带手套不能操作智能手机问题的分析与解决.doc

电磁场原理课程设计带手套不能操作智能手机问题的分析与解决 摘 要本文根据带手套不能操作智能手机问题的分析与解决进行了电阻式与电容式触摸屏的原理分析，触屏手套原理等分析。触摸屏寄生电容的数学模型、触摸屏感应电容的数学模型等联系与电磁场原理经行分析。针对问题一，智能手机的屏幕是通过电容式单点触摸屏的单点电容式触摸屏只采用单层的ITO，当手指触摸屏表面时，就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失，电荷从屏幕的四角补充进来，各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例，我们可以由此推算出触摸点的位置来实现触碰操作的。针对问题二，以前的触碰手机可以戴手套实现操作电阻屏是通过屏幕感应力的变化使得流过屏幕的电流发生改变从而实现触摸感应。因为是力感，所以电阻屏不会出现戴手套无法使用的情况。出现戴手套无法使用的触屏都是电容屏，电容屏是人体静电驱动原理。人本身是导体同时带有静电，人的手指触摸到电容屏时静电作用改变了电容屏的电容，从而改变电流实现触摸感应。所以就会出现戴手套用不了的情况。针对问题三， 利用电容数学模型和电磁场原理可以得到：人体可以看作为导体，当手指接近或接触电容电极时会影响电容电极的电荷分布。手指是作为电极影响触摸屏电极的电荷分布的。第一种由于电容在电压激励下产生的新生电容。第二种情况是，当手指靠近极板时，增加了极板的电场强度，使电力线密度上升，感应电容也就随之加大。这个电容在电容式触摸屏的定位中被称作自电容。再加上，由于手指的靠近，改变了极板间的电力线分布,改变了极板间的场强分布，电极极板间的电力线减少，也就减小了互电容的大小。关键词：电阻屏 电容屏 触屏手套 多点触摸 电容模型目录1触摸屏原理11.1电阻式触摸屏11.1.1 传统四线电阻式触摸屏技术11.1.2 纯平电阻式（TOUCH LENS）技术21.2电容式触摸屏31.2.1 表面电容式31.2.2投射式电容屏31.2.3多点触控技术42 电容式触摸屏应用实验52.1触摸屏寄生电容数学模型52.1.1平板电容52.1.2金属线与平行板电容52.1.3两条平行金属线间的电容62.2触摸屏感应电容的物理模型63 电阻式与电容式手机应用上比较73.1电阻与电容“屏”质不同74触屏手套原理84.1触屏手套简介84.2电阻屏与电容屏在戴手套使用手机的实现85 电容式触摸屏的发展趋势与市场前景85.1触摸屏电容式将取代电阻式85.2触摸屏技术的发展9 电磁场原理课程设计 正文触摸屏应用与发展1触摸屏原理触摸屏（touch screen）又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置，当接触了屏幕上的图形按钮时，屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置，可用以取代机械式的按钮面板，并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果。触摸品技术是一种新型的人机交互输入方式，与传统的键盘和鼠标输入方式相比，触摸屏输入更直观。配合识别软件，触摸屏还可以实现手写输入。触摸屏由安装在显示器屏幕前面的检测部件和触摸屏控制器组成。当手指或其它物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS232串行口, USB等）送到主机。目前触摸屏已经由单点触屏发展到实现多点触屏了。触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。它赋予了多媒体以崭新的面貌，是极富吸引力的全新多媒体交互设备。主要应用于公共信息的查询、领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。 1.1电阻式触摸屏近几年来手机技术的发展日新月异，随着手机触摸屏技术的不断发展，使我们在操作手机方面的体验产生诸多变化。早期触摸屏是以一个高端的形态出现， 触摸屏越来越多地被用在手机上。 电阻式触摸屏是一种传感器，基本上是薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面均涂有ITO(纳米铟锡金属氧化物）涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。