觸摸技術

觸摸技術簡介

　　從電話機，辦公設備，揚聲器，數碼相框，電視機控制鍵，遙控器，GPS系統，汽車無鑰控制，到醫療監控設備，到處都是觸摸設備！每一個行業，每個產品類型，各種尺寸，每一種應用，甚至是每個價格點上，都離不開觸摸技術?？梢哉f，觸摸技術無處不在。

　　實際上，如果產品上有一個LCD或鍵盤，設計師可能就需要考慮如何才能設計出一個利用觸摸技術的產品。但對于設計師不幸的是，當設計觸摸屏時，有許多種不同的解決方式，有各式各樣的性能，當然也需要各種不同的設計考慮。

觸摸技術百科

　　從電話機，辦公設備，揚聲器，數碼相框，電視機控制鍵，遙控器，GPS系統，汽車無鑰控制，到醫療監控設備，到處都是觸摸設備！每一個行業，每個產品類型，各種尺寸，每一種應用，甚至是每個價格點上，都離不開觸摸技術?？梢哉f，觸摸技術無處不在。

　　實際上，如果產品上有一個LCD或鍵盤，設計師可能就需要考慮如何才能設計出一個利用觸摸技術的產品。但對于設計師不幸的是，當設計觸摸屏時，有許多種不同的解決方式，有各式各樣的性能，當然也需要各種不同的設計考慮。

　　觸摸技術的深入剖析

　　搞清設計所需是觸摸產品設計最重要的第一步。觸摸屏供應鏈上的許多提供商通常提供許多令人迷惑的不同組件，而更多的時候是一些提供商聯合起來為終端客戶提供一個價值鏈。無論是在最新的筆記本電腦，或者最新的觸摸屏手機中，該生態系統都是一樣的。

　　前面板或外框

　　前面板或外框是終端產品的最表層。在某些產品中，該外框將透明的蓋板圍起來，以免受到外部的惡劣氣候或潮濕的影響，也防止下面的傳感產品受到刻劃以及破壞（見#3）。也有些時候，最外面的框只是簡單地覆蓋在觸摸傳感器的上邊，這種情況下僅僅是一個裝飾。

　　觸摸控制器

　　通常，觸摸控制器是一個小型的微控制器芯片，它位于觸摸傳感器和PC/或嵌入式系統控制器之間。該芯片可以裝配到系統內部的控制器板上，也可以放到粘貼到玻璃觸摸傳感器上的柔性印刷電路（FPC）上。該觸摸控制器將提取來自觸摸傳感器的信息，并將其轉換成PC或嵌入式系統控制器能夠理解的信息。

　　觸摸傳感

　　觸摸屏“傳感器”是一個帶有觸摸響應表面的透明玻璃板。該傳感器被安放到LCD上面，使得面板的觸摸區域能覆蓋顯示屏的可視區域。如今市場上有許多種不同的觸摸傳感技術，各自都采用彼此不同的方法來檢測觸摸輸入?；旧?，這些技術都是在觸摸時，使電流流過面板，從而產生一個電壓或信號的變化。這個電壓變化將被觸摸控制器傳感，從而確定屏幕上的觸摸位置。

　　液晶顯示器（LCD）

　　絕大多數的觸摸屏系統用于傳統的LCD上。用于觸摸產品的LCD選擇方法與傳統系統中基本相同，包括分辨率，清晰度，刷新速度，成本等。但在觸摸屏中的另一個主要的考慮是輻射電平。由于觸摸傳感器中的技術基于面板被觸摸所產生的微小的電變化，能夠輻射許多電氣噪聲的LCD是設計中的難點。在選擇用于觸摸系統中的LCD之前，應該與觸摸傳感器提供商進行協商。

　　系統軟件

　　觸摸屏驅動器軟件可以來自原廠商（如手機中的嵌入式OS），也可以是后來加裝的軟件（像在傳統PC上加一個觸摸屏）。該軟件應能使觸摸屏和系統控制器一道工作。它將告訴產品的操作系統如何解析來自觸摸控制器的觸摸事件信息。在PC型應用中，絕大多數觸摸屏驅動器的工作像一個鼠標。這就使得觸摸屏幕與在屏幕上的同一位置上連續的按鼠標非常相似。在嵌入式系統中，嵌入式控制驅動器必須將出現在屏幕上的信息與接收到觸摸的位置進行比對。三大觸摸技術

