1、德普特工程师谈触摸屏技术与发展（上）2013-01-30 王阔微型计算机2013 年 1 月下无论是智能手机、平板还是笔记本电脑，无论装载的是 Android、iOS 或者 Windows操作系统，几乎所有的数码设备现在都不约而同地与一种人机交互界面有关。你应该猜到我想说的是什么了吧？没错，触摸屏就像那个交响乐团的指挥家，影响着行业的走向。远到苹果率先启用具有多点触控功能的屏幕，一举成为智能手机执牛耳者；近到最近 Windows 8 电脑拥抱触摸屏，触摸屏实现了在电脑上的抢滩登陆。那么，表面简单的触摸屏背后有没有什么大学问呢？接下来我们就来一探究竟。触摸屏的发展历程说了这么久的触摸屏到底是什么
2、呢？触摸屏（Touch Screen，也经常称作 Touch Panel）是可接收触头（手指或者指点笔）等输入信号的感应式设备。它利用传感设备来定位，当判断触头接触到屏幕上显示的按钮时，就可根据预先设定好的程序做出相应的操作。简单来说，触摸屏取代了鼠标和键盘，令人机交互更为直观有趣。因此，得到了用户的广泛认可。触摸屏最早起源于上世纪六十年代。1965 年，EA约翰逊在一篇文章中展示了自己在电容式触摸屏上的研究。CERN（欧洲核子研究组织）的 Bent Stumpe 在同时期对透明触摸屏的研发也取得了进展；随后，他在同事 Frank Beck 的帮助下，率先在上世纪七十年代初研发出了透明触摸屏的
3、原型产品，并在 1973 年制造出了实物。电阻触摸屏则在 1982 年由美国人 GSamuelHurst 发明并生产。一经问世，触摸屏凭借直观的操作和良好的人机交互特性获得了市场的认可。举个例子，1979 年1985 年期间比较流行的 Fairlight CMI 工作站便应用了触摸屏技术，这款当时高端的音乐后期重采样和合成工作站，借助这个技术可以让用户在操作界面上定位并控制采样和合成数据，并能通过触摸操作访问操作系统的菜单。惠普在 1983 年推出的 HP-150 则成为了世界上第一台针对消费市场的触摸屏电脑，它采用了 PLATO 触摸系统。其工作原理与所有采用红外技术的触摸屏一样 它那 9
4、英寸大小的索尼阴极射线管显示器的四周都布满了红外发射器和接收器，这样，它就可以探测到屏幕前方非透明物体的位置了。如今在各大超市随处可见的采用触摸屏技术的 POS 系统则在 1986 年秋季的 Comdex 电脑展上由 Atari 展示。直到 1990 年，多点触控人机交互技术终于被研发出来，这一革命性的技术将多种手势和电脑指令结合起来，比如翻转或者滑动屏幕，并且可以支持同时多点识别；同时，触摸屏键盘也在此时完成了实用。到此为止，我们目前应用的触摸屏技术的各项基本功能都已经开发出来了。触摸屏的整体特性触摸屏的本质其实比较简单，即在显示设备的基础上添加触控功能而来。也因此，几乎所有的触摸屏都具有三
5、个特性：透明、绝对坐标和传感器。透明触摸屏实际上也就是添加了触控功能的显示器，如果影响了原本的显示属性，那么触摸屏也就没有任何意义。透明直接影响到触摸屏的视觉效果，因此，它也是触摸屏的首要特性。不过，“透明” 在触摸屏里的概念比较空泛。由于技术的进步，很多触摸屏采用了多层复合薄膜，仅用透明来概括它的视觉效果是不恰当的，它应该至少包括透明度、色彩失真度、反光性和清晰度这四个基本度量。触摸屏需要在原本的显示面板基础上添加触控操作的介质，如果缺乏足够的透明度，多多少少会影响到原本的显示效果。透明度越大，则对显示效果的影响越小。触控操作在日常生活中已经很常见。由于触控介质对透明度的影响，以及光线由此产
6、生的折射，我们通过触摸屏看到的图象相比原图象肯定存在色彩失真，色彩失真度自然是越小越好。支持触控操作的 Fairlight CMI 工作站反光性主要是指由于镜面反射造成的重叠光影，如人影、窗户、灯光等。反光性是触摸屏带来的负面效果，越小越好。它能明显影响到用户的应用体验，甚至会使用户无法看清显示的图像。通过防眩光处理后，触摸屏的反光性会有明显下降。不过，如果处理不当，防眩型的透光性和清晰度也可能会出现较大幅度的下降。世界上第一台针对消费市场的触摸屏电脑 HP-150至于清晰度，顾名思义是指整个屏幕的显示效果是否清晰。清晰度的问题主要存在于具有多层薄膜结构的触摸屏上，由于薄膜层之间光反复反射和折
