揭開(kāi)觸控技術(shù)的神秘面紗

點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)、滑滑滑！每天我們這些低頭族都在機(jī)械的刷屏微信，看來(lái)觸摸真的改變了人類(lèi)的生活方式。然而你就不好奇為什么你在玻璃板上動(dòng)動(dòng)手指頭，機(jī)器就知道你要做什么嗎？好吧，我來(lái)為你揭秘觸控技術(shù)。

從手機(jī)功能的進(jìn)化開(kāi)始，IT產(chǎn)品進(jìn)入了智能化時(shí)代。芯片、屏幕、攝像頭等都成為了推動(dòng)IT產(chǎn)品智能化進(jìn)程的主力。但是很多人都沒(méi)有注意到，觸控技術(shù)的不斷更新，是我們手中產(chǎn)品可以不斷變輕、變薄以及變得更加智能的主因。

人機(jī)交互最早通過(guò)按鍵、鼠標(biāo)等實(shí)體設(shè)備進(jìn)行，然后進(jìn)入了我們所處的觸控時(shí)代，實(shí)體按鍵不斷減少，甚至出現(xiàn)了所有操作都通過(guò)虛擬按鍵實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品?，F(xiàn)在觸控技術(shù)的不斷升級(jí)，讓用戶可以通過(guò)各種手勢(shì)、力度、多點(diǎn)觸控等方式，實(shí)現(xiàn)平時(shí)需要復(fù)雜操作才能實(shí)現(xiàn)的功能。

觸控面板也叫觸摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc)，凡是電子設(shè)備都要用到屏幕，如果你不想讓你的屏幕被無(wú)聊的鍵盤(pán)占據(jù)一半面積，就必須要使用觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話的媒介，觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。

觸摸屏技術(shù)的發(fā)展歷史

觸摸屏的背景技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)40年代，但有很多證據(jù)表明至少直到1965年后觸摸屏才切實(shí)可行。

20世紀(jì)六十年代：第一個(gè)觸摸

歷史上通常認(rèn)為第一個(gè)手指式觸摸屏是由E．A． Johnson于1965年在位于英國(guó)馬爾文的皇家雷達(dá)研究院發(fā)明的。Johnson最初在《電子快報(bào)》上發(fā)表題為“觸摸顯示—一種新的計(jì)算機(jī)輸入／輸出設(shè)備”的論文中描述了他的工作。論文中一幅示意圖描述了我們今天許多智能手機(jī)使用的一種觸摸屏的機(jī)制－－－就是我們所知的電容式觸摸屏。

20世紀(jì)七十年代：電阻式觸摸屏的發(fā)明

雖然電容式觸摸屏先被發(fā)明，但在觸摸屏的早期卻被電阻式觸摸屏超越了。美國(guó)發(fā)明家G． Samuel Hurst博士偶然的發(fā)明了電阻式觸摸屏。

作為一類(lèi)技術(shù)，電阻式觸摸屏的生產(chǎn)成本通常非常實(shí)惠。在餐館，工廠和醫(yī)院中的機(jī)器和設(shè)備大都使用的是這種觸摸技術(shù)，因?yàn)槠湓谶@些環(huán)境中足夠耐用。智能手機(jī)制造商過(guò)去也使用這種電阻式觸摸屏，但在今天的手機(jī)領(lǐng)域其僅僅存在于低端的手機(jī)中。

20世紀(jì)八十年代：觸摸技術(shù)的十年

1982年，多倫多大學(xué)的NimishMehta開(kāi)發(fā)出了第一個(gè)可操作的多點(diǎn)觸摸設(shè)備。輸入研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)毛玻璃板，在其背部帶有能識(shí)別顯示在屏上的不同黑點(diǎn)，進(jìn)而能偵測(cè)到操作動(dòng)作的攝像頭。

不久之后，一名美國(guó)計(jì)算機(jī)能手，Myron Krueger設(shè)計(jì)出了手勢(shì)交互技術(shù)，他開(kāi)發(fā)出了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)以跟蹤紀(jì)錄手的移動(dòng)?？唆敻裨O(shè)計(jì)的視頻地帶（video place）后來(lái)被稱之為視頻臺(tái)（video Desk）。

該研究工作比該觸摸技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間，早十多年，并且形成巨大影響?？唆敻裨谒穆殬I(yè)生涯的后期，成為虛擬現(xiàn)實(shí)及交互操作藝術(shù)的先驅(qū)。

觸摸屏在二十世紀(jì)八十年代早期，被大量進(jìn)行商用化。惠普在1983年9月，以其HP－150為其商用化開(kāi)端。該計(jì)算機(jī)采用MS－DOS操作系統(tǒng)，并且?guī)в幸粋€(gè)9英寸索尼CRT顯示器，該顯示器被能夠識(shí)別，屏上的用戶手指下移的紅外發(fā)光器和探測(cè)器所包圍，如戳向屏幕，將阻擋相應(yīng)紅外射線，以使計(jì)算機(jī)判定手指所指位置。

