电子玻璃展:揭开触控技术的神秘面纱

 

  点点点、滑滑滑!每天我们这些低头族都在机械的刷屏微信,看来触摸真的改变了人类的生活方式。然而你就不好奇为什么你在玻璃板上动动手指头,机器就知道你要做什么吗?好吧,电子玻璃展来为你揭秘触控技术。

  

  从手机功能的进化开始,IT产品进入了智能化时代。芯片、屏幕、摄像头等都成为了推动IT产品智能化进程的主力。但是很多人都没有注意到,触控技术的不断创新,是我们手中产品可以不断变轻、变薄以及变得智能的主因。

  

  人机交互很早通过按键、鼠标等实体设备进行,然后进入了我们所处的触控时代,实体按键不断减少,甚至出现了所有操作都通过虚拟按键实现的产品。现在触控技术的不断升级,让用户可以通过各种手势、力度、多点触控等方式,实现平时需要复杂操作才能实现的功能。

  

  触控面板也叫触摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc),凡是电子设备都要用到屏幕,如果你不想让你的屏幕被无聊的键盘占据一半面积,就必须要使用触摸屏作为人机对话的媒介,触摸屏作为一种较新的电脑输入设备,它是目前很简单、方便、自然的一种人机交互方式。

  

  触摸屏技术的发展历史

  

  触摸屏的背景技术可以追溯到20世纪40年代,但有很多证据表明至少直到1965年后触摸屏才切实可行。

  

  20世纪六十年代:第一个触摸屏

  

  历史上通常认为第一个手指式触摸屏是由E.A. Johnson于1965年在位于英国马尔文的皇家雷达研究院发明的。Johnson较初在《电子快报》上发表题为“触摸显示—一种新的计算机输入/输出设备”的论文中描述了他的工作。论文中一幅示意图描述了我们今天许多智能手机使用的一种触摸屏的机制---就是我们所知的电容式触摸屏。

  

  20世纪七十年代:电阻式触摸屏的发明

  

  虽然电容式触摸屏先被发明,但在触摸屏的早期却被电阻式触摸屏超越了。美国发明家G. Samuel Hurst博士偶然的发明了电阻式触摸屏。

  

  作为一类技术,电阻式触摸屏的生产成本通常非常实惠。在餐馆,工厂和医院中的机器和设备大都使用的是这种触摸技术,因为其在这些环境中足够耐用。智能手机制造商过去也使用这种电阻式触摸屏,但在今天的手机领域其仅仅存在于低端的手机中。

  

  20世纪八十年代:触摸技术的十年

  

  1982年,多伦多大学的NimishMehta开发出了第一个可操作的多点触摸设备。输入研究团队,设计出了一个毛玻璃板,在其背部带有能识别显示在屏上的不同黑点,进而能侦测到操作动作的摄像头。

  

  不久之后,一名美国计算机能手,Myron Krueger设计出了手势交互技术,他开发出了一个光学系统以跟踪纪录手的移动。克鲁格设计的视频地带(video place)后来被称之为视频台(video Desk)。

  

  电子玻璃展了解到,该研究工作比该触摸技术出现的时间,早十多年,并且形成巨大影响。克鲁格在他的职业生涯的后期,成为虚拟现实及交互操作艺术的先驱。

  

  触摸屏在二十世纪八十年代早期,被大量进行商用化。惠普在1983年9月,以其HP-150为其商用化开端。该计算机采用MS-DOS操作系统,并且带有一个9英寸索尼CRT显示器,该显示器被能够识别,屏上的用户手指下移的红外发光器和探测器所包围,如戳向屏幕,将阻挡相应红外射线,以使计算机判定手指所指位置。

  

  20世纪九十年代:大众化的触摸屏

  

  在1993年,IBM和贝尔南方共同开发了Simon通信设备,很可能是世界上第一款智能手机,尽管当时还没有这个名词。它能翻页,收发e-mail,带有日历,预约计划,电话簿,计算器,及笔写式画板。它还有一个电阻性触摸屏,因此要用手写笔来操作菜单条及输入数据。

  

  那一年苹果公司也开始了它的个人数字助理(PDA)--Newton PDA。MessagePad 100带有手写识别软件,通过手写笔来进行操作。

  

  21世纪第一个十年及其超越

  

  由于之前的技术积累,二十一世纪的头十年就成为触摸屏技术真正兴盛的时期,触摸屏技术也越来越为大众所接受和喜爱。

  

  当新千年到来之际,各公司都注入很多的资源以将触摸屏技术整合进日常处理中。2001年,PortfolioWall首次亮相。该产品由通用汽车与Alias|Wavefront公司的人员共同完成,用户仅用手势就可以操作图像、动画、3D模型。

  

  2002年,索尼推出了一款名为SmartSkin的输入系统,能够同时识别多只手定位及多触点。该技术通过电容性感应器及网状天线,计算手与表面之间的距离,既使在昏暗的光线条件下,也不会出现故障。

  

  真正引爆触摸屏手机的还是苹果公司在2007推出具有高分辨率、多点触控功能的第一台iPhone。真正确立了触摸屏的标准。而在今天,电容触摸屏已经成为一种智能手机的标准配备。

