关于触摸屏的一些硬件知识

关于触摸屏的一些硬件知识

一、概述

如今很多的电子设备，不论是工业级还是消费级都需要人机界面，例如车载导航仪、广告一体机、POS机、平板电脑、手持终端仪器、智能墙壁开关、医疗美容仪器等，都配备了触控显示器。因此，我们有必要了解一些关于触摸屏的基本知识。

二、电阻屏与电容屏

电阻触屏俗称“软屏”，多用于Windows Mobile系统的手机； 电容触屏俗称“硬屏”，如iPhone和G1等机器采用这种屏质的。

1、室内可视效果

两者通常很好。

2、触摸敏感度

1、电阻触屏，需用压力使屏幕各层发生接触，可以使用手指，哪怕带上手套、指甲、触笔等进行操作。支持触笔在亚洲市场很重要，手势和文字识别在哪里都被看重。 2、电容触屏，来自带电的手指表层最细微的接触也能激活屏幕下方的电容感应系统。非生命物体、指甲、手套无效。手写识别较为困难。

3、精度

4、成本

1、电阻触屏，很低廉。 2、电容触屏，不同厂商的电容屏价格比电阻屏贵10%到50%。这点额外成本对旗舰级产品无所谓，但可能会让中等价位手机望而却步。

5、多点触摸可行性

1、电阻触屏，不可能，除非重组电阻屏与机器的电路连接。 2、电容触屏，取决于实现方式以及软件，已在G1的技术演示以及iPhone上实现。G1的1.7T版本已经可以实现浏览器的多点触摸特性。

6、抗损性

1、电阻触屏，电阻屏的根本特性决定了它的顶部是柔软的，需要能够按下去。这使得屏幕非常容易产生划痕。电阻屏需要保护膜以及相对更频繁的校准。有利的方面是，使用塑料层的电阻触屏设备总体上更不易损，更不容易摔坏。 2、电容触屏，外层可以使用玻璃。这样虽然不至于坚不可摧，而且有可能在严重冲击下碎裂，但玻璃应对日常碰擦和污迹更好。

7、清洁

1、电阻触屏，由于可以使用触笔或指甲进行操作，更不容易在屏幕上留下指纹、油渍和细菌。 2、电容触屏，要用整个手指进行触摸，但玻璃外层更容易清洁。

8、环境适应性

1、电阻触屏，具体数值不得而知。但有证据表明使用电阻屏的Nokia 5800可以在-15°C至+45°C的温度下正常工作，对湿度也没什么要求。 2、电容触屏，典型的操作温度在0°至35°之间，需要至少5%的湿度（工作原理所限）

9、阳光下可视效果

1、电阻触屏，通常很糟，额外的屏幕层面反射了大量阳光。

三、触摸屏的种类

1、红外线式触摸屏（Infrared）

红外线触摸屏原理很简单，只是在显示器上加上光点距架框，无需在屏幕表面加上涂层或接驳控制器。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的横竖两条红外线，计算机便可即时算出触摸点位置。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适宜某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉、安装方便、不需要卡或其它任何控制器，可以用在各档次的计算机上。不过，由于只是在普通屏幕增加了框架，在使用过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏，且分辨率较低。

图3.1 红外线式触摸屏

2、电容式触摸屏（Surface capacitive）

电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器。

电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。用户触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体 层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。

电阻式触摸屏利用压力感应进行控制。其主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明的金属氧化物(ITO) 导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防划伤的塑料层(其内表面也涂有一层ITO涂层),在他们之间有许多细小的（大约1/1000英寸）透明间隔点把两层ITO导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。

图3.2 电容式触摸屏

3、电阻技术触摸屏（Resistive touch）

电阻类触摸屏的关键在于材料科技。常用的透明导电涂层材料有：

① ITO，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，透光率为80％，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80％。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。

② 镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作电压分布层，只能作为探层。

图3.3 电阻技术触摸屏

1)、四线电阻触摸屏

触摸屏附着在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。电阻触摸屏是一块4层的透明的复合薄膜屏，最下面是玻璃或有机玻璃构成的基层，最上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层，中间是两层金属导电层，分别在基层之上和塑料层内表面，在两导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开。当手指触摸屏幕时，两导电层在触摸点处接触。 触摸屏的两个金属导电层是触摸屏的两个工作面，在每个工作面的两端各涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极，若在一个工作面的电极对上施加电压，则在该工作面上就会形成均匀连续的平行电压分布。当在X方向的电极对上施加一确定的电压，而Y方向电极对上不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以在Y+(或Y-)电极上反映出来，通过测量Y+电极对地的电压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对上加电压，而X电极对上不加电压时，通过测量X+电极的电压，便可得知触点的Y坐标。

图3.3.1 14寸（16:9）四线电阻触摸屏设计图纸

四线电阻触摸屏的缺陷： 　　电阻触摸屏的B面要经常被触动，四线电阻触摸屏的B面采用ITO，我们知道，ITO是极薄的氧化金属，在使用过程中，很快就会产生细小的裂纹，而裂纹一旦产生，原流经该处的电流被迫绕裂纹而行，本该均匀分布的电压随之遭到破坏，触摸屏就有了损伤，表现为裂纹处点不准。随着裂纹的加剧和增多，触摸屏慢慢就会失效，因此使用寿命不长是四线电阻触摸屏的主要问题。

2)、五线电阻触摸屏

五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上、而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层 ITO 接触点X和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层 ITO 需四条引线，外层只作导体仅仅一条，触摸屏的引出线共有5条。五线电阻触摸屏的另一个专有技术是通过精密的电阻网络来校正内层 ITO 的线性问题：由于导电镀膜有可能厚薄不均匀而造成电压不均匀分布。

图3.3.2 15寸（4:3）五线电阻触摸屏设计图纸

电阻屏性能特点： ① 它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和油污。 ② 可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，这是它们比较大的优势。 ③ 电阻触摸屏的精度只取决于A/D转换的精度，因此都能轻松达到 2048*2048，比较而言，五线电阻比四线电阻在保证分辨率精度上还要优越，但是成本代价大，因此售价非常高。

五线电阻触摸屏的改进： 　　首先五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使得A面的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。其次五线电阻触摸屏把工作面的任务都交给寿命长的A面，而B面只用来作为导体，并且采用了延展性好、电阻率低的镍金透明导电层，因此，B面的寿命也极大的提高。 　　五线电阻触摸屏的另一个专有技术是通过精密的电阻网络来校正A面的线性问题：由于工艺工程不可避免的有可能厚薄不均而造成电压场不均匀分布，精密电阻网络在工作时流过绝大部分电流，因此可以补偿工作面有可能的线性失真。 　　五线电阻触摸屏是目前最好的电阻技术触摸屏，最适合于军事、医疗、工业控制领域使用。

4、表面声波触摸屏（surface acoustic wave）

表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于其它触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。

发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其它能够吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。

表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率极高，有极好的防刮性，寿命长（5000万次无故障）；透光率高（92%），能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，最适合公共场所使用。但表面感应系统的感应转换器在长时间运作下，会因声能所产生的压力而受到损坏。一般羊毛或皮革手套都会接收部分声波，对感应的准确度也受一定的影响。屏幕表面或接触屏幕的手指如沾有水渍、油渍、污物或尘埃，也会影响其性能，甚至令系统停止运作。

图3.4 表面声波触摸屏

四、相关文档

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