手機(jī)電阻式觸摸屏的應(yīng)用和發(fā)展

引言

　　近幾年來手機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，隨著手機(jī)觸摸屏技術(shù)的不斷發(fā)展，使我們在操作手機(jī)方面的體驗(yàn)產(chǎn)生諸多變化。早期觸摸屏是以一個(gè)高端的形態(tài)出現(xiàn)，1999 年摩托羅拉A6188 機(jī)型的出現(xiàn)徹底改變了大家對(duì)手機(jī)操作的觀念，更重要的是手寫技術(shù)被引入手機(jī)領(lǐng)域，觸摸屏越來越多地被用在手機(jī)上。蘋果的iPhONe 出現(xiàn)后，又打破了這一傳統(tǒng)觀念，多指觸摸技術(shù)的發(fā)展，讓觸摸屏的應(yīng)用一下子被拉到了一個(gè)全新的領(lǐng)域。

　　1 傳統(tǒng)四線電阻式觸摸屏技術(shù)

　　早期手機(jī)觸摸屏技術(shù)，如前面提到的摩托羅拉A6188 手機(jī)是采用傳統(tǒng)的“模擬四線電阻式觸摸屏”技術(shù)，這種觸摸屏由兩層涂有透明導(dǎo)電物質(zhì)的玻璃和塑料構(gòu)成，手指觸摸的表面是一個(gè)硬涂層，用以保護(hù)下面的PET（聚脂薄膜）層，在表面保護(hù)硬涂層和玻璃底層之間有兩層透明導(dǎo)電層ITO（氧化銦，弱導(dǎo)電體），分別對(duì)應(yīng)X、Y 軸，它們之間用細(xì)微透明的絕緣顆粒絕緣，如圖1 所示。

　　觸摸產(chǎn)生的壓力會(huì)使兩導(dǎo)電層接通，按壓不同的點(diǎn)時(shí)，該點(diǎn)到輸出端的電阻值也不同，因此會(huì)輸出與該點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)（模擬量），經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后即可獲取X、Y 的坐標(biāo)值，如圖2 所示。這就是電阻技術(shù)觸摸屏的最基本原理，此類技術(shù)目前已經(jīng)成熟，因?yàn)閮r(jià)格低、易于生產(chǎn)，現(xiàn)在還用于低端的手機(jī)中。

　　2 純平電阻式（TOUCH LENS）技術(shù)

　　傳統(tǒng)的手機(jī)電阻觸摸屏與手機(jī)機(jī)殼裝在一起，是有凹凸面的，結(jié)構(gòu)不密封。現(xiàn)在市場上具體應(yīng)用得比較前端的是采用TOUCH LENS 技術(shù)的一種觸摸屏，中文俗稱為“鏡面式觸摸屏”、“純平觸摸屏”等，現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，以蘋果iPhone 為主要推動(dòng)力量，它分為電阻式和電容式，iPhone 就是用電容式技術(shù)的，此前市場上應(yīng)用比較多的是電阻式，其工作原理同傳統(tǒng)電阻式觸摸屏一樣，結(jié)構(gòu)如圖3 所示，圖4所示為從手機(jī)屏幕面所看到的一個(gè)純平效果的例子。

　　TOUCH LENS 的主要特點(diǎn)：（1） 觸摸面板與手機(jī)機(jī)殼表面完全平整、結(jié)構(gòu)密封、防灰塵；（2）能加工不規(guī)則形狀，以將手機(jī)外觀設(shè)計(jì)得更美觀；（3）手寫順滑、手感舒服，屏面清潔、外觀漂亮，材質(zhì)過硬，不容易破碎；（4）因?yàn)樯舷码姌O層都是膜結(jié)構(gòu)，厚度比傳統(tǒng)觸摸屏更薄，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)頗具優(yōu)勢。

　　3 觸摸屏多點(diǎn)觸控技術(shù)的發(fā)展

　　3.1 電阻式多點(diǎn)觸摸屏（Multi -touchresiSTive screen）技術(shù)

　　不管是傳統(tǒng)的四線電阻式觸摸屏還是TOUCHLENS 結(jié)構(gòu)，以上手機(jī)只能單點(diǎn)觸摸，不能滿足豐富的觸摸動(dòng)作體驗(yàn)，火熱的多點(diǎn)觸摸技術(shù)促使電阻式觸摸屏的進(jìn)一步發(fā)展。在電容屏大行其道的今天，電阻式觸摸屏解決方案以其固有的簡單、低成本，支持多種輸入介質(zhì)（導(dǎo)體、非導(dǎo)體）的優(yōu)點(diǎn)仍然占據(jù)市場的一席之地，和電容式觸摸屏解決方案相比，耐久性和多點(diǎn)觸摸是電阻屏的兩大軟肋，但是目前其中的一個(gè)技術(shù)難題---多點(diǎn)觸摸，已經(jīng)有所突破，下面對(duì)目前電阻屏多點(diǎn)觸摸應(yīng)用進(jìn)行闡述。