20世紀(jì)九十年代：大眾化的觸摸屏

在1993年，IBM和貝爾南方共同開(kāi)發(fā)了Simon通信設(shè)備，很可能是世界上第一款智能手機(jī)，盡管當(dāng)時(shí)還沒(méi)有這個(gè)名詞。它能翻頁(yè)，收發(fā)e－mail，帶有日歷，預(yù)約計(jì)劃，電話簿，計(jì)算器，及筆寫(xiě)式畫(huà)板。它還有一個(gè)電阻性觸摸屏，因此要用手寫(xiě)筆來(lái)操作菜單條及輸入數(shù)據(jù)。

那一年蘋(píng)果公司也開(kāi)始了它的個(gè)人數(shù)字助理（PDA）－－Newton PDA。MessagePad 100帶有手寫(xiě)識(shí)別軟件，通過(guò)手寫(xiě)筆來(lái)進(jìn)行操作。

21世紀(jì)第一個(gè)十年及其超越

由于之前的技術(shù)積累，二十一世紀(jì)的頭十年就成為觸摸屏技術(shù)真正興盛的時(shí)期，觸摸屏技術(shù)也越來(lái)越為大眾所接受和喜愛(ài)。

當(dāng)新千年到來(lái)之際，各公司都注入更多的資源以將觸摸屏技術(shù)整合進(jìn)日常處理中。2001年，PortfolioWall首次亮相。該產(chǎn)品由通用汽車(chē)與Alias｜Wavefront公司的人員共同完成，用戶僅用手勢(shì)就可以操作圖像、動(dòng)畫(huà)、3D模型。

2002年，索尼推出了一款名為SmartSkin的輸入系統(tǒng)，能夠同時(shí)識(shí)別多只手定位及多觸點(diǎn)。該技術(shù)通過(guò)電容性感應(yīng)器及網(wǎng)狀天線，計(jì)算手與表面之間的距離，既使在昏暗的光線條件下，也不會(huì)出現(xiàn)故障。

真正引爆觸摸屏手機(jī)的還是蘋(píng)果公司在2007推出具有高分辨率、多點(diǎn)觸控功能的第一臺(tái)iPhone。真正確立了觸摸屏的標(biāo)準(zhǔn)。而在今天，電容觸摸屏已經(jīng)成為一種智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配備。

觸摸屏技術(shù)的種類(lèi)

 觸摸屏的本質(zhì)是傳感器，目前，根據(jù)傳感器的類(lèi)型，觸摸屏大致被分為紅外線式、電阻式、表面聲波式和電容式觸摸屏四種。

紅外線式觸摸屏

紅外線式觸摸屏在顯示器的前面安裝一個(gè)電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外****管和紅外接收管，一一對(duì)應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時(shí)，手指就會(huì)擋住經(jīng)過(guò)該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點(diǎn)上的紅外線而實(shí)現(xiàn)觸摸屏操作。紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾，適宜某些惡劣的環(huán)境條件。其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、安裝方便、不需要卡或其它任何控制器，可以在各檔次的計(jì)算機(jī)上應(yīng)用。

電阻式觸摸屏

電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，在強(qiáng)化玻璃表面分別涂上兩層OTI透明氧化金屬導(dǎo)電層。利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)。兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化。在X和Y兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，然后傳送到觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y(cè)到這一接觸并計(jì)算出(X，Y)的位置，再根據(jù)模擬鼠標(biāo)的方式運(yùn)作。電阻式觸摸屏不怕塵埃、水及污垢影響，能在惡劣環(huán)境下工作。但由于復(fù)合薄膜的外層采用塑膠材料，抗爆性較差，使用壽命受到一定影響。

表面聲波式觸摸屏

表面聲波是一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。該種觸摸屏的角上裝有超聲波換能器。能發(fā)送一種高頻聲波跨越屏幕表面，當(dāng)手指觸及屏幕時(shí)，觸點(diǎn)上的聲波即被阻止，由此確定坐標(biāo)位置。表面聲波觸摸屏不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，分辨率極高，有極好的防刮性，壽命長(zhǎng)，透光率高，能保持清晰透亮的圖像質(zhì)量，最適合公共場(chǎng)所使用。但塵埃、水及污垢會(huì)嚴(yán)重影響其性能，需要經(jīng)常維護(hù)，保持屏面的光潔。