7、射所致。此外，防眩型触摸屏由于表面经过磨砂处理，也可能会造成清晰度下降。绝对坐标触摸屏通过判断触点的位置来实现人机界面交互。与鼠标需要经过转换不同，触摸屏是“指哪儿点哪儿” 。因此，触摸屏是典型的绝对坐标系统，特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系。触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标。这就要求触摸屏坐标同一点的输出数据是稳定的，如果输出数据不稳定就不能保证绝对坐标定位，如此就会导致“漂移”现象。触摸屏需要通过坐标系统对操作进行定位。传感器触摸屏需要检测触摸并对触点进行定位，因此，必须具有能够对触摸动作做出响应的传感器。无论触摸屏采用何种技术
8、，它们都依靠各自的传感器来工作，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。不同的定位原理和各自所用的传感器则决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。因此，尽管电容式触摸屏存在之前我们所说的“漂移”现象，但它在反应速度上的优势却使它成为了需要快速响应的消费设备的首选。触摸屏的分类触摸屏当然也有不同的分类，根据传感器的不同，触摸屏可以分为五类：矢量压力传感式、电阻式、电容感应式、红外线式以及表面声波式。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台，我在这里就不过多阐述了，下面我就介绍一下各种技术触摸屏的主要特点。电阻式触摸屏电阻式触摸屏主要利用压力感应进行控制。它的介质是一块与显示面板表面贴合非常紧密的
9、电阻薄膜屏，这种多层的复合薄膜以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明的导电电阻层，其上再覆盖一层塑料层。这层塑料层与导电电阻层相邻的内表面也涂有一层导电涂层，在两层导电涂层之间有许多细小的的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在坐标轴的 X 和 Y 两个方向上产生信号，然后发送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出手指（X，Y ）的位置，再按照预定的程序设置进行运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。电阻屏结构示意图根据触摸屏所需要的引线数目，电阻屏分为四线电阻屏和五线电阻屏。不管是四线电阻屏还是五线电阻屏，它们都处于一
10、种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘和水汽。电阻屏可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，比较适合工业控制领域及办公室的使用。同时，由于电阻屏的精度只取决于数模转换的精度，因此能轻松达到40964096 这样的高分辨率。电阻屏共同的缺点是耐用性较差，由于复合薄膜外层采用塑胶材料，不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。相对而言，五线电阻屏的耐久度要好得多。五线电阻屏的耐久度比四线电阻屏要好一些。电容式触摸屏电容式触摸屏主要利用人体的静电感应进行工作。通常来说，它是一块复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层氧化铟涂层，最外层是一层稀土玻璃保护层。氧化铟涂层是电容屏的工作面
11、，四个角上引出四个电极；内层氧化铟为屏蔽层，从而保证良好的工作环境。当手指触摸金属涂层时，由于人体电场的作用，用户和触摸屏表面形成一个耦合电容。手指从接触点吸走很小的高频电流，这股电流从触摸屏四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比。控制器通过对这四股电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。电容屏结构示意图电容屏具有灵敏度高的优点，并且容易实现多点触控，有助于提高用户应用体验。同时，电容屏由于主要采用手势操作，没有硬物点按，因此具有比电阻屏更长的工作寿命，从而被消费电子设备广泛采纳。不过，电容屏的反光相对严重，而且多层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的
