關(guān)于觸摸屏原理及基礎(chǔ)知識的幾點(diǎn)淺析

標(biāo)簽：電容式觸摸屏 電阻式觸摸屏

目前主要有幾種類型的觸摸屏，它們分別是：電阻式(雙層)，表面電容式和感應(yīng)電容式，表面聲波式，紅外式，以及彎曲波式、有源數(shù)字轉(zhuǎn)換器式和光學(xué)成像式。它們又可以分為兩類，一類需要ITO,比如前三種觸摸屏，另一類的結(jié)構(gòu)中不需要ITO,比如后幾種屏。

觸摸屏在我們身邊已經(jīng)隨處可見了，在PDA等個人便攜式設(shè)備領(lǐng)域中，觸摸屏節(jié)省了空間便于攜帶，還有更好的人機(jī)交互性。

目前主要有幾種類型的觸摸屏，它們分別是：電阻式(雙層)，表面電容式和感應(yīng)電容式，表面聲波式，紅外式，以及彎曲波式、有源數(shù)字轉(zhuǎn)換器式和光學(xué)成像式。它們又可以分為兩類，一類需要ITO,比如前三種觸摸屏，另一類的結(jié)構(gòu)中不需要ITO,比如后幾種屏。目前市場上，使用ITO材料的電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏應(yīng)用最為廣泛。

電阻式觸摸屏

ITO是銦錫氧化物的英文縮寫，它是一種透明的導(dǎo)電體。通過調(diào)整銦和錫的比例，沉積方法，氧化程度以及晶粒的大小可以調(diào)整這種物質(zhì)的性能。薄的ITO材料透明性好，但是阻抗高;厚的ITO材料阻抗低，但是透明性會變差。在PET聚脂薄膜上沉積時，反應(yīng)溫度要下降到150度以下，這會導(dǎo)致ITO氧化不完全，之后的應(yīng)用中ITO會暴露在空氣或空氣隔層里，它單位面積阻抗因為自氧化而隨時間變化。這使得電阻式觸摸屏需要經(jīng)常校正。

圖一是電阻觸摸屏的一個側(cè)面剖視圖。手指觸摸的表面是一個硬涂層，用以保護(hù)下面的PET層。PET層是很薄的有彈性的PET薄膜，當(dāng)表面被觸摸時它會向下彎曲，并使得下面的兩層ITO涂層能夠相互接觸并在該點(diǎn)連通電路。兩個ITO層之間是約千分之一英寸厚的一些隔離支點(diǎn)使兩層分開。最下面是一個透明的硬底層用來支撐上面的結(jié)構(gòu)，通常是玻璃或者塑料。

電阻觸摸屏的多層結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致很大的光損失，對于手持設(shè)備通常需要加大背光源來彌補(bǔ)透光性不好的問題，但這樣也會增加電池的消耗。電阻式觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)是它的屏和控制系統(tǒng)都比較便宜，反應(yīng)靈敏度也很好。

電容式觸摸屏

電容式觸摸屏也需要使用ITO材料，而且它的功耗低壽命長，但是較高的成本使它之前不太受關(guān)注。Apple推出的iPhone提供的友好人機(jī)界面，流暢操作性能使電容式觸摸屏受到了市場的追捧，各種電容式觸摸屏產(chǎn)品紛紛面世。而且隨著工藝進(jìn)步和批量化，它的成本不斷下降，開始顯現(xiàn)逐步取代電阻式觸摸屏的趨勢。

表面電容觸摸屏只采用單層的ITO，當(dāng)手指觸摸屏表面時，就會有一定量的電荷轉(zhuǎn)移到人體。為了恢復(fù)這些電荷損失，電荷從屏幕的四角補(bǔ)充進(jìn)來，各方向補(bǔ)充的電荷量和觸摸點(diǎn)的距離成比例，我們可以由此推算出觸摸點(diǎn)的位置。

