手機電阻式觸摸屏的應用和發(fā)展

引言

　　近幾年來(lái)手機技術(shù)的發(fā)展日新月異，隨著(zhù)手機觸摸屏技術(shù)的不斷發(fā)展，使我們在操作手機方面的體驗產(chǎn)生諸多變化。早期觸摸屏是以一個(gè)高端的形態(tài)出現，1999 年摩托羅拉A6188 機型的出現徹底改變了大家對手機操作的觀(guān)念，更重要的是手寫(xiě)技術(shù)被引入手機領(lǐng)域，觸摸屏越來(lái)越多地被用在手機上。蘋(píng)果的iPhONe 出現后，又打破了這一傳統觀(guān)念，多指觸摸技術(shù)的發(fā)展，讓觸摸屏的應用一下子被拉到了一個(gè)全新的領(lǐng)域。

　　1 傳統四線(xiàn)電阻式觸摸屏技術(shù)

　　早期手機觸摸屏技術(shù)，如前面提到的摩托羅拉A6188 手機是采用傳統的“模擬四線(xiàn)電阻式觸摸屏”技術(shù)，這種觸摸屏由兩層涂有透明導電物質(zhì)的玻璃和塑料構成，手指觸摸的表面是一個(gè)硬涂層，用以保護下面的PET（聚脂薄膜）層，在表面保護硬涂層和玻璃底層之間有兩層透明導電層ITO（氧化銦，弱導電體），分別對應X、Y 軸，它們之間用細微透明的絕緣顆粒絕緣，如圖1 所示。

　　觸摸產(chǎn)生的壓力會(huì )使兩導電層接通，按壓不同的點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)到輸出端的電阻值也不同，因此會(huì )輸出與該點(diǎn)位置相對應的電壓信號（模擬量），經(jīng)A/D轉換后即可獲取X、Y 的坐標值，如圖2 所示。這就是電阻技術(shù)觸摸屏的最基本原理，此類(lèi)技術(shù)目前已經(jīng)成熟，因為價(jià)格低、易于生產(chǎn)，現在還用于低端的手機中。

　　2 純平電阻式（TOUCH LENS）技術(shù)

　　傳統的手機電阻觸摸屏與手機機殼裝在一起，是有凹凸面的，結構不密封?，F在市場(chǎng)上具體應用得比較前端的是采用TOUCH LENS 技術(shù)的一種觸摸屏，中文俗稱(chēng)為“鏡面式觸摸屏”、“純平觸摸屏”等，現在已經(jīng)得到廣泛認可和應用，以蘋(píng)果iPhone 為主要推動(dòng)力量，它分為電阻式和電容式，iPhone 就是用電容式技術(shù)的，此前市場(chǎng)上應用比較多的是電阻式，其工作原理同傳統電阻式觸摸屏一樣，結構如圖3 所示，圖4所示為從手機屏幕面所看到的一個(gè)純平效果的例子。

　　TOUCH LENS 的主要特點(diǎn)：（1） 觸摸面板與手機機殼表面完全平整、結構密封、防灰塵；（2）能加工不規則形狀，以將手機外觀(guān)設計得更美觀(guān)；（3）手寫(xiě)順滑、手感舒服，屏面清潔、外觀(guān)漂亮，材質(zhì)過(guò)硬，不容易破碎；（4）因為上下電極層都是膜結構，厚度比傳統觸摸屏更薄，對于結構設計頗具優(yōu)勢。

　　3 觸摸屏多點(diǎn)觸控技術(shù)的發(fā)展

　　3.1 電阻式多點(diǎn)觸摸屏（Multi -touchresiSTive screen）技術(shù)

　　不管是傳統的四線(xiàn)電阻式觸摸屏還是TOUCHLENS 結構，以上手機只能單點(diǎn)觸摸，不能滿(mǎn)足豐富的觸摸動(dòng)作體驗，火熱的多點(diǎn)觸摸技術(shù)促使電阻式觸摸屏的進(jìn)一步發(fā)展。在電容屏大行其道的今天，電阻式觸摸屏解決方案以其固有的簡(jiǎn)單、低成本，支持多種輸入介質(zhì)（導體、非導體）的優(yōu)點(diǎn)仍然占據市場(chǎng)的一席之地，和電容式觸摸屏解決方案相比，耐久性和多點(diǎn)觸摸是電阻屏的兩大軟肋，但是目前其中的一個(gè)技術(shù)難題---多點(diǎn)觸摸，已經(jīng)有所突破，下面對目前電阻屏多點(diǎn)觸摸應用進(jìn)行闡述。