12、问题。此外，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏，哪怕不触摸就可能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重。电容屏的另一个缺点是一旦绝缘就没有反应，比如用戴手套的手触摸时没有反应。漂移也是电容屏的缺点，当环境温度和湿度改变导致环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。iPhone 的出现让电容屏迅速成为智能手机的标配之一。红外式触摸屏红外触摸屏是利用 X、Y 坐标方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸操作。它在显示器的前面安装一个电路板外框，从而在四边排布红外发射器和接收器，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指会挡住经过该位置的横竖两条红外线
13、，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。理论上，红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，能够适宜恶劣的环境条件。然而，受限于技术水平的限制，红外触摸屏在分辨率、触摸方式的多样化和抗环境干扰等指标上存在局限。新一代的红外触摸屏在这方面已经有了很大的改善。红外屏可以做到较大尺寸，很多 KTV 点歌台就采用了红外屏。表面声波触摸屏表面声波触摸屏可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，三个角分别粘贴着X、Y 方向的声波发射换能器和声波接收换能器（换能器由特殊陶瓷材料制成，分为发射换能器和接收换能器，能够把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能，和由反射条纹汇聚成的表面声波能变为电信号），四个边刻着反射表
14、面超声波的反射条纹。当手指或软性物体触摸屏幕，部分声波能量被吸收导致接收信号发生改变，再经过控制器的处理便能得到触摸的 X、Y 坐标。表面声波触摸屏具有较高的清晰度和透光率（高达 92%），并具有极好的抗刮伤能力和工作寿命。声波发射技术具有较好的灵敏度和分辨率，并且不受温度、湿度等环境因素影响。由于声波发射技术没有漂移现象，校正简单，目前在公共场所使用较多。不过，表面声波触摸屏需要经常维护，灰尘油污甚至饮料的液体沾污在屏的表面都会阻塞触摸屏表面的导波槽，使声波不能正常发射，或使波形改变导致控制器无法正常识别，从而影响触摸屏的正常使用。表面声波触摸屏结构示意图触摸屏的发展展望触摸屏是一种优秀而直
15、观的人机交互界面，用户只要用手指轻轻地碰显示屏上的图符或文字就能对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，大大方便了那些不懂电脑操作的用户。随着移动互联时代的来临，越来越多的移动终端也开始用到触摸屏。与此同时，多媒体信息查询设备的与日俱增也让人们越来越多地体会到触摸技术带来的好处。未来，触摸屏必将会越来越地介入到人们的生活当中。德普特工程师谈触摸屏技术与发展（下）2013-02-17 王阔微型计算机2013 年 2 月上我们在上期为大家介绍了触摸屏的整体概念，包括触摸屏的特性和各种分类。虽然面很广，但很多朋友可能会觉得不够深入。所以，我们认为有必要为各位详细介绍两类触摸屏：电阻式触摸屏和电容式触
16、摸屏。它们是目前各种 IT 设备上最常见的触摸屏，尤其是电容式触摸屏更是在近几年发展非常迅速，已经成为手机、平板等移动设备的触摸屏首选。现在，我们一起来看看，这两种就在你身边甚至手上的触摸屏，到底有哪些玄机？电阻式触摸屏我们已经知道，电阻式触摸屏（以下简称电阻屏）主要通过压力感应进行工作，按压电阻屏的时候，其内部的两层导电层就有了接触，电阻发生变化从而产生电信号。控制器侦测到这个信号后，其中一面导电层接通 轴方向的 5均匀电压场，另一导电层将接触点的电压引至控制卡进行 A/D 转换，得到电压值后与 5相比即可得触摸点的 轴坐标，同理得出 轴的坐标，这就是电阻屏定位操作的原理。具体来说，电阻屏的
17、多层结构中最核心的是两层导电涂层，它们的涂层材料分别是：1.ITO，氧化铟，弱导电体，多用于内层导电层。其特性是当厚度降到 1800 个埃（1埃=10-10 米，常见的纳米单位的 1/10）以下时会突然变得透明，透光率为 80%，再薄下去透光率反而下降，到 300 埃厚度时又上升到 80%。ITO 是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO 涂层。2.镍金，多用于五线电阻屏的外层导电层。外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料，目的是为了延长使用寿命，但是成本较为昂贵。镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的
