電容式觸摸屏將引領(lǐng)市場(chǎng)潮流
屈偉平
摘要：本文比較了電容式觸摸屏和電阻式觸摸屏的原理，并對(duì)電容式觸摸屏進(jìn)行了分類介紹，總結(jié)了電容式觸摸屏的優(yōu)勢(shì)和缺陷。預(yù)示了觸摸屏電容式必將取代電阻式的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：電容式觸摸屏 電阻式觸摸屏 替代趨勢(shì)
觸摸屏廣泛應(yīng)用于我們?nèi)粘Ｉ罡鱾€(gè)領(lǐng)域，如手機(jī)、媒體播放器、導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼相框、PDA、游戲設(shè)備、顯示器、電器控制、醫(yī)療設(shè)備等等。主流的觸摸屏分為電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、聲表面波式觸摸屏、紅外線式觸摸屏等。其中，紅外線式和電容式觸摸屏能夠支持多點(diǎn)觸控，前者由于尺寸限制和線性度不高，尚不能滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的要求，而電容式觸摸屏因其相對(duì)町接受的成本以及良好的線性度和可操作性，是目前主流的多點(diǎn)觸控技術(shù)。在實(shí)際生活中我們接觸最多的還是電阻式觸摸屏，它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)和隨身數(shù)碼產(chǎn)品當(dāng)ffi。但電容式觸摸屏將成為發(fā)展趨勢(shì)，替代電阻式觸摸屏。
1 電容式和電阻式觸摸屏原理比較
1．1 電容式觸摸屏
電容式觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護(hù)層，夾層ITO涂層作為工作面，四個(gè)角上引出四個(gè)電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的：f=作環(huán)境。
當(dāng)手指觸摸在金屬層上時(shí)，由于人體電場(chǎng)，用戶和觸摸屏表面形成以一個(gè)耦合電容，對(duì)于高頻電流來(lái)說(shuō)，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個(gè)很小的電流。這個(gè)電流分從觸摸屏的四角一1-_的電極中流出，并且流經(jīng)這四個(gè)電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過(guò)對(duì)這四個(gè)電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)的位置。電容式觸摸屏示意圖見(jiàn)圖1。
圖1 電容式觸摸屏示意圖
電容式傳感器的表面接收與用戶相接觸處的觸摸信息發(fā)送到控制器板?？刂破靼逄幚碛|摸信號(hào)，再把信息傳送給主機(jī)。然后，主機(jī)把手指位置和接觸信息用于各種用戶接口功能，比如輸入字符、數(shù)據(jù)和屏幕滾動(dòng)。
ITO的透光度與表面阻抗成正比，即透光度越高，表面阻抗越大，但在透光度一定的情況下，IT0的圖形沒(méi)計(jì)也對(duì)阻抗有影響。由于這個(gè)特性，基于ITO的電容式觸摸感應(yīng)設(shè)計(jì)要面對(duì)不小的挑戰(zhàn)，因?yàn)樽杩沟拇嬖?，增加T電容充放電的時(shí)間，從而使感應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，信噪比(SNR)也會(huì)相應(yīng)降低。盡量減少感應(yīng)電極的固有阻抗，是設(shè)計(jì)感應(yīng)電容式觸摸屏的關(guān)鍵因素。
1.2 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，這是一種多層的復(fù)合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬(透明的導(dǎo)電電阻)導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層，它的內(nèi)表面也涂有一層涂層，在他們之間有許多細(xì)小的(小于l／1000英寸)的透明隔離點(diǎn)把兩層導(dǎo)電層隔開(kāi)絕緣。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)，然后送觸摸屏控制器?？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。這就是電阻技術(shù)觸摸屏的最基本的原理。