　　阻性觸摸技術：阻性觸摸技術是最常用的觸摸屏技術。用于高業務流應用，并對屏幕上的水珠和其他殘留物具有免疫能力。阻性觸摸屏通常是成本最低的解決方案。由于是對壓力起反應，可以用手指，帶手套的手，觸摸筆，或者像信用卡這類的其它的物體進行觸摸。

　　表面容性觸摸技術：表面容性觸摸技術提供的顯示清晰度比阻性觸摸中通常所用的塑料膜要清晰得多。在表面容性顯示中，位于顯示器四個角落的傳感器檢測由于觸摸引起的電容變化。這類觸摸屏可以用手指或其他容性物體實現觸摸激勵。

　　保護性容性觸摸：保護性容性觸摸是最近才進入市場的一種技術。該技術也能提供優異的透光性，但它還具有一些比表面容性觸摸好得多的優點。投影型容性觸摸不需要位置校準，并能提供高得多的位置精度。投影型容性觸摸還有另外令人激動的地方，那就是它同時能夠支持多點觸摸。

　　觸控技術揭秘

　　1、觸控面板的技術要點：

　　從技術原理角度來講，觸摸屏是一套透明的絕對定位系統，首先它必須保證是透明的；其次它是絕對坐標，手指摸哪就是哪，不像鼠標需要一個光標作為相對定位用，所以很容易分散注意力，因為你要時時關注光標在哪里。

　　究其結構通常是在半反射式液晶面板上（ITO透明導電極）覆蓋一層壓力板，其對壓力有高敏感度，當物體施壓于其上時會有電流信號產生并且定出壓力源位置，并可動態追蹤。這種就是我們媒體報道的on-cell技術?，F在亦有In cell Touch觸控組件集成于顯示面板之內，使面板本身就具有觸控功能，不需另外進行與觸控面板的貼合與組裝即可達到觸控的效果與應用，主要是Apple在研究，優缺點看我前一篇文章《面板驅動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的區別及原理。

　　2、觸控面板的分類及原理：

　　從技術原理來區別觸摸屏，可分為五個基本種類：矢量壓力傳感技術觸摸屏、電阻技術觸摸屏、電容技術觸摸屏、紅外線技術觸摸屏、表面聲波技術觸摸屏。其中矢量壓力傳感技術觸摸屏已退出歷史舞臺；紅外線技術觸摸屏價格低廉，但其外框易碎，容易產生光干擾，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，適于各種場合，致命的缺點是屏幕表面如果有水滴和塵土會使觸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。

　　1） 電阻式（Resistive Touch）：用力真好！

　　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外力產生形變所以需要爆玻璃或者塑膠。

　　正常工作時，上下極板接電壓并且處于斷開狀態，當外力按下時上極板發生形變與下極板接觸導通，此時產生電壓變化，通過此電壓變化可以精確測量觸摸點坐標（因為觸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坐標的）。所以電阻式觸摸屏的精度主要取決于這個坐標電壓的轉換精度，所以非常依賴于A/D轉換器的精度（力度大小的電壓敏感性）。

　　因為電阻式螢幕透過壓力操控，所以不一定要用手來控制，筆、信用卡等都可以操作，即使戴套也沒關系，而且它和外界是隔離的所以它具有防塵防污的優勢；不過如果「摸」得太輕，電阻式螢幕不會有反應，要用輕戳才行。電阻式螢幕成本低廉、技術門檻低，而且，操作電阻式觸控螢幕時需要輕敲，所以容易壞，而且靈敏度也不太好，畫畫、寫字并不流暢。

　　2） 電容式（Capacitive Touch）：縱享輕滑！

　　然而，真正帶來智能手機風潮的是電容式觸摸屏，它是由一片雙面鍍有導電膜的玻璃基板組成，并在上極板上覆蓋一層薄的SiO2介質層。如圖所示，其中上電極是用來與人體（接地）構成平板電容感測電容變化的，而下極板用來屏蔽外界信號干擾的。