1.1.1 传统四线电阻式触摸屏技术 传统的“模拟四线电阻式触摸屏”，这种触摸屏由两层涂有透明导电物质的玻璃和塑料构成，手指触摸的表面是一个硬涂层，用以保护下面的PET（聚脂薄膜）层，在表面保护硬涂层和玻璃底层之间有两层透明导电层ITO（氧化铟，弱导电体），分别对应X、Y 轴，它们之间用细微透明的绝缘颗粒绝缘，如图1.1所示图1.2 四线电阻屏内部测量示意图图1.1 四线电阻屏触摸示意图触摸产生的压力会使两导电层接通，按压不同的点时，该点到输出端的电阻值也不同，因此会输出与该点位置相对应的电压信号（模拟量），经A/D转换后即可获取X、Y 的坐标值，如图1.2所示。这就是电阻技术触摸屏的最基本原理，此类技术目前已经成熟，价格低、易于生产。1.1.2 纯平电阻式（TOUCH LENS）技术传统的手机电阻触摸屏与手机机壳装在一起，是有凹凸面的，结构不密封。现在市场上具体应用得比较前端的是采用TOUCH LENS 技术的一种触摸屏，俗称为“镜面式触摸屏”、“纯平触摸屏”等，现在已经得到广泛认可和应用，以苹果iPhone 为主要推动力量，它分为电阻式和电容式，iPhone 就是用电容式技术的，此前市场上应用比较多的是电阻式，其工作原理同传统电阻式触摸屏一样，结构如图1.3所示，图1.4所示为从手机屏幕面所看到的一个纯平效果的例子。TOUCH LENS 的主要特点：图1.3 纯电阻式结构图（1） 触摸面板与手机机壳表面完全平整、结构密封、防灰尘；（2）能加工不规则形状，以将手机外观设计得更美观；（3）手写顺滑、手感舒服，屏面清洁、外观漂亮，材质过硬，不容易破碎；图1.4 纯电阻式面板效果图（4）因为上下电极层都是膜结构，厚度比传统触摸屏更薄，对于结构设计颇具优势。1.2电容式触摸屏电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金属层上时，触点的电容就会发生变化，使得与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量频率变化可以确定触摸位置获得信息。 图1.6 电容屏手机工作原理图1.5 电容式触摸屏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。1.2.1 表面电容式表面电容式触摸屏是通过电场感应方式感测屏幕表面的触摸行为。它的面板是一片涂布均匀的ITO层，面板的四个角各有一条出线与控制器相连接，工作时触摸屏的表面产生一个均匀的电场，当接地的物体触碰到屏表面时，电极就能感应到屏表面电荷的变化，确定触碰点的坐标。表面电容式触摸屏使用寿命长、透光率高，但是分辨率低、不支持多点触控，目前主要应用于大尺寸户外触摸屏，如公共信息平台( POI) 及公共服务( 销售) 平台( POS) 等产品上。1.2.2投射式电容屏投射电容式触摸屏利用的是触摸屏电极发射出的静电场线进行感应。投射电容传感技术可分为两种:自我电容和交互电容。自我电容又称绝对电容，它把被感觉的物体作为电容的另一个极板，该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，如图1.7所示，通过检测该耦合电容的变化来确定位置。但是如果是单点触摸，通过电容变化，在X 轴和Y 轴方向所确定的坐标只有一组，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，在X 和Y 方向分别有两个坐标投影，则组合出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，自我电容屏无法实现真正的多点触摸；交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容，当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变会被感觉到，如图1.8所示，当横向的电极依次发出激励信号时，纵向的所有电极便同时接收信号，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。当人体手指接近时，会导致局部电容量减少，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。在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法进行设计，以便在任何给定时间内都可以探测到手指的触摸，该触摸并不局限于一根手指，也可以是多根手指。2007 年以来苹果公司的iphone、iPad 系列产品取得的巨大成功，投射式电容屏开始了喷井式的发展，迅速取代电阻式触摸屏，成为现在市场的主流触控技术。