觸控技術(shù)揭秘

點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)、滑滑滑!每天我們這些低頭族都在機械的刷屏微信，我上周末用大光圈給我加妞拍照，驚奇的發(fā)現她在相機上竟然用手去滑我的屏幕去翻頁(yè)，姑娘啊，相機還沒(méi)有觸摸功能啊?？磥?lái)觸摸真的改變了人類(lèi)的生活方式。然而你就不好奇為什么你在玻璃板上動(dòng)動(dòng)手指頭，機器就知道你要做什么嗎?好吧，我來(lái)為你揭秘觸控技術(shù)。

觸控面板也叫觸摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc)，凡是電子設備都要用到屏幕，如果你不想讓你的屏幕被無(wú)聊的鍵盤(pán)占據一半面積，就必須要使用觸摸屏作為人機對話(huà)的媒介，觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設備。

觸控面板最早結緣于1965年E.A. Johnson一篇簡(jiǎn)短的描述電容觸摸屏的文章，繼而1967年深度發(fā)表有圖有真相的文章。再到1970年由兩位CERN(European Council for Nuclear Research)的兩位工程師在1970年代初期發(fā)明的透明觸控面板，并且與1973年投入使用。再后來(lái)到1975年一個(gè)美國人George Samuel Hurst發(fā)明了電阻式觸控面板并拿到美國專(zhuān)利(#3,911,215)，并與1982年投入商用。

1、觸控面板的技術(shù)要點(diǎn)：

從技術(shù)原理角度來(lái)講，觸摸屏是一套透明的絕對定位系統，首先它必須保證是透明的;其次它是絕對坐標，手指摸哪就是哪，不像鼠標需要一個(gè)光標作為相對定位用，所以很容易分散注意力，因為你要時(shí)時(shí)關(guān)注光標在哪里。

究其結構通常是在半反射式液晶面板上(ITO透明導電極)覆蓋一層壓力板，其對壓力有高敏感度，當物體施壓于其上時(shí)會(huì )有電流信號產(chǎn)生并且定出壓力源位置，并可動(dòng)態(tài)追蹤。這種就是我們媒體報道的on-cell技術(shù)?，F在亦有In cell Touch觸控組件集成于顯示面板之內，使面板本身就具有觸控功能，不需另外進(jìn)行與觸控面板的貼合與組裝即可達到觸控的效果與應用，主要是Apple在研究，優(yōu)缺點(diǎn)看我前一篇文章《面板驅動(dòng)IC》

接下來(lái)我們主要從透明性和定位方法來(lái)分別介紹不同觸控技術(shù)的區別及原理。

2、觸控面板的分類(lèi)及原理：

從技術(shù)原理來(lái)區別觸摸屏，可分為五個(gè)基本種類(lèi)：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(xiàn)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(xiàn)技術(shù)觸摸屏價(jià)格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真;表面聲波觸摸屏幾乎解決了所有觸摸屏的各種缺陷，清晰不容易被損壞，適于各種場(chǎng)合，致命的缺點(diǎn)是屏幕表面如果有水滴和塵土會(huì )使觸摸屏變的遲鈍甚至不工作，所以也很難普及使用。下面主要講電阻式和電容式屏幕吧。

1) 電阻式(Resistive Touch)：用力真好!

電阻式觸控板主要由兩片單面鍍有ITO(氧化銦錫)的薄膜基板組成，上板與下板之間需要填充透光的彈性絕緣隔離物(spacer dot)來(lái)分開(kāi)，如圖所示，下極板必須是剛性的厚玻璃防止變形，而上極板則需要感應外力產(chǎn)生形變所以需要爆玻璃或者塑膠。

正常工作時(shí)，上下極板接電壓并且處于斷開(kāi)狀態(tài)，當外力按下時(shí)上極板發(fā)生形變與下極板接觸導通，此時(shí)產(chǎn)生電壓變化，通過(guò)此電壓變化可以精確測量觸摸點(diǎn)坐標(因為觸摸上下極板接觸后則上下極板由原來(lái)的整體電阻變成了一分為二的電阻，而電阻值分壓值與它到邊緣的距離成比例推算X、Y坐標的)。所以電阻式觸摸屏的精度主要取決于這個(gè)坐標電壓的轉換精度，所以非常依賴(lài)于A(yíng)/D轉換器的精度(力度大小的電壓敏感性)。