2 電容式觸摸屏的分類
電容式觸摸屏主要有兩種類型：表面式電容觸摸屏和投射式電容觸摸屏。
2．1 投射電容式觸摸屏
傳感器利用觸摸屏電極發(fā)射出靜電場(chǎng)線，秣為投射電容式觸摸屏。一般用于投射電容傳感器類型有兩種：自我電容和交互電容。
交互電容又叫做跨越電容，它是通過(guò)_十lI鄰I 橄的耦合產(chǎn)生的電容。當(dāng)被感覺(jué)物體靠近從一個(gè)l 飯劍 j一個(gè)電極的電場(chǎng)線時(shí)，交互電容的改變被感覺(jué)劍，從而報(bào)告出位置。在汽車應(yīng)用中交互電容傳感器作為f導(dǎo)性傳感器被廣泛用作汽油調(diào)節(jié)。
自我電容又稱絕對(duì)電容，是最廣為采用的一種力‘法。它把被感覺(jué)的物體作為電容的另一個(gè)極板 該物體在傳感電極和被傳感電極之間感應(yīng)出電荷，從 被感覺(jué)到。所測(cè)量的電荷存儲(chǔ)在結(jié)果電容耦合中。
數(shù)百萬(wàn)種自我電容方法在人們?nèi)粘Ｉ畹奈恢脗鞲兄斜徊捎谩＠绠?dāng)今的筆記本電腦匕觸摸輸入板到處存在。最典型的筆記本電腦觸摸輸入板采用XxY
的傳感電極陣列形成一個(gè)傳感格子。當(dāng)手指靠近觸摸輸入板時(shí)，在手指和傳感電極之間產(chǎn)生一個(gè)小量電荷。采用特定的運(yùn)算法則處理來(lái)自行、列傳感器的信號(hào)來(lái)確定被傳感物體(此處指的就是手指)的佗置。
在上述兩種類型的投射電容式傳感器中，傳感電容可以按照一定方法設(shè)計(jì)，以便在任何給定時(shí)間內(nèi)都可以探測(cè)到觸摸，該觸摸不僅局限于一根手指，也可以是多根手指。投射電容式傳感器可以用在很多設(shè)備上，如觸摸輸入板和投射電容式觸摸屏，其操作的基本原理是一樣的。其不同之處在于傳感器電極的材料、傳感器襯底、制造方法，以及方法堆棧中的很多問(wèn)題。觸摸輸入板可以用不透明材料制造，如采用金屬或者傳感領(lǐng)域的碳基電極。
投射電容式觸摸屏必須是透明的，因此，經(jīng)常用與基于電阻式觸摸屏的透明導(dǎo)體相同的材料來(lái)制造，例如ITO。
但是，與電阻式觸摸屏不同，投射電容式觸摸屏不需要層與層之間的空氣間隔，或者不需要令任何層變形，因此，傳感器可以采用堅(jiān)硬的玻璃或者塑料襯底。投射電容式和電阻式觸摸屏構(gòu)造的關(guān)鍵不同之處足有關(guān)ITO的要求，投射電容式觸摸屏的ITO是作為后一層定型在前一層上，而不是像電阻式觸摸屏一樣采川連續(xù)的膜淀積。雖然增加了工藝復(fù)雜程度，但是考慮到采用投射電容式觸摸屏的好處，還是非常值得的。
2．2 表面式電容觸摸屏
表面式電容觸摸屏采用一層銦錫氧化物(ITO)，外圍至少有四個(gè)電極。當(dāng)一個(gè)接地的物體靠近時(shí)，例如手指，這電極能夠感應(yīng)表面電容的變化。3M微觸公司(3MMicro-Touch)作為該技術(shù)的最主要供應(yīng)商之一， 這種方法很長(zhǎng)一段時(shí)間被用在信息亭觸摸屏L電容式觸摸屏有一些局限性，它只能識(shí)別一個(gè)手指或者一次觸摸。另外，考慮到電極的尺寸，對(duì)于
小尺寸屏幕(如那些用在手持式平臺(tái)上的屏幕)是不實(shí)際的，因此表面式電容觸摸屏發(fā)展很慢。
3 電容式觸摸屏的優(yōu)勢(shì)和缺陷
3．1 優(yōu)勢(shì)
(1)耐久性
電容式傳感器接口方案中使用的材料與RTS的相問(wèn)，都是在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)上再加一層氧化銦錫(ITO)。不過(guò)，電容式傳感器不存在RTS的光學(xué)問(wèn)題和耐久性問(wèn)題，因?yàn)樗菃螌訅喊?，沒(méi)有降低光學(xué)性能的空氣間隙，而且，前者是固態(tài)的，無(wú)移動(dòng)部件，從而可獲得很高的可靠性和耐久性。