電容式觸摸屏

這種觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的，在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)，當(dāng)有導(dǎo)電物體觸碰時(shí)，就會(huì)改變觸點(diǎn)的電容，從而可以探測(cè)出觸摸的位置。但用戴手套的手或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時(shí)沒(méi)有反應(yīng)，這是因?yàn)樵黾恿烁鼮榻^緣的介質(zhì)。電容觸摸屏能很好地感應(yīng)輕微及快速觸摸、防刮擦、不怕塵埃、水及污垢影響，適合惡劣環(huán)境下使用。但由于電容隨溫度、濕度或環(huán)境電場(chǎng)的不同而變化，故其穩(wěn)定性較差，分辨率低，易漂移。

詳解電阻式、電容式觸摸屏工作原理

電阻式觸摸屏工作原理

電阻式觸控板主要由兩片單面鍍有ITO(氧化銦錫)的薄膜基板組成，上板與下板之間需要填充透光的彈性絕緣隔離物(spacer dot)來(lái)分開(kāi)，如圖所示，下極板必須是剛性的厚玻璃防止變形，而上極板則需要感應(yīng)外力產(chǎn)生形變所以需要爆玻璃或者塑膠。

正常工作時(shí)，上下極板接電壓并且處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)外力按下時(shí)上極板發(fā)生形變與下極板接觸導(dǎo)通，此時(shí)產(chǎn)生電壓變化，通過(guò)此電壓變化可以精確測(cè)量觸摸點(diǎn)坐標(biāo)(因?yàn)橛|摸上下極板接觸后則上下極板由原來(lái)的整體電阻變成了一分為二的電阻，而電阻值分壓值與它到邊緣的距離成比例推算X、Y坐標(biāo)的)。所以電阻式觸摸屏的精度主要取決于這個(gè)坐標(biāo)電壓的轉(zhuǎn)換精度，所以非常依賴于A/D轉(zhuǎn)換器的精度(力度大小的電壓敏感性)。

因?yàn)殡娮枋轿災(zāi)煌高^(guò)壓力操控，所以不一定要用手來(lái)控制，筆、****等都可以操作，即使戴套也沒(méi)關(guān)系，而且它和外界是隔離的所以它具有防塵防污的優(yōu)勢(shì)；不過(guò)如果「摸」得太輕，電阻式螢?zāi)徊粫?huì)有反應(yīng)，要用輕戳才行。電阻式螢?zāi)怀杀镜土?、技術(shù)門(mén)檻低，而且，操作電阻式觸控螢?zāi)粫r(shí)需要輕敲，所以容易壞，而且靈敏度也不太好，畫(huà)畫(huà)、寫(xiě)字并不流暢。

電容式觸摸屏工作原理

然而，真正帶來(lái)智能手機(jī)風(fēng)潮的是電容式觸摸屏，它是由一片雙面鍍有導(dǎo)電膜的玻璃基板組成，并在上極板上覆蓋一層薄的SiO2介質(zhì)層。如圖所示，其中上電極是用來(lái)與人體(接地)構(gòu)成平板電容感測(cè)電容變化的，而下極板用來(lái)屏蔽外界信號(hào)干擾的。

工作時(shí)，上透明電極需要接電壓并在四個(gè)角上引出四個(gè)電極，所以當(dāng)手指觸碰上面的SiO2層時(shí)，因人體是導(dǎo)電的，所以人體與上透明電極之間產(chǎn)生足夠的耦合電容，并且根據(jù)與四個(gè)角(或周邊)測(cè)量的電容值變化來(lái)計(jì)算出觸控位置坐標(biāo)(離觸控位置越近則電容越大)。但是這種表面電容式觸控(Surface Capacitive)還是無(wú)法滿足現(xiàn)在流行的多點(diǎn)觸控，如果要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控必須要使用新技術(shù)叫做Projected-Capacitive Touch，它主要改變?cè)谟趯⒈砻娴母袘?yīng)電極鋪設(shè)成一層或兩層并且進(jìn)行圖案化(主要是菱形)，一層負(fù)責(zé)X方向，一層負(fù)責(zé)Y方向。然后通過(guò)X方向和Y方向電極電容的變化來(lái)定位。

 由于現(xiàn)在主流都是多點(diǎn)觸控(Multi-Touch)，所以我稍微多講一點(diǎn)他的演變過(guò)程，多點(diǎn)觸控的Projected Capacitive主要有兩種：自電容(Self-Capacitive)和互電容(Mutual Capacitive)。