　　當(dāng)前電阻式多點(diǎn)觸摸技術(shù)可大致分為數(shù)字矩陣電阻DMR、模擬矩陣電阻AMR 及五線多點(diǎn)電阻MF 三類。

　　3.2 模擬矩陣電阻AMR 技術(shù)

　　如圖5 所示，AMR 是沿X 與Y 兩個(gè)方向在ITO層蝕刻出一條一條平行排列的區(qū)塊，相當(dāng)于將整個(gè)觸摸屏劃分成很多小矩陣區(qū)塊，每個(gè)小矩陣相當(dāng)于一個(gè)小的模擬四線電阻式觸摸屏，各個(gè)區(qū)塊彼此獨(dú)立。如圖6 所示，當(dāng)手指按壓到對(duì)應(yīng)的區(qū)塊時(shí)，區(qū)塊就會(huì)傳出對(duì)應(yīng)比例的電壓，控制器接收到電壓后再將其翻譯成坐標(biāo)信息。

　　圖5 給出了利用四線式電阻觸摸屏實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸技術(shù)的方法：第一個(gè)時(shí)刻，在X1 電極上加上電壓，由Y1、Y2、Y3 電極讀取A、B、C 觸摸單元所探測到的X 坐標(biāo)；同理，在以后的各個(gè)時(shí)刻依次讀取剩余觸摸單元的X 坐標(biāo)。獲得所有觸摸單元的X 坐標(biāo)后，再依次給Y 電極加上電壓，以獲得各個(gè)觸摸單元的Y 坐標(biāo)。

　　模擬矩陣電阻AMR 與純數(shù)字的DMR 技術(shù)多點(diǎn)觸摸屏系統(tǒng)不同，AMR 是一個(gè)數(shù)字模擬混合系統(tǒng)，因此，在掃描電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、控制電路的基礎(chǔ)上，還需添加各種輔助元件來減小外界噪聲對(duì)模擬電路的干擾。特別是對(duì)于AD 轉(zhuǎn)換，為了提高轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)度，有必要在硬件電路上添加下拉電阻，以避免無觸摸發(fā)生時(shí)AD 輸入端浮接的現(xiàn)象。

　　控制電路將控制掃描電路生成恰當(dāng)?shù)膾呙栊盘?hào)，并使得AD 轉(zhuǎn)換電路在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換。對(duì)于AD 轉(zhuǎn)換電路，可以在串行轉(zhuǎn)換和并行轉(zhuǎn)換間做取舍。串行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)簡單，需要的AD 模塊數(shù)量少，但是總的轉(zhuǎn)換頻率低；并行轉(zhuǎn)換需要的AD 模塊數(shù)量稍多，但總的轉(zhuǎn)換頻率可以得到提高。

　　于是基本電路構(gòu)架便可以分為串行和并行兩種，如圖7 所示。值得注意的是，圖6 僅表現(xiàn)了坐標(biāo)采集轉(zhuǎn)換電路的基本原理和結(jié)構(gòu)，并沒有畫出為減小各種電器噪聲而添加的元件，如AD 的下拉電阻、濾波電容等。

　　3.3 數(shù)字矩陣電阻DMR 技術(shù)

　　原理上，DMR 是將觸控面板上下層劃分成許多很小的區(qū)塊，當(dāng)某一區(qū)塊被碰觸，這一區(qū)塊就會(huì)被啟動(dòng)開關(guān)，此時(shí)線路會(huì)發(fā)出指示開關(guān)的數(shù)字訊號(hào)傳給控制器，控制器便能計(jì)算出觸碰位置的坐標(biāo)。

　　如圖8 所示，8×8 數(shù)字電阻觸摸屏， 基于Altera 解決方案［1］：它采用兩層ITO 分別作為水平的sensing line（觸摸感測線）和垂直的driving line（加電驅(qū)動(dòng)線），driving line 和sensing line 之間的觸點(diǎn)就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，在未接觸時(shí)，它們之間是絕緣的，而接觸發(fā)生后，兩者發(fā)生短路，相當(dāng)于開關(guān)閉合。驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，其中sensing line 通常由一個(gè)上拉電阻施加高電平，同時(shí)在driving line 上以一定頻率依次在各列中施加負(fù)脈沖電壓，這樣當(dāng)掃描到觸點(diǎn)所在的那一列時(shí)，由于觸點(diǎn)開關(guān)閉合，形成直流通路，使得觸點(diǎn)所在行的電壓被拉低，形成一個(gè)負(fù)脈沖，這樣就檢測到了觸點(diǎn)的位置。由于driving line 是依次掃描，所以可以檢測到多個(gè)觸點(diǎn)的位置。

