觸摸屏技術(shù)及其應用

觸摸屏技術(shù)及其應用觸摸屏是一種特殊的計算機外設(shè)，提供了目前最簡單、方便、自然的新型人機交互輸入方式。本文介紹了目前主流的觸控技術(shù)種類、特點和基本原理及其應用，并提出未來可能會出現(xiàn)的觸控技術(shù)。標簽：觸摸屏觸控技術(shù)電容屏電阻屏一、引言觸摸屏又稱為“觸控屏”、“觸控面板”，是一種代替了鼠標和鍵盤的與計算機溝通的設(shè)備。觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式。觸摸屏在全球范圍內(nèi)有廣泛的應用領(lǐng)域，從工廠設(shè)備、電子查詢設(shè)施，到移動電話、數(shù)碼相機、手機等都可看到觸控屏幕的身影。其廣泛應用也標志著計算機應用普及時代的真正到來。二、觸控屏組成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；而觸摸屏控制器接收從觸摸點檢測裝置上穿了送來的觸摸信息，并將它處理轉(zhuǎn)換成觸點坐標，再通過接口傳送給中央處理器CP同時能接收CPU發(fā)來的命令并加以執(zhí)行。觸摸屏的基本組成如圖1所示，包括以下幾個部分：1.前面板或外框前面板或外框是終端產(chǎn)品的最表層。在某些產(chǎn)品中，該外框?qū)⑼该鞯纳w板圍起來，以免受到外部的惡劣氣候或潮濕的影響，也防止下面的傳感產(chǎn)品受到刻劃以及破壞。2.觸控控制器通常，觸控控制器是一個小型的微控制器芯片，它位于觸控傳感器和PC/或嵌入式系統(tǒng)控制器之間。該芯片可以裝配到系統(tǒng)內(nèi)部的控制器板上。該觸控控制器將提取來自觸控傳感器的信息，并將其轉(zhuǎn)換成PC或嵌入式系統(tǒng)控制器能夠理解的信息。3.觸控傳感器觸控屏“傳感器”是一個帶有觸控響應表面的透明玻璃板。該傳感器被安放到LCD上面，使得面板的觸控區(qū)域能覆蓋顯示屏的可視區(qū)域?；旧?，這些技術(shù)都是在觸控時，使電流流過面板，從而產(chǎn)生一個電壓或信號的變化。這個變化將被觸控傳感器感應并傳輸，從而確定屏幕上的觸控位置。4.液晶顯示器（LCD）絕大多數(shù)的觸控屏系統(tǒng)用于傳統(tǒng)的LCD上。用于觸控產(chǎn)品的LCD選擇方法與傳統(tǒng)系統(tǒng)中基本相同，包括分辨率，清晰度，刷新速度，成本等。除了包括上說所列的硬件部分以外還包含系統(tǒng)軟件，軟件應保證觸控屏和系統(tǒng)控制電路一起工作，使得產(chǎn)品的操作系統(tǒng)能夠接受并處理來自觸控控制器的觸控事件信息。三、觸控屏主要特性從技術(shù)原理角度來講，觸摸屏是一套透明的絕對定位系統(tǒng)。1.透明性首先它必須保證是透明的，因此它必須通過材料科技來解決透明問題，“透明”，在觸摸屏行業(yè)里，僅用透明一點來概括它的視覺效果是不夠的，它應該至少包括四個特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。2.定位絕對性其次它是絕對坐標，手指摸哪就是哪，不需要第二個動作，不像鼠標，是相對定位的一套系統(tǒng)。3.感應性再者觸摸屏的第三個特性是檢測觸摸并定位，各種觸摸屏技術(shù)都是依靠各自的傳感器來工作的，甚至有的觸摸屏本身就是一套傳感器。各自的定位原理和各自所用的傳感器決定了觸摸屏的反應速度、可靠性、穩(wěn)定性和壽命。