触摸屏技术及其应用

触摸屏技术及其应用触摸屏是一种特殊的计算机外设，提供了目前最简单、方便、自然的新型人机交互输入方式。本文介绍了目前主流的触控技术种类、特点和基本原理及其应用，并提出未来可能会出现的触控技术。标签：触摸屏触控技术电容屏电阻屏一、引言触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”，是一种代替了鼠标和键盘的与计算机沟通的设备。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。触摸屏在全球范围内有广泛的应用领域，从工厂设备、电子查询设施，到移动电话、数码相机、手机等都可看到触控屏幕的身影。其广泛应用也标志着计算机应用普及时代的真正到来。二、触控屏组成触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成，触摸检测部件安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接受后送触摸屏控制器；而触摸屏控制器接收从触摸点检测装置上穿了送来的触摸信息，并将它处理转换成触点坐标，再通过接口传送给中央处理器CP同时能接收CPU发来的命令并加以执行。触摸屏的基本组成如图1所示，包括以下几个部分：1.前面板或外框前面板或外框是终端产品的最表层。在某些产品中，该外框将透明的盖板围起来，以免受到外部的恶劣气候或潮湿的影响，也防止下面的传感产品受到刻划以及破坏。2.触控控制器通常，触控控制器是一个小型的微控制器芯片，它位于触控传感器和PC/或嵌入式系统控制器之间。该芯片可以装配到系统内部的控制器板上。该触控控制器将提取来自触控传感器的信息，并将其转换成PC或嵌入式系统控制器能够理解的信息。3.触控传感器触控屏“传感器”是一个带有触控响应表面的透明玻璃板。该传感器被安放到LCD上面，使得面板的触控区域能覆盖显示屏的可视区域。基本上，这些技术都是在触控时，使电流流过面板，从而产生一个电压或信号的变化。这个变化将被触控传感器感应并传输，从而确定屏幕上的触控位置。4.液晶显示器（LCD）绝大多数的触控屏系统用于传统的LCD上。用于触控产品的LCD选择方法与传统系统中基本相同，包括分辨率，清晰度，刷新速度，成本等。除了包括上说所列的硬件部分以外还包含系统软件，软件应保证触控屏和系统控制电路一起工作，使得产品的操作系统能够接受并处理来自触控控制器的触控事件信息。三、觸控屏主要特性从技术原理角度来讲，触摸屏是一套透明的绝对定位系统。1.透明性首先它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来解决透明问题，“透明”，在触摸屏行业里，仅用透明一点来概括它的视觉效果是不够的，它应该至少包括四个特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度。2.定位绝对性其次它是绝对坐标，手指摸哪就是哪，不需要第二个动作，不像鼠标，是相对定位的一套系统。3.感应性再者触摸屏的第三个特性是检测触摸并定位，各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。从目前触摸屏的应用中，人们对触摸屏的性能要求也越来越理性化，不断提高与满足光学特性、耐久性以及可靠性等指标已成为触摸屏制造者不可忽略的因素。四、触控技术的主流类型及其应用按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质，触摸屏主要分为四种，它们分别为红外线式、表面声波式、电阻式和电容感应式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点，都利用ITO做为组件的核心部分，发挥着重要作用。1.电阻式触控技术电阻式触控技术是最常用的触控屏技术。由于是对压力起反应，可以用手指，带手套的手，触控笔，或者像信用卡这类的其它的物体进行触摸接触。图2表示了电阻触控屏的结构，图3表示一般电阻触控屏的系统示意图。1.1电阻式触控技术工作原理由电阻触摸屏的侧面结构剖视图看出，见图2，它是由一层玻璃作为基层，玻璃表面涂有一层ITO透明导电层，上面在覆盖一层很薄的有弹性的PET薄膜，在PET的内表面也涂有一层ITO导电层，在这两层ITO导电层之间有许多细小的透明隔离点，使得两ITO导电层绝缘。手指触摸按压的表面是一个硬涂层，用以保护下面的PET层。当我们用手指按压屏幕时，PET薄膜会向下弯曲，并使得下面的两层ITO涂层能够相互接触并在该点使上下层电路导通。