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觸摸屏原理及基礎知識全解析
瀏覽次數:1826     發布時間:2013-01-29

【導讀】:    目前主要有幾種類型的觸摸屏,它們分別是:電阻式(雙層),表面電容式和感應電容式,表面聲波式,紅外式,以及彎曲波式、有源數字轉換器式和光學成像式。它們又可以分為兩類,一類需要ITO,比如前三種觸摸屏,另一類的結構中不需要ITO, 比如后幾種屏。 &
    目前主要有幾種類型的觸摸屏,它們分別是:電阻式(雙層),表面電容式和感應電容式,表面聲波式,紅外式,以及彎曲波式、有源數字轉換器式和光學成像式。它們又可以分為兩類,一類需要ITO,比如前三種觸摸屏,另一類的結構中不需要ITO, 比如后幾種屏。
    觸摸屏在我們身邊已經隨處可見了,在PDA等個人便攜式設備領域中,觸摸屏節省了空間便于攜帶,還有更好的人機交互性。
    目前主要有幾種類型的觸摸屏,它們分別是:電阻式(雙層),表面電容式和感應電容式,表面聲波式,紅外式,以及彎曲波式、有源數字轉換器式和光學成像式。它們又可以分為兩類,一類需要ITO,比如前三種觸摸屏,另一類的結構中不需要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,它是一種透明的導電體。通過調整銦和錫的比例,沉積方法,氧化程度以及晶粒的大小可以調整這種物質的性能。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,反應溫度要下降到150度以下,這會導致ITO氧化不完全,之后的應用中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常校正。
     圖一是電阻觸摸屏的一個側面剖視圖。手指觸摸的表面是一個硬涂層,用以保護下面的PET層。PET層是很薄的有彈性的PET薄膜,當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構,通常是玻璃或者塑料。
    電阻觸摸屏的多層結構會導致很大的光損失,對于手持設備通常需要加大背光源來彌補透光性不好的問題,但這樣也會增加電池的消耗。電阻式觸摸屏的優點是它的屏和控制系統都比較便宜,反應靈敏度也很好。
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注。Apple推出的iPhone提供的友好人機界面,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品紛紛面世。而且隨著工藝進步和批量化,它的成本不斷下降,開始顯現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,當手指觸摸屏表面時,就會有一定量的電荷轉移到人體。為了恢復這些電荷損失,電荷從屏幕的四角補充進來,各方向補充的電荷量和觸摸點的距離成比例,我們可以由此推算出觸摸點的位置。
    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模塊的面積應該比手指面積小,當采用菱形圖案時,對角線長通?刂圃4到6毫米。
     圖三中,綠色和藍色的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。
    感應電容觸摸屏檢測到的觸摸位置對應于感應到最大電容變化值的交叉點,對于X軸或Y軸來說,則是對不同ITO模塊的信號量取加權平均得到位置量,系統然后在觸摸屏下面的LCD上顯示出觸摸點或軌跡。
    當有兩個手指觸摸(紅色的兩點)時,每個軸上會有兩個最大值,這時存在兩種可能的組合,系統就無法準確定位判斷了,這就是我們通常所稱的鏡像點(藍色的兩點)。
    另外,觸摸屏的下面是LCD顯示屏,它的表面也是傳導性的,這樣就會和靠近的ITO涂層的ITO模塊產生寄生電容,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,Cypress PSoC產品以可編程,設計靈活,一致性好, 再加上高效的PSoC Express / PSoC designer開發環境而處于領先地位。
    PSoC CapSense技術是根據電容感應的原理使用CSA或CSD模塊來實現的。PCB板或觸摸屏上相鄰的感應模塊或導線之間會存在寄生電容(見圖四中的Cp),當有手指接近或觸摸兩個相鄰感應模塊時,相當于附加了兩個電容,它們相當于并聯在Cp上的電容Cf。利用PSoC的CSA和CSD技術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點還體現在:
    1. 是一種單芯片方案,和傳統方案相比減少了外部器件,降低了系統總體BOM成本。
    2. 通過使用I2C-USB Bridge和其它相關工具,結合PSoC Express / PSoC designer開發環境,可以極大地節省開發時間和費用。
    3. PSoC內部的IO和各種模擬/數字模塊可以實現動態重配置,不需要修改原理圖和PCB就可以更新設計以適應新的需求。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方便連接,這些都會降低系統更新的成本。
    4. PSoC可以針對外界環境變化 – RF干擾 / 溫度變化 / 電源波動等靈活設置參數,在LCD顯示器、手機、數碼相機和白色家電的觸摸控制中得到了廣泛的應用。
    5. 除了控制觸摸以外,PSoC還可實現LED背光控制,馬達控制,電源管理,I/O擴展等增值功能。
    PSoC已經應用在了多種尺寸的觸摸屏中,如果要實現表面電容觸摸屏的控制,可以由 CY8C21x34或CY8C24x94系列通過CSD模塊來實現,見圖五。實現感應電容觸摸屏的控制,可以由CY8C20x34系列通過CSA模塊,也可由CY8C21x34或CY8C24x94系列通過CSD模塊來實現,見圖六。
     在觸摸屏產品的設計中,需要對性能和成本進行權衡。電阻觸摸屏的成本較低,競爭就很激烈,而且在性能和應用場合上有一定局限。
    1. 電容觸摸屏只需要觸摸,而不需要壓力來產生信號。
    2. 電容觸摸屏在生產后只需要一次或者完全不需要校正,而電阻技術需要常規的校正。
    3. 電容方案的壽命會長些,因為電容觸摸屏中的部件不需任何移動。電阻觸摸屏中,上層的ITO薄膜需要足夠薄才能有彈性,以便向下彎曲接觸到下面的ITO薄膜。
    4. 電容技術在光損失和系統功耗上優于電阻技術。
    5. 選擇電容技術還是電阻技術主要取決于觸碰屏幕的物體。如果是手指觸碰,電容觸摸屏是比較好的選擇。如果需要觸筆,不管是塑料還是金屬的,電阻觸摸屏可以勝任。電容觸摸屏也可以使用觸筆,但是需要特制的觸筆來配合。
    6. 表面電容式可以用于大尺寸觸摸屏,并且相成本也較低,但目前無法支持手勢識別;感應電容式主要用于中小尺寸觸摸屏,并且可以支持手勢識別。
    7. 電容式技術耐磨損、壽命長,用戶使用時維護成本低,因此生產廠家的整體運營費用可被進一步降低。
電容式觸摸屏的發展趨勢
    電容觸摸屏已經應用在了iPhone及其它手持設備上,定位單點軌跡 / 模擬鼠標雙擊是它的基本功能,而對多手指手勢操作的識別和應用成為當前市場的熱點。在便攜式應用中,用戶一手拿著設備,只能用另一只手操作,因此識別多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 壓縮, 旋轉, 翻頁等手勢操作就顯得尤為重要。PSoC感應電容觸摸屏已經可以實現多點檢測,從而支持兩手指的手勢識別?梢灶A見支持手勢識別的電容式觸摸屏將在市場上大放光彩。

 

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