　　圖8 觸摸解碼的工作模式

　　數(shù)字矩陣電阻DMR 其實(shí)就是一個(gè)開關(guān)網(wǎng)格，由于各個(gè)開關(guān)節(jié)點(diǎn)彼此獨(dú)立識(shí)別，所以互不干擾，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上任意多點(diǎn)的多點(diǎn)觸摸。橫向數(shù)據(jù)的并行寫入以及不需要AD 轉(zhuǎn)換，極大地提高了觸摸屏的工作速度。但是，數(shù)字矩陣電阻DMR 需要眾多的電極和端口，導(dǎo)致其成本遠(yuǎn)高于模擬矩陣電阻AMR，故僅適用于對(duì)系統(tǒng)可靠性和工作速度有特別要求的應(yīng)用場合。

　　3.4 五線多點(diǎn)電阻MF 技術(shù)

　　無論是AMR 還是DMR，只要上層的導(dǎo)電薄膜被劃傷，整個(gè)觸摸屏就會(huì)無法正常使用。傳統(tǒng)五線電阻屏，只有下導(dǎo)電層是電壓分布層，上導(dǎo)電層只是電壓檢測層，所以對(duì)上導(dǎo)電層的電阻均勻性沒有嚴(yán)格的要求，不存在真實(shí)坐標(biāo)，耐受性較高。工作時(shí)在下導(dǎo)電層的四個(gè)角上加電壓，這樣就可以在下導(dǎo)電層X 和Y 兩個(gè)方向產(chǎn)生均勻電壓場分布，如圖9（a）所示，當(dāng)有觸摸時(shí)，通過上導(dǎo)電層檢測接觸點(diǎn)電壓，然后傳送給控制器轉(zhuǎn)換為觸摸點(diǎn)X 和Y方向的坐標(biāo)。

　　傳統(tǒng)五線電阻屏的優(yōu)點(diǎn)：（1）上導(dǎo)電層電阻均勻性要求較低；（2）上導(dǎo)電層只做檢測作用，損傷后只要導(dǎo)通即可使用，點(diǎn)擊、劃線壽命大大優(yōu)于四線屏（例如：點(diǎn)擊：四線100 萬次，五線500 萬次；劃線：

　　四線10 萬次，五線50 萬次）；（3）只在下導(dǎo)電層完成X、Y 坐標(biāo)的檢測，定位更加準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：（1）從四角加電壓，容易產(chǎn)生枕形失真；（2）由于補(bǔ)償電極的設(shè)計(jì)，邊框不可能做得很窄，因此目前一般只在中大尺寸屏上應(yīng)用，在手機(jī)上應(yīng)用很少。

　　MF 除了具有傳統(tǒng)五線屏的所有優(yōu)點(diǎn)之外，還有本身的一些特點(diǎn)，如圖9（b）所示：（1）采用分段電極設(shè)計(jì)，取代原來的補(bǔ)償電極設(shè)計(jì)，使用金屬走線代替印刷銀線，邊框可以做得較窄，適合在各種尺寸上應(yīng)用；（2） 通過在上導(dǎo)電層進(jìn)行分塊可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸，支持手寫輸入；（3）具有和四線電阻屏同樣優(yōu)秀的線性。

　　MF 需要在Glass 上進(jìn)行一次ITO 和金屬的濺射和蝕刻（Metal sputtering and etching），因此價(jià)格比四線電阻屏要高。電容屏（Cypress）需要濺射兩層二氧化硅、兩層ITO 和一層金屬，然后蝕刻，后續(xù)都要進(jìn)行一定的加工，因此電容屏的價(jià)格要比多點(diǎn)觸摸電阻屏高出30~40%.MF 因?yàn)槭嵌嚯姌O引出，邊框不可能非常窄，現(xiàn)階段可以做到最內(nèi)側(cè)金屬電極到屏邊界2.3mm，還可進(jìn)一步窄化。另外，其上導(dǎo)電層分塊之間的間隙會(huì)影響外觀，目前已經(jīng)可以將間隙做到30μm 以下，只有特殊角度才可以看得到，并且該間隙對(duì)使用沒有任何影響。

　　目前致力于電阻式多點(diǎn)觸摸解決方案的公司除了Altera，還有Stantum、Touchco、Samsung等，成本低是它的最大優(yōu)勢，如果能在精確度和可靠性上更進(jìn)一步，相信電阻式觸摸屏?xí)芮嗖A。

　　4 結(jié)論

　　多點(diǎn)觸摸技術(shù)的操作方式把我們帶進(jìn)了一個(gè)人機(jī)交互的新紀(jì)元，尤其是手機(jī)的操作理念正經(jīng)歷著一場革命。新的觸摸屏技術(shù)正向著更簡單、更直觀、更人性化的方向發(fā)展，用觸控式的屏幕虛擬鍵盤替代傳統(tǒng)實(shí)體鍵盤可以節(jié)約手持設(shè)備寶貴的體積空間，并且可以在不需要使用鍵盤應(yīng)用（如電影播放）時(shí)獲得更大的可視空間。同時(shí)，省去了鍵盤也可以大大簡化廠家的生產(chǎn)工藝，減少材料的浪費(fèi)。未來是一個(gè)觸摸的時(shí)代，多點(diǎn)觸摸技術(shù)將會(huì)帶給人更多的欣喜和體驗(yàn)。