來寫字畫畫，比較適合工業(yè)控制領(lǐng)域及辦公室內(nèi)有限人的使用。電阻觸摸屏共同的缺點是因為復(fù)合薄膜的外層采用塑膠材料，不知道的人太用力或使用銳器觸摸可能劃傷整個觸摸屏而導(dǎo)致報廢。不過在限度之內(nèi)，劃傷只會傷及外導(dǎo)電層，外導(dǎo)電層的劃傷對于五線電阻觸摸屏來說沒有關(guān)系,而對四線電阻觸摸屏來說是致命的。

電容式觸摸屏 原理及特點

    電容式觸摸屏

    電容式觸摸屏 工作原理

    電容式觸摸屏是在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)。當手指觸摸在金屬層上時，觸點的電容就會發(fā)生變化，使得與之相連的振蕩器頻率發(fā)生變化，通過測量頻率變化可以確定觸摸位置獲得信息。

    性能特點

    電容技術(shù)觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進行工作的。

    電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層硅土玻璃保護層,夾層ITO涂層作為工作面,四個角上引出四個電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。 當手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計算，得出觸摸點的位置。

    電容觸摸屏的缺陷

    電容觸摸屏的透光率和清晰度優(yōu)于四線電阻屏，當然還不能和表面聲波屏和五線電阻屏相比。電容屏反光嚴重，而且，電容技術(shù)的四層復(fù)合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻，存在色彩失真的問題，由于光線在各層間的反射，還造成圖像字符的模糊。

    電流

    電容屏在原理上把人體當作一個電容器元件的一個電極使用，當有導(dǎo)體靠近與夾層ITO工作面之間耦合出足夠量容值的電容時，流走的電流就足夠引起電容屏的誤動作。

    我們知道，電容值雖然與極間距離成反比，卻與相對面積成正比，并且還與介質(zhì)的的絕緣系數(shù)有關(guān)。因此，當較大面積的手掌或手持的導(dǎo)體物靠近電容屏而不是觸摸時就能引起電容屏的誤動作，在潮濕的天氣，這種情況尤為嚴重，手扶住顯示器、手掌靠近顯示器7厘米以內(nèi)或身體靠近顯示器15厘米以內(nèi)就能引起電容屏的誤動作。 電容屏的另一個缺點用戴手套的手或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時沒有反應(yīng)，這是因為增加了更為絕緣的介質(zhì)。

    漂移

    電容屏更主要的缺點是漂移：當環(huán)境溫度、濕度改變時，環(huán)境電場發(fā)生改變時，都會引起電容屏的漂移，造成不準確。例如：開機后顯示器溫度上升會造成漂移：用戶觸摸屏幕的同時另一只手或身體一側(cè)靠近顯示器會漂移；電容觸摸屏附近較大的物體搬移后回漂移，你觸摸時如果有人圍過來觀看也會引起漂移；電容屏的漂移原因?qū)儆诩夹g(shù)上的先天不足，環(huán)境電勢面（包括用戶的身體）雖然與電容觸摸屏離得較遠，卻比手指頭面積大的多，他們直接影響了觸摸位置的測定。

    其他

    此外，理論上許多應(yīng)該線性的關(guān)系實際上卻是非線性，如：體重不同或者手指濕潤程度不同的人吸走的總電流量是不同的，而總電流量的變化和四個分電流量的變化是非線性的關(guān)系，電容觸摸屏采用的這種四個角的自定義極坐標系還沒有坐標上的原點，漂移后控制器不能察覺和恢復(fù)，而且，4個A/D完成后，由四個分流量的值到觸摸點在直角坐標系上的X、Y坐標值的計算過程復(fù)雜。由于沒有原點，電容屏的漂移是累積的，在工作現(xiàn)場也經(jīng)常需要校準。 電容觸摸屏最外面的硅土保護玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲擊，敲出一個小洞就會傷及夾層ITO，不管是傷及夾層ITO還是安裝運輸過程中傷及內(nèi)表面ITO層，電容屏就不能正常工作了。

