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聊的鍵盤占據(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，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。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。

 

觸控面板最早結(jié)緣于1965年E.A. Johnson一篇簡短的描述電容觸摸屏的文章，繼而1967年深度發(fā)表有圖有真相的文章。再到1970年由兩位CERN(European Council for Nuclear Research)的兩位工程師在1970年代初期發(fā)明的透明觸控面板，并且與1973年投入使用。再后來到1975年一個(gè)美國人George Samuel Hurst發(fā)明了電阻式觸控面板并拿到美國專利(#3,911,215)，并與1982年投入商用。

 

 

從技術(shù)原理角度來講，觸摸屏是一套透明的絕對(duì)定位系統(tǒng)，首先它必須保證是透明的；其次它是絕對(duì)坐標(biāo)，手指摸哪就是哪，不像鼠標(biāo)需要一個(gè)光標(biāo)作為相對(duì)定位用，所以很容易分散注意力，因?yàn)槟阋獣r(shí)時(shí)關(guān)注光標(biāo)在哪里。

 

究其結(jié)構(gòu)通常是在半反射式液晶面板上(ITO透明導(dǎo)電極)覆蓋一層壓力板，其對(duì)壓力有高敏感度，當(dāng)物體施壓于其上時(shí)會(huì)有電流信號(hào)產(chǎn)生并且定出壓力源位置，并可動(dòng)態(tài)追蹤。這種就是我們媒體報(bào)道的on-cell技術(shù)。現(xiàn)在亦有In cell Touch觸控組件集成于顯示面板之內(nèi)，使面板本身就具有觸控功能，不需另外進(jìn)行與觸控面板的貼合與組裝即可達(dá)到觸控的效果與應(yīng)用，主要是Apple在研究，優(yōu)缺點(diǎn)看我前一篇文章《面板驅(qū)動(dòng)IC》

 

接下來我們主要從透明性和定位方法來分別介紹不同觸控技術(shù)的區(qū)別及原理。

 

 

從技術(shù)原理來區(qū)別觸摸屏，可分為五個(gè)基本種類：矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。其中矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏已退出歷史舞臺(tái)；紅外線技術(shù)觸摸屏價(jià)格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)生光干擾，曲面情況下失真；表面聲波觸摸屏幾乎解決了所有觸摸屏的各種缺陷，清晰不容易被損壞，適于各種場(chǎng)合，致命的缺點(diǎn)是屏幕表面如果有水滴和塵土?xí)褂|摸屏變的遲鈍甚至不工作，所以也很難普及使用。下面主要講電阻式和電容式屏幕吧。

 

 

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)來分開，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^壓力操控，所以不一定要用手來控制，筆、信用卡等都可以操作，即使戴套也沒關(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，畫畫、寫字并不流暢。

 

 

然而，真正帶來智能手機(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X方向和Y方向電極電容的變化來定位。

 

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，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，看似沒有優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)在蘋果手機(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-Cpacitive or Trans-Capacitive)它需要兩層ITO膜層，通過特殊的結(jié)構(gòu)把X和Y電極在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分隔開，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，需要用到MEMS技術(shù)將它類似立交橋架起來。

 

 

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發(fā)射器/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。

 

每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，要了解哪種觸摸屏適用于哪種場(chǎng)合，關(guān)鍵就在于要懂得每一類觸摸屏技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)。

 

 

 

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)，但是和Sensor一樣(觸控也是一種Sensor)，它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電路來說，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) 高電阻加大電容問題，2) 噪聲耦合(Noise Coupling)。前者主要是由于屏幕越來越大導(dǎo)致ITO的電極越來越長所以電阻越來越大，另外電極越來越長導(dǎo)致電容面積越來越大所以電容也變大，最后的問題是RC-delay延長，而解法要么是通過加大電壓來加速scan，要么是換金屬布線(Ag)。后者(Noise coupling)主要是由于面板越來越大，很容易接收到環(huán)境噪聲的干擾主要靠shielding來避免，而另外的干擾來自開關(guān)電源的干擾，這只能通過在ADC之前增加Noise Cancellation來實(shí)現(xiàn)。

 

 

推薦閱讀：