　　工作時，上透明電極需要接電壓并在四個角上引出四個電極，所以當手指觸碰上面的SiO2層時，因人體是導電的，所以人體與上透明電極之間產生足夠的耦合電容，并且根據與四個角（或周邊）測量的電容值變化來計算出觸控位置坐標（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）還是無法滿足現在流行的多點觸控，如果要實現多點觸控必須要使用新技術叫做Projected-Capacitive Touch，它主要改變在于將表面的感應電極鋪設成一層或兩層并且進行圖案化（主要是菱形），一層負責X方向，一層負責Y方向。然后通過X方向和Y方向電極電容的變化來定位。

　　由于現在主流都是多點觸控（Multi-Touch），所以我稍微多講一點他的演變過程，多點觸控的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X和Y的電極電容，所以當兩個觸摸點的時候會額外產生兩個虛擬點（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，當同時觸摸（X2， Y0）和（X1， Y3）時，由于量測四個電極的電容，所以會額外多出兩個點（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）的時候點數增加導致管腳增多，成本會很高，而且點數多了之后中間的線路會走不出來，必須要把ITO變細，所以電阻增大，而且點數多掃描時間也會增長，看似沒有優勢，但是現在蘋果手機貌似就是在走自電容觸控技術，這些技術應該都突破了。

　　而互電容（Mutual-Cpacitive or Trans-Capacitive）它需要兩層ITO膜層，通過特殊的結構把X和Y電極在每個節點上分隔開，這樣它掃描的就是節點（Intersection）電容，而不是電極電容了。只是這兩層ITO在交點處的接觸必須隔開，需要用到MEMS技術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到電極上，所以這兩種技術都叫做電荷轉移型電容觸控（Charge-Transfer）。

　　電容式觸控優勢在于速度快，可以滑而不用再用戳的。然而它只能用導電物體操控，它還有個缺點是如果觸控面積比較大（手掌），可能你還沒碰到就有動作了，因為面積大耦合電容大，所以觸發了屏幕，所以它對外界電場或溫濕度導致的電場變化比較敏感。但是它是一層玻璃板結構所以透光率比電阻式高可達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，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式觸控技術（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射器/接收器，當觸控阻斷聲波或紅外線時，對應的接收器接收不到信號則可以斷定坐標，這種觸控屏怕臟怕灰怕油，太嬌氣了，而且很容易受環境波動影響。

　　每一類觸摸屏都有其各自的優缺點，要了解哪種觸摸屏適用于哪種場合，關鍵就在于要懂得每一類觸摸屏技術的工作原理和特點。

　　3、觸控面板的電路部分：

　　上面花了大部分篇幅介紹觸控面板的感應模塊原理及結構，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責的事情就是：信號探測、坐標定位、以及手勢識別（滑動/放大/點擊）。

　　而對于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（信號處理），而掃描電路一定需要時鐘信號，所以需要Timer。而手勢識別是靠一個叫Finger Tracking的單元實現，最后就是User configure的代碼保存需要用到EEPROM或Flash。

　　而在設計上的主要難點有兩個：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，很容易接收到環境噪聲的干擾主要靠shielding來避免，而另外的干擾來自開關電源的干擾，這只能通過在ADC之前增加Noise Cancellation來實現。

　　觸控技術還有哪些創新可談？

　　毫無疑問，觸控是人們現階段最習慣的人機交互方式。它自然、高效、精準。雖然語音識別技術和體感交互隨著時間的推移都日趨成熟，但短時間內我們還是很難看到有哪種交互能像觸控那樣普適而穩定。

　　任何技術和產品都有其最終形態，性能如果過剩的話，參數的提升就沒有太多意義。2015年4月29日，在GMIC會議期間，人機交互解決方案開發商Synaptics公司舉辦了一場主題為“未來，現在，已來”的見面會。

　　在會上，Synaptics公司觸控業務部副總裁Brian Daly，談及外界對觸控技術創新的質疑時提到，無論在應用場景上還是性能上，觸控技術一直處于高速發展的領域。特別是那些看上去理所當然的進步，其背后都有大量的技術積累。會后，雷鋒網就其中的幾個應用場景，采訪了Brian Daly。以下為采訪實錄：

　　電容屏技術是手指在屏幕上操作的時候，通過電流量來計算觸控的位置，所以如果戴手套和有水的話，會因為手套是絕緣體（除了某些特殊材質的手套），而水是良導體造成觸控出現問題。你們是如何解決這個問題的？