自電容它是直接掃描每個(gè)X和Y的電極電容，所以當(dāng)兩個(gè)觸摸點(diǎn)的時(shí)候會(huì)額外產(chǎn)生兩個(gè)虛擬點(diǎn)(Ghost Points)，如圖所示，左邊為兩層電極圖形化示意圖(多為菱形)，它只需要一層ITO層即可，通過(guò)光刻形成X和Y電極。右邊為原理圖，從原理圖上看，當(dāng)同時(shí)觸摸(X2, Y0)和(X1, Y3)時(shí)，由于量測(cè)四個(gè)電極的電容，所以會(huì)額外多出兩個(gè)點(diǎn)(X1, Y0)和(X2, Y3)，這就是Ghost Points，只能靠軟件解決了。雖然自電容有Ghost-Points的問(wèn)題，但是自電容位置精準(zhǔn)靈敏度高，最大的好處是它可以做Single layer ITO膜，但是到大尺寸(>15寸)的時(shí)候點(diǎn)數(shù)增加導(dǎo)致管腳增多，成本會(huì)很高，而且點(diǎn)數(shù)多了之后中間的線路會(huì)走不出來(lái)，必須要把ITO變細(xì)，所以電阻增大，而且點(diǎn)數(shù)多掃描時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)，看似沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)在蘋(píng)果手機(jī)貌似就是在走自電容觸控技術(shù)，這些技術(shù)應(yīng)該都突破了。

而互電容(Mutual-Cpacitiveor Trans-Capacitive)它需要兩層ITO膜層，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)把X和Y電極在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分隔開(kāi)，這樣它掃描的就是節(jié)點(diǎn)(Intersection)電容，而不是電極電容了。只是這兩層ITO在交點(diǎn)處的接觸必須隔開(kāi)，需要用到MEMS技術(shù)將它類(lèi)似立交橋架起來(lái)

不管是自電容還是互電容，都是依賴于將電容從人體電容中導(dǎo)到電極上，所以這兩種技術(shù)都叫做電荷轉(zhuǎn)移型電容觸控(Charge-Transfer)

電容式觸控優(yōu)勢(shì)在于速度快，可以滑而不用再用戳的。然而它只能用導(dǎo)電物體操控，它還有個(gè)缺點(diǎn)是如果觸控面積比較大(手掌)，可能你還沒(méi)碰到就有動(dòng)作了，因?yàn)槊娣e大耦合電容大，所以觸發(fā)了屏幕，所以它對(duì)外界電場(chǎng)或溫濕度導(dǎo)致的電場(chǎng)變化比較敏感。但是它是一層玻璃板結(jié)構(gòu)所以透光率比電阻式高可達(dá)90%以上。

然而不管是電阻式還是電容式觸摸屏都很難做到均勻電場(chǎng)，所以只能用于20幾寸以下的面板尺寸。如果要做大屏幕觸控必須要使用波動(dòng)式觸控技術(shù)(主要有表面聲波或紅外線波兩種)，它主要在四角或邊緣安裝紅外線或聲波****/接收器，當(dāng)觸控阻斷聲波或紅外線時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收器接收不到信號(hào)則可以斷定坐標(biāo)，這種觸控屏怕臟怕灰怕油，太嬌氣了，而且很容易受環(huán)境波動(dòng)影響。

觸控技術(shù)的電路部分

上面花了大部分篇幅介紹觸控面板的感應(yīng)模塊原理及結(jié)構(gòu)，但是有傳感部分就一定有電路部分，而觸控的電路部分主要負(fù)責(zé)的事情就是：信號(hào)探測(cè)、坐標(biāo)定位、以及手勢(shì)識(shí)別(滑動(dòng)/放大/點(diǎn)擊)。

而對(duì)于MCU電路來(lái)說(shuō)，主要需要哪些電路單元，首先最重要的就是ADC(這是所有Sensor必須的)，其次是Scan Control和DSP(信號(hào)處理)，而掃描電路一定需要時(shí)鐘信號(hào)，所以需要Timer。而手勢(shì)識(shí)別是靠一個(gè)叫Finger Tracking的單元實(shí)現(xiàn)，最后就是User configure的代碼保存需要用到EEPROM或Flash。

而在設(shè)計(jì)上的主要難點(diǎn)有兩個(gè)：1) 高電阻加大電容問(wèn)題，2) 噪聲耦合(Noise Coupling)。前者主要是由于屏幕越來(lái)越大導(dǎo)致ITO的電極越來(lái)越長(zhǎng)所以電阻越來(lái)越大，另外電極越來(lái)越長(zhǎng)導(dǎo)致電容面積越來(lái)越大所以電容也變大，最后的問(wèn)題是RC-delay延長(zhǎng)，而解法要么是通過(guò)加大電壓來(lái)加速scan，要么是換金屬布線(Ag)。后者(Noise coupling)主要是由于面板越來(lái)越大，很容易接收到環(huán)境噪聲的干擾主要靠shielding來(lái)避免，而另外的干擾來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的干擾，這只能通過(guò)在ADC之前增加Noise Cancellation來(lái)實(shí)現(xiàn)。

觸摸屏技術(shù)已經(jīng)成了繼鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、手寫(xiě)板、語(yǔ)音輸入后最為普通百姓所易接受的計(jì)算機(jī)輸入方式。因?yàn)槔眠@種技術(shù)，用戶只要用手指輕輕地觸碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作，從而使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)極大方便了用戶，非常適合多媒體信息查詢。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。