　　當前電阻式多點(diǎn)觸摸技術(shù)可大致分為數字矩陣電阻DMR、模擬矩陣電阻AMR 及五線(xiàn)多點(diǎn)電阻MF 三類(lèi)。

　　3.2 模擬矩陣電阻AMR 技術(shù)

　　如圖5 所示，AMR 是沿X 與Y 兩個(gè)方向在ITO層蝕刻出一條一條平行排列的區塊，相當于將整個(gè)觸摸屏劃分成很多小矩陣區塊，每個(gè)小矩陣相當于一個(gè)小的模擬四線(xiàn)電阻式觸摸屏，各個(gè)區塊彼此獨立。如圖6 所示，當手指按壓到對應的區塊時(shí)，區塊就會(huì )傳出對應比例的電壓，控制器接收到電壓后再將其翻譯成坐標信息。

　　圖5 給出了利用四線(xiàn)式電阻觸摸屏實(shí)現多點(diǎn)觸摸技術(shù)的方法：第一個(gè)時(shí)刻，在X1 電極上加上電壓，由Y1、Y2、Y3 電極讀取A、B、C 觸摸單元所探測到的X 坐標；同理，在以后的各個(gè)時(shí)刻依次讀取剩余觸摸單元的X 坐標。獲得所有觸摸單元的X 坐標后，再依次給Y 電極加上電壓，以獲得各個(gè)觸摸單元的Y 坐標。

　　模擬矩陣電阻AMR 與純數字的DMR 技術(shù)多點(diǎn)觸摸屏系統不同，AMR 是一個(gè)數字模擬混合系統，因此，在掃描電路、AD 轉換電路、控制電路的基礎上，還需添加各種輔助元件來(lái)減小外界噪聲對模擬電路的干擾。特別是對于A(yíng)D 轉換，為了提高轉換的精準度，有必要在硬件電路上添加下拉電阻，以避免無(wú)觸摸發(fā)生時(shí)AD 輸入端浮接的現象。

　　控制電路將控制掃描電路生成恰當的掃描信號，并使得AD 轉換電路在恰當的時(shí)候進(jìn)行數據采樣和轉換。對于A(yíng)D 轉換電路，可以在串行轉換和并行轉換間做取舍。串行轉換結構簡(jiǎn)單，需要的AD 模塊數量少，但是總的轉換頻率低；并行轉換需要的AD 模塊數量稍多，但總的轉換頻率可以得到提高。

　　于是基本電路構架便可以分為串行和并行兩種，如圖7 所示。值得注意的是，圖6 僅表現了坐標采集轉換電路的基本原理和結構，并沒(méi)有畫(huà)出為減小各種電器噪聲而添加的元件，如AD 的下拉電阻、濾波電容等。

　　3.3 數字矩陣電阻DMR 技術(shù)

　　原理上，DMR 是將觸控面板上下層劃分成許多很小的區塊，當某一區塊被碰觸，這一區塊就會(huì )被啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)線(xiàn)路會(huì )發(fā)出指示開(kāi)關(guān)的數字訊號傳給控制器，控制器便能計算出觸碰位置的坐標。

　　如圖8 所示，8×8 數字電阻觸摸屏， 基于A(yíng)ltera 解決方案［1］：它采用兩層ITO 分別作為水平的sensing line（觸摸感測線(xiàn)）和垂直的driving line（加電驅動(dòng)線(xiàn)），driving line 和sensing line 之間的觸點(diǎn)就相當于一個(gè)開(kāi)關(guān)，在未接觸時(shí)，它們之間是絕緣的，而接觸發(fā)生后，兩者發(fā)生短路，相當于開(kāi)關(guān)閉合。驅動(dòng)的時(shí)候，其中sensing line 通常由一個(gè)上拉電阻施加高電平，同時(shí)在driving line 上以一定頻率依次在各列中施加負脈沖電壓，這樣當掃描到觸點(diǎn)所在的那一列時(shí)，由于觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合，形成直流通路，使得觸點(diǎn)所在行的電壓被拉低，形成一個(gè)負脈沖，這樣就檢測到了觸點(diǎn)的位置。由于driving line 是依次掃描，所以可以檢測到多個(gè)觸點(diǎn)的位置。

　　圖8 觸摸解碼的工作模式

　　數字矩陣電阻DMR 其實(shí)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)格，由于各個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)彼此獨立識別，所以互不干擾，可以實(shí)現真正意義上任意多點(diǎn)的多點(diǎn)觸摸。橫向數據的并行寫(xiě)入以及不需要AD 轉換，極大地提高了觸摸屏的工作速度。但是，數字矩陣電阻DMR 需要眾多的電極和端口，導致其成本遠高于模擬矩陣電阻AMR，故僅適用于對系統可靠性和工作速度有特別要求的應用場(chǎng)合。