　　Brian Daly：水是導電的，但是水對電容屏有些特殊性，我們有一種非常先進的高級的算法，能夠探測出在一個屏幕上接觸的東西到底是水珠還是人的手指。我們把各種不同的東西分類，集中起來跟蹤就知道，到底是水造成的還是手指造成的。你剛才說特殊材料的手套才能有導電性，用在蘋果上可以。實際上用在我們的設備上也行，但是我們正常的手套也可以用，為什么呢？因為正常的手套跟屏在接觸的過程中，有一個微小的距離，可以產生電信號。我們也可以把這個電信號進行分類，我們的技術就可以區分開，是在手套模式下操作、使用這個設備，還是在手指裸指的情況下進行操作，可以準確的進行判斷，所以照樣也可以根據很多人的使用情況來使用。

　　絕緣如何產生電信號？

　　Brian Daly：正常的手套或者滑雪手套、布手套，都是絕緣的，可以把它看成對電場會有影響，跟你手指去觸控直接接觸觸摸屏是不一樣的，當中是有一層絕緣層的，就跟你懸浮觸控是一樣的，但它依然會改變電場，依然會對整個電場分布有影響，我們的算法會區分。而且不同絕緣體對電場改變是不一樣的。

　　改變的什么不一樣？

　　Brian Daly：介電常數是不一樣的，所以說對電場影響是不一樣的，所以我們算法會區分，在一個范圍內，在導體和絕緣體范圍內，你戴什么樣的手套，我們基本上是絕緣的手套都能夠做到觸控，因為現在最厚的手套不過4毫米，你的手指抬起來一點，我們依然可以對電場、對觸屏感知到，我們芯片可以做得到。

　　根據一般的理解，如果是絕緣體的話，應該說通過壓力感應或者熱場感應吧？

　　Brian Daly：其實是電場，其實整個電容觸控的原理就是表面分布式的電場，你的手指放上去的時候，哪怕你接近它，都有影響，你觸上去之后影響是最大的。你戴了手套之后，這個信號會變得很弱，這個時候會區分芯片的設計和算法的設計，然后把這些微弱的手指信號給抓出來。

　　如果是算法問題的話，那技術應該是能夠實現的，但如果將微弱的電信號轉換為操作，理論上會提高誤操作率？

　　Brian Daly：對，的確是這樣，不過你去觸摸一個手機的時候，你接近它，還沒有觸到的時候，其實我們的芯片已經知道了，手指在接近，但是要等到觸上了之后，比如我接近的時候可能是這個動作，有45度，還有距離，真正不是在這上面。我們的算法是會知道，接近和觸上去，還有抬起來，甚至還有一些背景噪聲，像顯示LCD是會有噪聲會影響到它，我需要用我的算法把這些區分開來，而且需要對我們的芯片的信噪比提升，圍繞的信號也可以從噪聲中把它分辨出來。這是關于手套的。

　　關于濕手指操作或者水汽，其實水汽也是一層導體，如果我就放一滴水滴在觸摸屏上，你可以把它認為是一個導體，尤其是手指停在上面的時候，也是這樣一個動作。因為手指的介電常數跟水的介電常數是不一樣的。

　　那懸浮技術呢？

　　Brian Daly：懸浮技術是用手套操作的，其實手套也是這樣的，手指跟觸摸屏之間是有一層絕緣體的，懸浮也是把它抬起來，空氣是絕緣體。

　　我剛才說到誤操作的時候，您說你們的操作是需要按上去才能操作的，那豈不是矛盾嗎？

　　Brian Daly：不矛盾，誤操作不是這樣的，當你這樣抓著的時候（單手握住手機），誤操作的處理主要是指屏幕的邊緣。

　　雷鋒網（公眾號：雷鋒網）：那懸浮的話，如何避免誤操作呢？

　　Brian Daly：如果要是懸浮的話，一般是在應用程序里面把懸浮打通，而不是在這種情況下要懸浮出來，而是在不同的場景下才會有的。其實大家聽起來覺得好像每天用手機非常簡單、很快，但其實背后的芯片做了很多工作?，F在我們國產的手機（屏幕）絕大多數用的是防水的，我可以舉出一大堆例子。iPhone在這方面體驗不好，是因為蘋果不把這個當成重點，它覺得把水滴擦了就可以了，但其實在中國更多的地方，比如南方，我在桑拿房，我拿起手機想玩，這個時候不可能一直在擦水，所以很多應用都是我們提出的。