因為電阻式螢幕透過(guò)壓力操控，所以不一定要用手來(lái)控制，筆、信用卡等都可以操作，即使戴套也沒(méi)關(guān)系，而且它和外界是隔離的所以它具有防塵防污的優(yōu)勢;不過(guò)如果「摸」得太輕，電阻式螢幕不會(huì )有反應，要用輕戳才行。電阻式螢幕成本低廉、技術(shù)門(mén)檻低，而且，操作電阻式觸控螢幕時(shí)需要輕敲，所以容易壞，而且靈敏度也不太好，畫(huà)畫(huà)、寫(xiě)字并不流暢。

2) 電容式(Capacitive Touch)：縱享輕滑!

然而，真正帶來(lái)智能手機風(fēng)潮的是電容式觸摸屏，它是由一片雙面鍍有導電膜的玻璃基板組成，并在上極板上覆蓋一層薄的SiO2介質(zhì)層。如圖所示，其中上電極是用來(lái)與人體(接地)構成平板電容感測電容變化的，而下極板用來(lái)屏蔽外界信號干擾的。

工作時(shí)，上透明電極需要接電壓并在四個(gè)角上引出四個(gè)電極，所以當手指觸碰上面的SiO2層時(shí)，因人體是導電的，所以人體與上透明電極之間產(chǎn)生足夠的耦合電容，并且根據與四個(gè)角(或周邊)測量的電容值變化來(lái)計算出觸控位置坐標(離觸控位置越近則電容越大)。但是這種表面電容式觸控(Surface Capacitive)還是無(wú)法滿(mǎn)足現在流行的多點(diǎn)觸控，如果要實(shí)現多點(diǎn)觸控必須要使用新技術(shù)叫做Projected-Capacitive Touch，它主要改變在于將表面的感應電極鋪設成一層或兩層并且進(jìn)行圖案化(主要是菱形)，一層負責X方向，一層負責Y方向。然后通過(guò)X方向和Y方向電極電容的變化來(lái)定位。

由于現在主流都是多點(diǎn)觸控(Multi-Touch)，所以我稍微多講一點(diǎn)他的演變過(guò)程，多點(diǎn)觸控的Projected Capacitive主要有兩種：自電容(Self-Capacitive)和互電容(Mutual Capacitive)。自電容它是直接掃描每個(gè)X和Y的電極電容，所以當兩個(gè)觸摸點(diǎn)的時(shí)候會(huì )額外產(chǎn)生兩個(gè)虛擬點(diǎn)(Ghost Points)，如圖所示，左邊為兩層電極圖形化示意圖(多為菱形)，它只需要一層ITO層即可，通過(guò)光刻形成X和Y電極。右邊為原理圖，從原理圖上看，當同時(shí)觸摸(X2, Y0)和(X1, Y3)時(shí)，由于量測四個(gè)電極的電容，所以會(huì )額外多出兩個(gè)點(diǎn)(X1, Y0)和(X2, Y3)，這就是Ghost Points，只能靠軟件解決了。雖然自電容有Ghost-Points的問(wèn)題，但是自電容位置精準靈敏度高，最大的好處是它可以做Single layer ITO膜，但是到大尺寸(>15寸)的時(shí)候點(diǎn)數增加導致管腳增多，成本會(huì )很高，而且點(diǎn)數多了之后中間的線(xiàn)路會(huì )走不出來(lái)，必須要把ITO變細，所以電阻增大，而且點(diǎn)數多掃描時(shí)間也會(huì )增長(cháng)，看似沒(méi)有優(yōu)勢，但是現在蘋(píng)果手機貌似就是在走自電容觸控技術(shù)，這些技術(shù)應該都突破了。

而互電容(Mutual-Cpacitive or Trans-Capacitive)它需要兩層ITO膜層，通過(guò)特殊的結構把X和Y電極在每個(gè)節點(diǎn)上分隔開(kāi)，這樣它掃描的就是節點(diǎn)(Intersection)電容，而不是電極電容了。只是這兩層ITO在交點(diǎn)處的接觸必須隔開(kāi)，需要用到MEMS技術(shù)將它類(lèi)似立交橋架起來(lái)。

不管是自電容還是互電容，都是依賴(lài)于將電容從人體電容中導到電極上，所以這兩種技術(shù)都叫做電荷轉移型電容觸控(Charge-Transfer)。