18、工作面，因为它导电性太好，不宜作精密电阻测量，而且金属不易做到厚度非常均匀，只能作为探层。电阻屏分类除了 PDA 之类的手持设备，早期采用传统形态的平板电脑也会采用电阻技术。根据具体结构和工作原理的区别，目前常见的电阻屏分为两类：1.四线电阻屏采用多层聚酯结构，也称做塑料-塑料- 玻璃（有机玻璃）结构。最底层（靠近显示屏）是普通玻璃，表面是两层 ITO 导电层（ITO Film，多采用塑料材质），上层用以读取y 轴电压值，下层用以读取 x 轴电压值，并有四条电路引线，因此被称为四线电阻屏。由于四线电阻屏采用由玻璃或塑料组成的分层结构，因此所产生的附加层会导致光清晰度降低。另外，四线电阻屏必须通
19、过两层来对 x 轴和 y 轴进行测量，而长期使用后导电层分层和型变问题难以避免，从而造成操作精度下降。2.五线电阻屏结构相对简单，采用聚酯薄膜（ITO Film）覆盖在 ITO 玻璃（底层基板）上的玻璃基板结构，称做塑料-玻璃结构。这种结构具有更好的光学特征、更不容易分层和更好的透光率，稳定可靠。五线电阻屏利用底层基板进行 x 和 y 轴测量，聚酯薄膜外层的作用是仅仅作为一个测量电压的探针。由于底层基板需四条引线，外层一条引线，因此被称为五线电阻屏。它可以通过精密的电阻网络来校正内层 ITO 的线性问题：由于导电镀膜有可能厚薄不均匀而造成电压不均匀分布。这就意味着触摸屏能够保持连续工作，而且可
20、以精确、持久、稳定可靠地测量和无漂移地工作。五线电阻屏是目前比较常见和优秀的电阻屏。电容式触摸屏与依靠压力感应的电阻屏不同，电容式触摸屏（以下简称电容屏）的工作原理是借助电流感应。电容屏采用了多层复合结构，四边均镀上狭长的电极，并将电荷存储在一根根比头发还要细的微型静电网中。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。电容屏利用感应人体微弱电流的方式来达到触控的目的，这就是为什
21、么当你带上手套触摸屏幕时，设备没有反应的原因。电容屏结构和工作原理电容屏的分类按照设计原理的不同，电容屏可以分为表面电容式(SCT，Surface Capacitive Touch)和投射电容式(PCT，Projected Capacitive Touch)两大类。SCT 表面电容式的面板是一片涂布均匀的 ITO 层，面板的四个角落各有一条引线与控制器相连接。为了能够侦测触碰点的确切位置，控制器必须先在 SCT 面板上建立一个均匀的电场，这部分工作是由 IC 内部的驱动电路对面板进行充电来达到。当手指触及屏时，会引发微量电流活动；此时 IC 内的感测电路会分别解析四条引线上的电流量，并依照固定
22、公式将触碰点的 X、 Y 坐标推算出来。苹果 iPhone 的出现，让支持多点触摸功能的投射电容式触摸屏迅速成为市场主流。PCT 投射电容式则是建构在矩阵的概念之上。它主要依靠两层 ITO 膜（驱动 ITO 层、感应 ITO 层）来实现功能， 驱动 ITO 层与感应 ITO 层可以蚀刻在同一块基材的两面，也可以分别蚀刻在两块基材上。它的 ITO 涂层是经过蚀刻而产生特定图案的，目的在于增强识别的精确度。通过这些图案在 X 轴与 Y 轴方向分别复制数次（次数多寡根据屏尺寸而定），最终形成一个类似棋盘的 PCT 矩阵。当手指接近或接触到屏时，会在屏上增加一个电容量。对 PCT 面板的电路而言，电容
23、量的出现意味着电流振荡的周期变长而频率降低。通过计算手指触碰前后振荡周期与频率的改变，控制器因而可辨别出触碰的位置，甚至还能分辨手指与屏的间隔（即提供 Z 轴信息）。四线/五线电阻屏规格对比表四线电阻屏 五线电阻屏厚度 1mm5mm 1mm5mm响应时间 小于 8ms 小于 10ms分辨率 40964096 40964096耐用性最多触摸约 300万次 最多触摸约 3500 万次防刮伤局部刮伤后，无法使用局部刮伤后，屏幕仍然可以正常使用表面硬度 3H特殊的防刮层，表面硬度可以达到 4H生产成本工艺比较容易，成本低 工艺比较复杂，成本较高常见尺寸 10.4 英寸以下 10.4 英寸以上对普通用户