图1.7 自我电容两指识别图示图1.8 交互电容两指识别图示 1.2.3多点触控技术2007 年苹果公司通过投射式电容技术实现的多点触控功能，该功能提供了前所未有的用户体验，体现了与当时其他触控技术的不同时，又会从另外的检测线输出信号。使多点触控技术成为市场的潮流多点电容式触摸屏的多重触控的任务可以分解为两个方面的工作，一是同时采集多点信号，二是对每路信号的意义进行判断，也就是所谓的手势识别。苹果iPhone仅允许两个手指操作，所以又可以称作“双重触控”，而微软即将发售的Surface电脑则可对52个触摸点同时做出响应。为实现多点触控功能，多重触控屏与单点触摸屏采用了完全不同的结构。从屏幕的外部看，单点触摸屏只有很少几根信号线(一般为4Pin或者5Pin)，而多重触控屏有很多引线；从内部看，单点触摸屏的导电层只是一个平板，而多重触控屏则是平板上划分出许许多多相对独立的触控单元，每个触控单元通过独立的引线连接到外部电路，所有触控单元在板子上呈矩阵排列。这样，当用户的手指触摸到屏幕上的某个部位时，会从相应的检测线输出信号。 目前多点触控技术已经从开始的仅可以实现两指缩放、三指滚动以及四指拨移，发展到能够支持5点以上的触控识别和多重输入方式等，今后多点触控技术将向实现更细致的屏幕物件操控用和更具自由度的方向发展。2 电容式触摸屏应用实验 电容式触摸屏的核心问题是电容，搞清楚电容的物理本质才能搞清楚电容式触摸屏的工作原理。从物理学中我们知道电容是一种储存电荷的器件。进一步的电容可以描述为在其两极的等量正负电荷分布储存结构。这里强调的是等量和两极。借助电力线的概念，可以想象，在电容的两极存在有电力线，电力线从储存有正电荷的电极出发，终止于带有负电荷的电极。电力线的存在决定了电容的存在，而电力线的路径和密度决定了电容的性质和大小。2.1触摸屏寄生电容数学模型2.1.1平板电容图2.1 平板电容下图是最简单的平板电容，虚线是电力线，其电容可表示为：满足上式的条件是，Wd，Ld，也就是电容的两个极板相对于极间距足够大。物理上的意义是极板间的所有电力线均平行地均匀分布在极板间。2.1.2金属线与平行板电容平行于平板电极的金属线与平板间的电力线分布表示如下图。图2.2 金属线与平行板电容从图中明显可见，电力线间不是平行的，所以关于平板电容的表达式不能适用。如果金属线线宽为N，平板电极板宽为M，金属线对称地位于平板的上方，垂直距离仍然为d，则电力线分布可以看做三部分组成：一个为位于中间的矩形，这部分电力线均匀且互相平行地分布，矩形两边各是一个呈直角三角形的电力线分布。则依照平板电容的定义：2.1.3两条平行金属线间的电容这种电容可以参照第一类和第二类电容的表达。两条平行金属线的宽度都是N，线间距为d图2.3 两条平行金属线间的电容两条平行线间的电力线由三部分组成：一个是在两条线所构成的平面内，电力线的特点是均匀分布且互相平行。另外两部分是位于这部分电力线两边的呈半圆形电力线分布。电容由下式表示： 2.2触摸屏感应电容的物理模型人体可以看作为导体，当手指接近或接触电容电极时会影响电容电极的电荷分布。手指是作为电极影响触摸屏电极的电荷分布的。考虑下图的两种情况，图形是触摸电容的按键，第一种是由于电容在电压激励下产生的新生电容。第二种情况是，当手指靠近极板时，增加了极板的电场强度，使电力线密度上升，感应电容也随之加大。这个电容在电容式触摸屏的定位中被称作自电容。同时从图中也可以看到，由于手指的靠近，改变了极板间的电力线分布，换句话说，改变了极板间的场强分布，电极极板间的电力线减少，也就减小了互电容的大小。图2.5图2.43 电阻式与电容式手机应用上比较3.1电阻与电容“屏”质不同（1）电阻式手机Iphone的操作方式绝对是当前最时尚的事情。不过，它可不像很多触屏手机那样附赠有触控笔。实际上，如果你用触控笔在iphone的屏幕上点选操作一下就会知道了，原来跟本不会起任何作用。这是因为iphone采用的是不同于其他手机的触控屏电容屏，大部分手机使用的是电阻屏。图3.1 电容屏和电阻屏的区别所谓电阻屏，屏幕是由一个多层复合的薄膜组成，就像是巧克力夹心饼干一样，以玻璃或有机玻璃作为基板（饼干），表面涂了透明的导电层（夹心巧克力），再上面是一层经过硬化处理（饼干），能够防止刮伤的塑料面，它的内侧同样两个也有导电层（夹心巧克力）。两个导电层间还有许多细小的透明隔离点把它们隔开，用放大镜检查屏幕，如果发现有很多很多规则的小点，那这必定是电阻屏。（2）电容式手机 Iphone采用的电容屏原理上与电阻屏有本质的区别，电容屏由一块四层复合玻璃屏构成，在手指按上去的时候，用户手指头和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指头吸收走一个很小的电流，这个时候电容暂存的电流将从触摸屏四角的电极中流走，控制器会根据电流与手指到屏幕四角的距离比例，来计算出准确位置。