從目前觸摸屏的應用中，人們對觸摸屏的性能要求也越來越理性化，不斷提高與滿足光學特性、耐久性以及可靠性等指標已成為觸摸屏制造者不可忽略的因素。四、觸控技術(shù)的主流類型及其應用按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，觸摸屏主要分為四種，它們分別為紅外線式、表面聲波式、電阻式和電容感應式。每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點，都利用ITO做為組件的核心部分，發(fā)揮著重要作用。1.電阻式觸控技術(shù)電阻式觸控技術(shù)是最常用的觸控屏技術(shù)。由于是對壓力起反應，可以用手指，帶手套的手，觸控筆，或者像信用卡這類的其它的物體進行觸摸接觸。圖2表示了電阻觸控屏的結(jié)構(gòu)，圖3表示一般電阻觸控屏的系統(tǒng)示意圖。1.1電阻式觸控技術(shù)工作原理由電阻觸摸屏的側(cè)面結(jié)構(gòu)剖視圖看出，見圖2，它是由一層玻璃作為基層，玻璃表面涂有一層ITO透明導電層，上面在覆蓋一層很薄的有彈性的PET薄膜，在PET的內(nèi)表面也涂有一層ITO導電層，在這兩層ITO導電層之間有許多細小的透明隔離點，使得兩ITO導電層絕緣。手指觸摸按壓的表面是一個硬涂層，用以保護下面的PET層。當我們用手指按壓屏幕時，PET薄膜會向下彎曲，并使得下面的兩層ITO涂層能夠相互接觸并在該點使上下層電路導通。在實際工作中，在兩層ITO工作面的四周邊緣各加裝兩條導電線路，經(jīng)控制器分別于兩端各設(shè)定一直流電壓，為兩個工作面分別構(gòu)建一個均勻的電場，形成均勻連續(xù)的平行電壓分布。如圖4a所示，當我們用手指觸摸屏幕時，壓力使兩層導電層在接觸點的位置有了電路導通，電阻發(fā)生了變化，利用電阻分壓原理，產(chǎn)生了模擬電壓信號，即觸摸傳感器工作將壓力感應轉(zhuǎn)換為電壓信號，見圖4b，該信號由控制器處理，進行A/D轉(zhuǎn)換，測量出接觸點的模擬電壓值VMEAS，再根據(jù)這個電壓值和VREF電壓值的比例公式就能計算出觸摸點的X軸和Y軸的坐標，從而確定觸摸點的具體位置進而向主機請求輸入響應，由主機負責執(zhí)行完成用戶操作。1.2電阻式觸控特點、種類和應用電阻式觸摸屏上下兩層采用貼合密封，信號的產(chǎn)生是在夾層中間，所以它可以不受塵埃、水、污物的影響，精確度高，反應靈敏，工作穩(wěn)定性高。在圖4a中，A或B面兩個邊緣的條形電極稱為感應線，根據(jù)觸摸屏上的感應線數(shù)量，電阻式觸摸屏可再分為三大類，分別是4線、5線和8線。4線觸摸屏的條形電極安裝在兩個不同的導電電阻層（X+、X-在同一層，Y+、Y-另一個電阻層上），即如該圖所示；5線觸摸屏只在底層上有圓形電極（X+、X-、Y+和Y-），頂層用于在觸摸過程中測量電壓，電場電壓只施加在底層上。8線觸摸屏的工作原理與4線觸摸屏相似。只是給每一條線增加一個參考電壓線，所以最后的總線數(shù)達到8條。新增的4條線分別用于給原來的4條線提供參考電壓。因為成本低廉，觸摸感應算法簡單，4線觸摸屏被廣泛用于低端消費電子產(chǎn)品。5線和8線觸摸屏主要用于昂貴的高端醫(yī)療設(shè)備和重要的工業(yè)控制器。2.電容式觸控技術(shù)電容式觸摸屏與傳統(tǒng)的電阻式觸摸屏有很大區(qū)別。電阻式觸控屏幕需靠施力將二塊ITO接觸在一起；而電容式觸摸屏只要用指腹輕輕碰觸書寫即可，同時能進行多點觸控。