在電容式傳感器中，嵌入式設(shè)計(jì)人員不受限于易彎曲表面材料，因?yàn)殡娙葜饕峭ㄟ^(guò)非導(dǎo)電性材料米感測(cè)的。即使傳感器被放置在聚碳酸酯或丙烯酸等耐用材料表面之下，也叮以進(jìn)行電容式感測(cè)。在這些情況巾，電容式傳感器仍具有剛性罩面的環(huán)境耐久性，這個(gè)特性讓它在其他技術(shù)無(wú)法勝任的環(huán)境中也能夠工作。機(jī)械上的簡(jiǎn)潔性是可靠性和光學(xué)性能提高的另一個(gè)主要原因。在電容式傳感器模塊中，各層之間在光學(xué)性能上都彼此匹配，并層壓在一起，不存在任何空氣間隙及它們引起的內(nèi)部反射問(wèn)題。由于采用了極薄的導(dǎo)電層，光吸收也被減至最小。
(2)支持多點(diǎn)觸控
電阻式觸控屏幕在工作時(shí)每次只能判斷一個(gè)觸控點(diǎn)，如果觸控點(diǎn)在兩個(gè)以上，就不能做出正確的判斷了，所以電阻式觸摸屏僅適用于點(diǎn)擊、拖拽等一些簡(jiǎn)單動(dòng)作的判斷。而電容式觸摸屏的多點(diǎn)觸控，則可以將用戶的觸摸分解為采集多點(diǎn)信號(hào)及判斷信號(hào)意義兩個(gè)工作，完成對(duì)復(fù)雜動(dòng)作的判斷。使用兩根手指的拉伸、換位即可在屏幕上完成諸如放大、旋轉(zhuǎn)這樣趣味十足的操作，這在電容式觸摸屏出現(xiàn)之前，幾乎是不可想象的。
(3)穩(wěn)定性
因?yàn)樗枪虘B(tài)傳感器，沒(méi)有移動(dòng)部件，在傳感器使用期間光學(xué)性能可保持穩(wěn)定一致。相反地，電阻式觸摸屏需要空氣間隙和絕緣點(diǎn)(spacer dot)，而這兩者都會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部反射和散射光。此外，在電阻式觸摸屏工作期間，若頂層表面變形，就必須采取若_f=措施來(lái)使光學(xué)畸變(比如牛頓環(huán))降至最少。
電容式傳感器的傳感器層之問(wèn)不需要臨界間距，而電阻式傳感器的彎曲或變形可能會(huì)影響層問(wèn)間距。但電容式傳感器可以通過(guò)彎曲表面進(jìn)行感測(cè)，無(wú)功能性損失。鑒于以上差異，在采用RTS尤法奏效的心用中，設(shè)計(jì)人員可以利用電容式傳感器來(lái)增加簡(jiǎn)單又具成本效益的觸摸式感測(cè)。
基于電容式傳感器的設(shè)計(jì)為終端用戶提供了出色的光學(xué)和手指感測(cè)能力。由于這種傳感器的光學(xué)結(jié)構(gòu)匹配，減少了內(nèi)部反射，故 示文本和圖形的承載屏幕鮮明清晰。
3.2 缺陷
作為目前正當(dāng)紅的觸摸屏技術(shù)，電容式觸摸屏雖然具有界面華麗、多點(diǎn)觸控、只對(duì)人體感應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)，它也有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：
(1)精度不高
由于電容值與極間距離成反比，與相對(duì)面積成正比，并且還與介質(zhì)的絕緣系數(shù)有關(guān)。因此，當(dāng)較大面積的手掌或手持的導(dǎo)體物靠近電容屏?xí)r就能引起電容屏的誤動(dòng)作，在潮濕的天氣，這種情況尤為嚴(yán)鶯，手扶住顯示器、手掌靠近顯示器7厘米以內(nèi)或身體靠近顯示器15cm以內(nèi)就能引起電容屏的誤動(dòng)作。由于電容屏是靠感應(yīng)人體電流來(lái)測(cè)定位置的，因
此當(dāng)用戴手套等絕緣物體的手或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時(shí)沒(méi)有反應(yīng)。
(2)容易出現(xiàn)漂移
當(dāng)環(huán)境溫度、濕度改變時(shí)，環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，都會(huì)引起電容屏的漂移，造成不準(zhǔn)確。例如：開(kāi)機(jī)后顯示器溫度上升會(huì)造成漂移：用戶觸摸屏幕的同時(shí)另一只手或身體一側(cè)靠近顯示器會(huì)漂移；電容屏的漂移原因?qū)儆诩夹g(shù)上的先天不足，環(huán)境電勢(shì)面(包括用戶的