正是这个原因，电容屏无法使用触摸笔操作控制，因为它不具备电导性。4触屏手套原理4.1触屏手套简介普通触屏电子产品是根据手指的热力来控制的用户一般误认为轻触屏幕是根据手指的热力来控制，事实上并不是这样的，其实轻触屏幕是透过手指头皮肤上的微量水分，油脂和盐分把人体皮肤上的生物为电流接通，从而来控制带轻触屏幕的电子产品。触屏手套是在冬天用于操作电容式触摸屏产品的特殊手套。其集科技和保暖为一体，解决了触屏一族冬天在室外操作触摸屏手机的冻手问题。触屏手套可以在戴着手套的情况下，还能操作现在流行触摸屏！触摸屏手套使用的比较简单和使用普通手套一样，但是每个手套的前面的导电纱的材质不同所以产生的效果也不同，普通的反应比较慢！ 4.2电阻屏与电容屏在戴手套使用手机的实现电阻屏是通过屏幕感应力的变化使得流过屏幕的电流发生改变从而实现触摸感应。因为是力感，所以电阻屏不会出现戴手套无法使用的情况。出现戴手套无法使用的触屏都是电容屏，电容屏是人体静电驱动原理。人本身是导体同时带有静电，人的手指触摸到电容屏时静电作用改变了电容屏的电容，从而改变电流实现触摸感应。所以就会出现戴手套用不了的情况。正是因为这样电容屏比电阻屏要灵敏多，只要碰到就能感应而不必用力按。同时电容屏能较好的支持多点触摸，这也是现在大部分手机都用电容屏的缘故。不过在极端的环境下电容屏容易失灵感应不到人体静电，例如大雾高湿环境，屏幕上有水等都容易造成电容屏失灵。而电阻屏因为是力感，对环境要求就低一些。5 电容式触摸屏的发展趋势与市场前景5.1触摸屏电容式将取代电阻式根据当前电容式触摸屏的发展状况，我们认为其对电阻式触摸屏（RTS）的大规模替代将拉开序幕。根据国际权威机构的对手机、消费电子等触摸屏产品未来产能的预测,未来五年触摸屏出货量高速增长非常确定。电阻式触摸屏是大批量应用、经过验证、低成本的技术。嵌入式设计人员在RTS 上面临的两大挑战是：（1）承载显示屏的光学结构严重受损；（2）耐久性很差。电阻式触摸屏是物理式开关，必须弯曲，需要摩擦使用，这些都缩短了它们的使用寿命，常常会发生故障。 电阻式在透光性、寿命、耗电量、多点触摸屏上的劣势是由它的感应原理和结构决定的，是先天性的，无法改进。因此，当电子产品对触摸屏的品质有更高要求时，它被替代是必然的。5.2触摸屏技术的发展触摸屏技术已成为快速发展的便携式和静态电子设备用户界面的基石之一。iPhone或许代表了庞大的手机市场中最成功的例子，但也有许多其他行业通整合触摸屏，取代传统的机电开关、电位器等类似的东西而在产品功能、人体工程学和美学方面受益匪浅。最好的例子就是卫星导航和 HVAC 控制等车载系统，以及医疗设备、工业机械和测试设备等更多专业市场。电容式触摸屏可以被视为该领域的现有技术，并已广泛应用于手机，以及便携式 GPS和手持游戏平台等其他应用。尽管电阻式触摸屏技术仍在发展，产品设计人员仍认为用户体验缺乏，更重要的是消费者的最终批评。这种缺乏催生了新的颠覆性技术投射式电容式触摸屏。 投射式电容式触摸屏已成为智能手机和平板电脑触摸屏界面的首选技术。电容式触摸屏的 iPhone 的用户体验相比配备电阻屏的智能手机就像是跑车和卡丁车。真正完美回顾触摸屏的历史时我们说，使用电阻式触摸屏就像“ 拖着泥”，而电容式触摸屏则像“推冰”一样轻松。 多点触摸技术的操作方式把我们带进了一个人机交互的新纪元，尤其是手机的操作理念正经历着一场革命。新的触摸屏技术正向着更简单、更直观、更人性化的方向发展，用控式的屏幕虚拟键盘替代传统实体键盘可以节约手持设备宝贵的体积空间。同时，省去了键盘也可以大大简化厂家的生产工艺，减少材料的浪费。未来是一个触摸的时代，多点触摸技术将会带给人更多的欣喜和体验。9 电磁场原理课程设计 参考文献参 考 文 献1 王春锋.电阻式触摸屏在手机上的应用和发展J.现代显示.北京：现代显示杂志社，2011， 128：38-422 吕明.触摸屏的技术现状、发展趋势及市场前景A .机床电器.成都：机床电器杂志社，20132013-3：4-73 陈嘉鹏.交变电磁场对电容的影响.上海电力学院学报.上海：上海电力学院学报编辑部，1995，44 吴克坚.电容式触摸屏应用技术基础.品牌与标准化J.沈阳：品牌与标准化杂志社，2011，Z1：71-725 余集辉.电磁场原理M.重庆.重庆大学出版社.2013 6 屈伟平.电容式触摸屏将引领市场潮流.有线电视技术.北京.机械工业出版社：2010,5：82-897 黄开建. 中国智能手机市场现状及展望A.中国电子商务.北