2.1電容式觸控技術(shù)工作原理電容式觸控屏可以簡單地看成是由四層復合屏構(gòu)成的屏體：最外層是玻璃保護層，接著是ITO導電層，第三層是不導電的玻璃屏，最內(nèi)的第四層也是ITO導電層。其中，最內(nèi)導電層是屏蔽層，屏蔽內(nèi)部電氣信號，中間的導電層是感應工作層，在其四個角或四條邊上引出四個電極，負責觸控點位置的感應。工作時在導電層內(nèi)部建立一個低電壓高頻交流電場，當用戶觸摸電容屏時，由于人體電場，用戶手指和工作面形成一個耦合電容（0.1～2個pF單位微小的感應電容），對于高頻電流來說，電容是直接導體，就會有一定量的電荷轉(zhuǎn)移到人體，產(chǎn)生一定的感應電流。這個電流從工作面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，完成輸入請求。電容屏的工作示意圖如圖5所示。2.2電容式觸控特點、種類和應用基于電容式觸控屏的結(jié)構(gòu)和工作原理，此類觸摸屏特點鮮明。電容觸摸屏的雙玻璃使得透光性較高，防塵、防水、耐磨等方面較好，耐用度高。電容觸控屏技術(shù)分為兩種：表面電容技術(shù)和投射電容技術(shù)。表面電容技術(shù)，即它的架構(gòu)相對簡單，采用一層ITO玻璃為主體，外圍至少有四個電極，在玻璃四角提供電壓，在玻璃表面形成一個均勻的電場，檢測出觸控坐標的位置。因為它采用了一個同質(zhì)的感應層，而這種感應層只會將觸控屏上任何位置感應到的所有信號匯聚成一個更大的信號，此類架構(gòu)決定了表面電容式技術(shù)無法實現(xiàn)多點觸控功能。投射電容技術(shù)仍是以電容感應為主，但相較于表面電容式觸摸屏，投射電容式觸摸屏采用多層ITO層，形成矩陣式分布，以X軸、Y軸交叉分布做為電容矩陣，當手指觸碰屏幕時，可通過X、Y軸的掃描，檢測到觸碰位置電容的變化，進而計算出手指之所在?；诖朔N架構(gòu)，投射電容可以做到多點觸控操作。電容式觸摸屏以支持多點觸摸和識別迅速在消費便攜式終端設(shè)備中得到廣泛應用，電容式觸摸屏的應用也不會僅僅是現(xiàn)有的手機、隨身影音播放器等產(chǎn)品。五、未來的觸控技術(shù)從1974開始出現(xiàn)世界最早的電阻式觸摸屏以來，觸摸屏的技術(shù)經(jīng)歷了從低檔向高檔發(fā)展的歷程，應用范圍也較多體現(xiàn)在工業(yè)控制和消費電子產(chǎn)品上。觸摸屏技術(shù)未來的主要發(fā)展方向可以由技術(shù)和應用這兩方面來介紹。在應用層面上發(fā)展多觸點觸摸技術(shù)，提高使用效率；另外還提出了混合式觸控技術(shù)和觸覺反饋技術(shù)的概念，前者旨在在一塊觸控面上采用兩種或者兩種以上的觸控識別技術(shù)，達到多種觸控技術(shù)之間實現(xiàn)優(yōu)劣互補的目的，后者在可以為人們帶來便捷的操作方式和良好的視覺效果的同時，給用戶一個觸覺反饋。在技術(shù)層面，觸摸屏與平板顯示器FPD產(chǎn)業(yè)的進一步結(jié)合已經(jīng)成為必然。內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)觸控技術(shù)要利用多種技術(shù)將觸摸傳感器與顯示器件融為一體，對相關(guān)器件的設(shè)計和制造都會提出更大的變革，雖然目前還沒有實現(xiàn)商業(yè)化，但是這種結(jié)構(gòu)的觸控技術(shù)仍然是未來觸控技術(shù)的發(fā)展方向。