身體)雖然與電容觸摸屏離得較遠(yuǎn)，卻比手指頭面積大得多，他們直接影Ⅱ向了觸摸位置的測(cè)定。此外，理論上許多應(yīng)該線性的關(guān)系實(shí)際上卻是非線性，如：體重不同或者手指濕潤(rùn)程度不同的人吸走的總電流量是不同的，而總電流量的變化和四個(gè)分電流量的變化是非線性的關(guān)系，電容觸摸屏采用的這種四個(gè)角的自定義極坐標(biāo)系還沒(méi)有坐標(biāo)上的原點(diǎn)，漂移后控制器不能察覺(jué)和恢復(fù)，而且，4個(gè)A／D完成后，由四個(gè)分流量的值到觸摸點(diǎn)在直角坐標(biāo)系上的x、Y坐標(biāo)值的計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。由于沒(méi)有原點(diǎn)，電容屏的漂移是累積的，在工
作現(xiàn)場(chǎng)也經(jīng)常需要校準(zhǔn)。電容觸摸屏最外面的矽土保護(hù)玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲擊，敲出一個(gè)小洞就會(huì)傷及夾層ITO，不管是傷及夾層ITO還是安裝運(yùn)輸過(guò)程中傷及內(nèi)表面ITO層，電容屏就不能正常工作了。
電容技術(shù)的四層復(fù)合觸摸屏對(duì)各波長(zhǎng)光的透光率不均勻及光線在各層問(wèn)的反射，造成色彩失真和圖像字符模糊的問(wèn)題。此外，當(dāng)前電容式觸控屏在觸控板貼附到LCD面板的步驟中還存在一定的技術(shù)困難，良品率并不高，所以無(wú)形中也增加了電容式觸控屏的成本
4 觸摸屏電容式將取代電阻式
根據(jù)當(dāng)前電容式觸摸屏的發(fā)展?fàn)顩r，我們認(rèn)為其對(duì)電阻式觸摸屏(RTS)的大規(guī)模替代將拉開(kāi)序幕。根據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的對(duì)手機(jī)、消費(fèi)電子等觸摸屏產(chǎn)品未來(lái)產(chǎn)能的預(yù)測(cè)，和我們對(duì)觸摸屏在這些產(chǎn)品中滲透率的判斷，未來(lái)五年觸摸屏出貨量高速增長(zhǎng)非常確定。
電阻式觸摸屏是大批量應(yīng)用、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、低成本的技術(shù)。嵌入式設(shè)計(jì)人員在RTS上面臨的兩大挑戰(zhàn)是：(1)承載顯示屏的光學(xué)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損；(2)耐久性很差。電阻式觸摸屏是物理式開(kāi)關(guān)，必須彎曲，需要摩擦使用，這些都縮短了它們的使用壽命，常常會(huì)發(fā)生故障。
一旦RTS平板破裂，設(shè)備的主要硬件輸入就沒(méi)有了，設(shè)備也就無(wú)用了。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員也有一些有限
的預(yù)防措施可供選擇。比如，在RTS表面加一個(gè)玻璃框以期保護(hù)屏幕的邊角。而因此需要的開(kāi)槽及玻璃框本身的成本可能是設(shè)備成本的兩倍。而且，RTS必須安裝在平坦表面上，不能在塑料材料之下。
此外，RTS的靜電放電(ESD)阻抗很差。這一點(diǎn)往往使設(shè)備更受濕度損害，同時(shí)溫度和濕度的變化也會(huì)嚴(yán)重影響性能。RTS還讓脆弱的LCD暴露在更大風(fēng)險(xiǎn)之中。至于有限的性能，RTS需要一個(gè)精度測(cè)頭；這些測(cè)頭在大多數(shù)滾動(dòng)條和圖標(biāo)所在的邊緣處是不準(zhǔn)確的，它們需要用戶經(jīng)常性地進(jìn)行校準(zhǔn)。
電阻式在透光性、壽命、耗電量、多點(diǎn)觸摸屏t的劣勢(shì)是由它的感應(yīng)原理和結(jié)構(gòu)決定的，是先天性的，無(wú)法改進(jìn)。因此，當(dāng)電子產(chǎn)品對(duì)觸摸屏的品質(zhì)有更高要求時(shí)，它被替代是必然的。