表面電容ITO涂層通常需要在屏幕的周邊加上線性化的金屬電極，來減小角落/邊緣效應(yīng)對電場的影響。有時ITO涂層下面還會有一個ITO屏蔽層，用來阻隔噪音。表面電容觸摸屏至少需要校正一次才能使用。

感應(yīng)電容觸摸屏與表面電容觸摸屏相比，可以穿透較厚的覆蓋層，而且不需要校正。感應(yīng)電容式在兩層ITO涂層上蝕刻出不同的ITO模塊，需要考慮模塊的總阻抗，模塊之間的連接線的阻抗，兩層ITO模塊交叉處產(chǎn)生的寄生電容等因素。而且為了檢測到手指觸摸，ITO模塊的面積應(yīng)該比手指面積小，當(dāng)采用菱形圖案時，對角線長通?？刂圃?到6毫米。

圖三中，綠色和藍(lán)色的ITO模塊位于兩層ITO涂層上，可以把它們看作是X和Y方向的連續(xù)變化的滑條，需要對X和Y方向上不同的ITO模塊分別掃描以獲得觸摸點(diǎn)的位置和觸摸的軌跡。兩層ITO涂層之間是PET或玻璃隔離層，后者透光性更好，可以承受更大的壓力，成品率更高，而且通過特殊工藝可以直接鍍在LCD表面，不過也重些。這層隔離層越薄，透光性越好，但是兩層ITO之間的寄生電容也越大。

感應(yīng)電容觸摸屏檢測到的觸摸位置對應(yīng)于感應(yīng)到最大電容變化值的交叉點(diǎn)，對于X軸或Y軸來說，則是對不同ITO模塊的信號量取加權(quán)平均得到位置量，系統(tǒng)然后在觸摸屏下面的LCD上顯示出觸摸點(diǎn)或軌跡。

當(dāng)有兩個手指觸摸(紅色的兩點(diǎn))時，每個軸上會有兩個最大值，這時存在兩種可能的組合，系統(tǒng)就無法準(zhǔn)確定位判斷了，這就是我們通常所稱的鏡像點(diǎn)(藍(lán)色的兩點(diǎn))。

另外，觸摸屏的下面是LCD顯示屏，它的表面也是傳導(dǎo)性的，這樣就會和靠近的ITO涂層的ITO模塊產(chǎn)生寄生電容，我們通常還需要在這兩層之間保留一定的空氣層以降低寄生電容的影響。

電容式觸摸屏解決方案

目前的電容式觸摸屏解決方案中，CypressPSoC產(chǎn)品以可編程，設(shè)計靈活，一致性好，再加上高效的PSoCExpress/PSoCdesigner開發(fā)環(huán)境而處于領(lǐng)先地位。

PSoCCapSense技術(shù)是根據(jù)電容感應(yīng)的原理使用CSA或CSD模塊來實現(xiàn)的。PCB板或觸摸屏上相鄰的感應(yīng)模塊或?qū)Ь€之間會存在寄生電容(見圖四中的Cp)，當(dāng)有手指接近或觸摸兩個相鄰感應(yīng)模塊時，相當(dāng)于附加了兩個電容，它們相當(dāng)于并聯(lián)在Cp上的電容Cf。利用PSoC的CSA和CSD技術(shù)可以檢測到這個電容上的變化，從而確定有沒有手指觸摸。

PSoC觸摸屏解決方案的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在：

1.是一種單芯片方案，和傳統(tǒng)方案相比減少了外部器件，降低了系統(tǒng)總體BOM成本。

2.通過使用I2C-USBBridge和其它相關(guān)工具，結(jié)合PSoCExpress/PSoCdesigner開發(fā)環(huán)境，可以極大地節(jié)省開發(fā)時間和費(fèi)用。

3.PSoC內(nèi)部的IO和各種模擬/數(shù)字模塊可以實現(xiàn)動態(tài)重配置，不需要修改原理圖和PCB就可以更新設(shè)計以適應(yīng)新的需求。它還支持多種通訊接口I2C/UART/SPI/USB等，可以和各種接口的主機(jī)方便連接，這些都會降低系統(tǒng)更新的成本。