　　3.4 五線(xiàn)多點(diǎn)電阻MF 技術(shù)

　　無(wú)論是AMR 還是DMR，只要上層的導電薄膜被劃傷，整個(gè)觸摸屏就會(huì )無(wú)法正常使用。傳統五線(xiàn)電阻屏，只有下導電層是電壓分布層，上導電層只是電壓檢測層，所以對上導電層的電阻均勻性沒(méi)有嚴格的要求，不存在真實(shí)坐標，耐受性較高。工作時(shí)在下導電層的四個(gè)角上加電壓，這樣就可以在下導電層X(jué) 和Y 兩個(gè)方向產(chǎn)生均勻電壓場(chǎng)分布，如圖9（a）所示，當有觸摸時(shí)，通過(guò)上導電層檢測接觸點(diǎn)電壓，然后傳送給控制器轉換為觸摸點(diǎn)X 和Y方向的坐標。

　　傳統五線(xiàn)電阻屏的優(yōu)點(diǎn)：（1）上導電層電阻均勻性要求較低；（2）上導電層只做檢測作用，損傷后只要導通即可使用，點(diǎn)擊、劃線(xiàn)壽命大大優(yōu)于四線(xiàn)屏（例如：點(diǎn)擊：四線(xiàn)100 萬(wàn)次，五線(xiàn)500 萬(wàn)次；劃線(xiàn)：

　　四線(xiàn)10 萬(wàn)次，五線(xiàn)50 萬(wàn)次）；（3）只在下導電層完成X、Y 坐標的檢測，定位更加準確。缺點(diǎn)：（1）從四角加電壓，容易產(chǎn)生枕形失真；（2）由于補償電極的設計，邊框不可能做得很窄，因此目前一般只在中大尺寸屏上應用，在手機上應用很少。

　　MF 除了具有傳統五線(xiàn)屏的所有優(yōu)點(diǎn)之外，還有本身的一些特點(diǎn)，如圖9（b）所示：（1）采用分段電極設計，取代原來(lái)的補償電極設計，使用金屬走線(xiàn)代替印刷銀線(xiàn)，邊框可以做得較窄，適合在各種尺寸上應用；（2） 通過(guò)在上導電層進(jìn)行分塊可以實(shí)現多點(diǎn)觸摸，支持手寫(xiě)輸入；（3）具有和四線(xiàn)電阻屏同樣優(yōu)秀的線(xiàn)性。

　　MF 需要在Glass 上進(jìn)行一次ITO 和金屬的濺射和蝕刻（Metal sputtering and etching），因此價(jià)格比四線(xiàn)電阻屏要高。電容屏（Cypress）需要濺射兩層二氧化硅、兩層ITO 和一層金屬，然后蝕刻，后續都要進(jìn)行一定的加工，因此電容屏的價(jià)格要比多點(diǎn)觸摸電阻屏高出30~40%.MF 因為是多電極引出，邊框不可能非常窄，現階段可以做到最內側金屬電極到屏邊界2.3mm，還可進(jìn)一步窄化。另外，其上導電層分塊之間的間隙會(huì )影響外觀(guān)，目前已經(jīng)可以將間隙做到30μm 以下，只有特殊角度才可以看得到，并且該間隙對使用沒(méi)有任何影響。

　　目前致力于電阻式多點(diǎn)觸摸解決方案的公司除了Altera，還有Stantum、Touchco、Samsung等，成本低是它的最大優(yōu)勢，如果能在精確度和可靠性上更進(jìn)一步，相信電阻式觸摸屏會(huì )更受青睞。

　　4 結論

　　多點(diǎn)觸摸技術(shù)的操作方式把我們帶進(jìn)了一個(gè)人機交互的新紀元，尤其是手機的操作理念正經(jīng)歷著(zhù)一場(chǎng)革命。新的觸摸屏技術(shù)正向著(zhù)更簡(jiǎn)單、更直觀(guān)、更人性化的方向發(fā)展，用觸控式的屏幕虛擬鍵盤(pán)替代傳統實(shí)體鍵盤(pán)可以節約手持設備寶貴的體積空間，并且可以在不需要使用鍵盤(pán)應用（如電影播放）時(shí)獲得更大的可視空間。同時(shí)，省去了鍵盤(pán)也可以大大簡(jiǎn)化廠(chǎng)家的生產(chǎn)工藝，減少材料的浪費。未來(lái)是一個(gè)觸摸的時(shí)代，多點(diǎn)觸摸技術(shù)將會(huì )帶給人更多的欣喜和體驗。