在实际工作中，在两层ITO工作面的四周边缘各加装两条导电线路，经控制器分别于两端各设定一直流电压，为两个工作面分别构建一个均匀的电场，形成均匀连续的平行电压分布。如图4a所示，当我们用手指触摸屏幕时，压力使两层导电层在接触点的位置有了电路导通，电阻发生了变化，利用电阻分压原理，产生了模拟电压信号，即触摸传感器工作将压力感应转换为电压信号，见图4b，该信号由控制器处理，进行A/D转换，测量出接触点的模拟电压值VMEAS，再根据这个电压值和VREF电压值的比例公式就能计算出触摸点的X轴和Y轴的坐标，从而确定触摸点的具体位置进而向主机请求输入响应，由主机负责执行完成用户操作。1.2电阻式触控特点、种类和应用电阻式触摸屏上下两层采用贴合密封，信号的产生是在夹层中间，所以它可以不受尘埃、水、污物的影响，精确度高，反应灵敏，工作稳定性高。在图4a中，A或B面两个边缘的条形电极称为感应线，根据触摸屏上的感应线数量，电阻式触摸屏可再分为三大类，分别是4线、5线和8线。4线触摸屏的条形电极安装在两个不同的导电电阻层（X+、X-在同一层，Y+、Y-另一个电阻层上），即如该图所示；5线触摸屏只在底层上有圆形电极（X+、X-、Y+和Y-），顶层用于在触摸过程中测量电压，电场电压只施加在底层上。8线触摸屏的工作原理与4线触摸屏相似。只是给每一条线增加一个参考电压线，所以最后的总线数达到8条。新增的4条线分别用于给原来的4条线提供参考电压。因为成本低廉，触摸感应算法简单，4线触摸屏被广泛用于低端消费电子产品。5线和8线触摸屏主要用于昂贵的高端医疗设备和重要的工业控制器。2.电容式触控技术电容式触摸屏与传统的电阻式触摸屏有很大区别。电阻式触控屏幕需靠施力将二块ITO接触在一起；而电容式触摸屏只要用指腹轻轻碰触书写即可，同时能进行多点触控。2.1电容式触控技术工作原理电容式触控屏可以简单地看成是由四层复合屏构成的屏体：最外层是玻璃保护层，接着是ITO导电层，第三层是不导电的玻璃屏，最内的第四层也是ITO导电层。其中，最内导电层是屏蔽层，屏蔽内部电气信号，中间的导电层是感应工作层，在其四个角或四条边上引出四个电极，负责触控点位置的感应。工作时在导电层内部建立一个低电压高频交流电场，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（0.1～2个pF单位微小的感应电容），对于高频电流来说，电容是直接导体，就会有一定量的电荷转移到人体，产生一定的感应电流。这个电流从工作面的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，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置，完成输入请求。电容屏的工作示意图如图5所示。2.2电容式触控特点、种类和应用基于电容式触控屏的结构和工作原理，此类触摸屏特点鲜明。电容触摸屏的双玻璃使得透光性较高，防尘、防水、耐磨等方面较好，耐用度高。电容触控屏技术分为两种：表面电容技术和投射电容技术。表面电容技术，即它的架构相对简单，采用一层ITO玻璃为主体，外围至少有四个电极，在玻璃四角提供电压，在玻璃表面形成一个均匀的电场，检测出触控坐标的位置。因为它采用了一个同质的感应层，而这种感应层只会将触控屏上任何位置感应到的所有信号汇聚成一个更大的信号，此类架构决定了表面电容式技术无法实现多点触控功能。投射电容技术仍是以电容感应为主，但相较于表面电容式触摸屏，投射电容式触摸屏采用多层ITO层，形成矩阵式分布，以X轴、Y轴交叉分布做为电容矩阵，当手指触碰屏幕时，可通过X、Y轴的扫描，检测到触碰位置电容的变化，进而计算出手指之所在。基于此种架构，投射电容可以做到多点触控操作。电容式触摸屏以支持多点触摸和识别迅速在消费便携式终端设备中得到广泛应用，电容式触摸屏的應用也不会仅仅是现有的手机、随身影音播放器等产品。五、未来的触控技术从1974开始出现世界最早的电阻式触摸屏以来，触摸屏的技术经历了从低档向高档发展的历程，应用范围也较多体现在工业控制和消费电子产品上。触摸屏技术未来的主要发展方向可以由技术和应用这两方面来介绍。在应用层面上发展多触点触摸技术，提高使用效率；另外还提出了混合式触控技术和触觉反馈技术的概念，前者旨在在一块触控面上采用两种或者两种以上的触控识别技术，达到多种触控技术之间实现优劣互补的目的，后者在可以为人们带来便捷的操作方式和良好的视觉效果的同时，给用户一个触觉反馈。在技术层面，触摸屏与平板显示器FPD产业的进一步结合已经成为必然。内嵌式结构触控技术要利用多种技术将触摸传感器与显示器件融为一体，对相关器件的设计和制造都会提出更大的变革，虽然目前还没有实现商业化，但是这种结构的触控技术仍然是未来触控技术的发展方向。