24、来说，表面电容式和投射电容式的最大区别在于后者能实现多点触摸（Multi-touch），而前者只能只能完成单点触摸（Single-touch）。所以，在多点触摸应用大行其道的现在，投射电容式电容屏成为了绝对的主流。投射电容屏分类投射电容屏又分为自电容屏和互电容屏两种类型。在玻璃表面用 ITO 原料制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是通常所说的自电容（自身有储存电荷的能力），也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加。在触摸操作时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向
25、坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。如果是单点触摸，则在 X 轴和 Y 轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的；如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一 X 方向或者同一 Y 方向，则在 X 和 Y 方向分别有两个投影，最终将组合出 4 个坐标。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的“鬼点”。因此，自电容屏无法实现真正的多点触摸。互电容屏也是在玻璃表面用 ITO 制作横向电极与纵向电极，它与自电容屏的区别在于，两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检
26、测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。电容屏结构虽然不同结构类型的电容屏采用了不同的材料和设计，但总的来说，所有的电容屏都必须有两个结构层：Cover 层和 Sensor 层。Cover 层在电容屏表面起保护作用，Sensor 层则是触摸功能部件，二者都可以采用玻璃或者 PET 薄膜材质。根据 Cover层和 Sensor 层采用材质的不同，电容屏通常可以分为
27、以下三类：PG：Cover 和 Sensor 层分别采用 PET 薄膜和玻璃材质，通过光学级透明胶将二者粘合起来。由于 PET 材质强度不高的缘故，PG 电容屏的表面硬度只能达到 2H3H，而且在耐腐蚀、透光率和手感方面有所不足。不过，它的成本较低，而且厚度可以控制在 1.3mm1.5mm ，相对较薄。GM：结构与 PG 相反，Cover 和 Sensor 层分别采用玻璃和 PET 薄膜，同样具备厚度薄和成本低的优势，而且玻璃表面更耐磨。不过它只能以单点操作为主（可虚拟两点手势，但准确度差），而且手写较差。GG：厚度一般为 1.8mm 2mm，Cover 和 Sensor 层都采用玻璃材质，硬
28、度高，准确度高，透光性好，手写效果好，支持真实多点触摸操作。但它的成本相对较高，而且受撞击后的底面 Glass Sensor 容易破坏。除了以上三种结构电容屏之外，目前又兴起了另外两种更薄更先进的电容屏：In-cell：采用显示屏内嵌式设计，即将触摸屏模组直接整合在显示面板之内，使得显示面板本身就具备触控功能，不需另外进行与触控面板的贴合与组装。In-cell 电容屏利用 TFT 彩色滤光片作为触摸屏的感应 ITO 层，在彩色滤光片玻璃的另一面蚀刻驱动ITO 层。由于将触摸屏功能整合在显示模组内，减少了 ITO 导电玻璃的层数，因此 In-cell 电容屏的整体厚度低于传统的触摸屏+显示屏模式
29、，具备超薄机身的苹果 iPhone 5 就采用了这样的技术。不过由于技术新颖，使得面板制程在整合上也存在很高的门槛及挑战，相关技术通常都是由液晶面板厂把持，而且现阶段良率和成本方面，都还无法满足消费市场的要求。In-cell 电容屏结构OGS： One Glass Solution 的缩写，即在一块玻璃上集成 Cover 和 Sensor 两种功能，同时起到保护玻璃和触摸传感器的双重作用。相对目前主流电容屏来说，OGS 电容屏结构简单,轻、薄、透光性好，而且利于降低生产成本、提高产品良率。目前 OGS 面临感应线路的制程选择、兼做表面玻璃时该有的强度维持与质量稳定性、控制芯片的调校等问题，但综合来看，OGS 仍然是目前最具性价比的超薄触摸屏解决方案。OGS 电容屏结构写在最后：种种迹象已经充分证明，触摸操作正在成为最重要的人机交流方式，即使是 PC 电脑这样已经具备足够成熟操作方式的产品，也没法回避正汹涌而至的触控大潮 不论是软件端，还是硬件端，触摸操作都成为了厂商和消费者共同关注的热点。很明显，触摸操作会越来越密切地与大家的生活相联系，手机、平板、电脑以及各种各样的公共查询设备都会集成触摸操作功能，而这也确实会为我们带来真正的便捷。