紅外線式觸摸屏 原理及特點

    紅外線式觸摸屏

    紅外線式觸摸屏 工作原理

    紅外線式觸摸屏由裝在觸摸屏外框上的紅外線發(fā)射與接收感測元件構(gòu)成，在屏幕表面上，形成紅外線探測網(wǎng)，任何觸摸物體可改變觸點上的紅外線而實現(xiàn)觸摸屏操作。

    性能特點

    紅外觸摸屏是利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線而實現(xiàn)觸摸屏操作。早期觀念上，紅外觸摸屏存在分辨率低、觸摸方式受限制和易受環(huán)境干擾而誤動作等技術(shù)上的局限，因而一度淡出過市場。此后第二代紅外屏部分解決了抗光干擾的問題，第三代和第四代在提升分辨率和穩(wěn)定性能上亦有所改進，但都沒有在關(guān)鍵指標或綜合性能上有質(zhì)的飛躍。但是，了解觸摸屏技術(shù)的人都知道，紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾，適宜惡劣的環(huán)境條件，紅外線技術(shù)是觸摸屏產(chǎn)品最終的發(fā)展趨勢。采用聲學(xué)和其它材料學(xué)技術(shù)的觸屏都有其難以逾越的屏障，如單一傳感器的受損、老化，觸摸界面怕受污染、破壞性使用，維護繁雜等等問題。紅外線觸摸屏只要真正實現(xiàn)了高穩(wěn)定性能和高分辨率，必將替代其它技術(shù)產(chǎn)品而成為觸摸屏市場主流。過去的紅外觸摸屏的分辨率由框架中的紅外對管數(shù)目決定，因此分辨率較低，市場上主要國內(nèi)產(chǎn)品為32x32、40X32，另外還有說紅外屏對光照環(huán)境因素比較敏感，在光照變化較大時會誤判甚至死機。這些正是國外非紅外觸摸屏的國內(nèi)代理商銷售宣傳的紅外屏的弱點。而最新的技術(shù)第五代紅外屏的分辨率取決于紅外對管數(shù)目、掃描頻率以及差值算法，分辨率已經(jīng)達到了1000X720，至于說紅外屏在光照條件下不穩(wěn)定，從第二代紅外觸摸屏開始，就已經(jīng)較好的克服了抗光干擾這個弱點。 第五代紅外線觸摸屏是全新一代的智能技術(shù)產(chǎn)品，它實現(xiàn)了1000*720高分辨率、多層次自調(diào)節(jié)和自恢復(fù)的硬件適應(yīng)能力和高度智能化的判別識別，可長時間在各種惡劣環(huán)境下任意使用。并且可針對用戶定制擴充功能，如網(wǎng)絡(luò)控制、聲感應(yīng)、人體接近感應(yīng)、用戶軟件加密保護、紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)�。原來媒體宣傳的紅外觸摸屏另外一個主要缺點是抗暴性差，其實紅外屏完全可以選用任何客戶認為滿意的防暴玻璃而不會增加太多的成本和影響使用性能，這是其他的觸摸屏所無法效仿的。

表面聲波式觸摸屏 原理及特點

    表面聲波式觸摸屏

    表面聲波式觸摸屏 工作原理

    表面聲波觸摸屏的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板，安裝在CRT、LED、LCD或是等離子顯示器屏幕的前面。這塊玻璃平板只是一塊純粹的強化玻璃，區(qū)別于別類觸摸屏技術(shù)是沒有任何貼膜和覆蓋層。

    玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，右上角則固定了兩個相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。

    性能特點

    清晰度較高，透光率好。高度耐久，抗刮傷性良好(相對于電阻、電容等有表面度膜)。反應(yīng)靈敏、不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，分辨率高，壽命長（維護良好情況下5000萬次）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的圖像質(zhì)量；沒有漂移，只需安裝時一次校正；有第三軸（即壓力軸）響應(yīng)，目前在公共場所使用較多。

    表面聲波屏需要經(jīng)常維護，因為灰塵，油污甚至飲料的液體沾污在屏的表面，都會阻塞觸摸屏表面的導(dǎo)波槽，使波不能正常發(fā)射，或使波形改變而控制器無法正常識別，從而影響觸摸屏的正常使用，用戶需嚴格注意環(huán)境衛(wèi)生。必須經(jīng)常擦抹屏的表面以保持屏面的光潔，并定期作一次全面徹底擦除。