  

  触摸屏技术的种类

  

  触摸屏的本质是传感器,目前,根据传感器的类型,触摸屏大致被分为红外线式、电阻式、表面声波式和电容式触摸屏四种。

  

  红外线式触摸屏

  

  红外线式触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框,电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管,一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时,手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线,因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰,适宜某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉、安装方便、不需要卡或其它任何控制器,可以在各档次的计算机上应用。

  

  电阻式触摸屏

  

  电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏,在强化玻璃表面分别涂上两层OTI透明氧化金属导电层。利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时。两层导电层在触摸点位置就有了接触,电阻发生变化。在X和Y两个方向上产生信号,然后传送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(X,Y)的位置,再根据模拟鼠标的方式运作。电阻式触摸屏不怕尘埃、水及污垢影响,能在恶劣环境下工作。但由于复合薄膜的外层采用塑胶材料,抗爆性较差,使用寿命受到一定影响。

  

  表面声波式触摸屏

  

  表面声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏的角上装有超声波换能器。能发送一种高频声波跨越屏幕表面,当手指触及屏幕时,触点上的声波即被阻止,由此确定坐标位置。表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响,分辨率极高,有极好的防刮性,寿命长,透光率高,能保持清晰透亮的图像质量,较适合公共场所使用。但尘埃、水及污垢会严重影响其性能,需要经常维护,保持屏面的光洁。

  

  电容式触摸屏

  

  这种触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的,在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质,当有导电物体触碰时,就会改变触点的电容,从而可以探测出触摸的位置。但用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应,这是因为增加了较为绝缘的介质。电容触摸屏能很好地感应轻微及快速触摸、防刮擦、不怕尘埃、水及污垢影响,适合恶劣环境下使用。但由于电容随温度、湿度或环境电场的不同而变化,故其稳定性较差,分辨率低,易漂移。

  

  详解电阻式、电容式触摸屏工作原理

  

  电阻式触摸屏工作原理

  

  电阻式触控板主要由两片单面镀有ITO(氧化铟锡)的薄膜基板组成,上板与下板之间需要填充透光的弹性绝缘隔离物(spacer dot)来分开,如图所示,下极板必须是刚性的厚玻璃防止变形,而上极板则需要感应外力产生形变所以需要爆玻璃或者塑胶。

  

  正常工作时,上下极板接电压并且处于断开状态,当外力按下时上极板发生形变与下极板接触导通,此时产生电压变化,通过此电压变化可以精确测量触摸点坐标(因为触摸上下极板接触后则上下极板由原来的整体电阻变成了一分为二的电阻,而电阻值分压值与它到边缘的距离成比例推算X、Y坐标的)。所以电阻式触摸屏的精度主要取决于这个坐标电压的转换精度,所以非常依赖于A/D转换器的精度(力度大小的电压敏感性)。

  

  因为电阻式萤幕透过压力操控,所以不一定要用手来控制,笔、信用卡等都可以操作,即使戴套也没关系,而且它和外界是隔离的所以它具有防尘防污的优势;不过如果「摸」得太轻,电阻式萤幕不会有反应,要用轻戳才行。电阻式萤幕成本低廉、技术门槛低,而且,操作电阻式触控萤幕时需要轻敲,所以容易坏,而且灵敏度也不太好,画画、写字并不流畅。

  

  电容式触摸屏工作原理

  

  然而,真正带来智能手机风潮的是电容式触摸屏,它是由一片双面镀有导电膜的玻璃基板组成,并在上极板上覆盖一层薄的SiO2介质层。如图所示,其中上电极是用来与人体(接地)构成平板电容感测电容变化的,而下极板用来屏蔽外界信号干扰的。

  

  工作时,上透明电极需要接电压并在四个角上引出四个电极,所以当手指触碰上面的SiO2层时,因人体是导电的,所以人体与上透明电极之间产生足够的耦合电容,并且根据与四个角(或周边)测量的电容值变化来计算出触控位置坐标(离触控位置越近则电容越大)。但是这种表面电容式触控(Surface Capacitive)还是无法满足现在流行的多点触控,如果要实现多点触控必须要使用新技术叫做Projected-Capacitive Touch,它主要改变在于将表面的感应电极铺设成一层或两层并且进行图案化(主要是菱形),一层负责X方向,一层负责Y方向。然后通过X方向和Y方向电极电容的变化来定位。

  

  由于现在主流都是多点触控(Multi-Touch),所以我稍微多讲一点他的演变过程,多点触控的Projected Capacitive主要有两种:自电容(Self-Capacitive)和互电容(Mutual Capacitive)。

  

  自电容它是直接扫描每个X和Y的电极电容,所以当两个触摸点的时候会额外产生两个虚拟点(Ghost Points),如图所示,左边为两层电极图形化示意图(多为菱形),它只需要一层ITO层即可,通过光刻形成X和Y电极。右边为原理图,从原理图上看,当同时触摸(X2, Y0)和(X1, Y3)时,由于量测四个电极的电容,所以会额外多出两个点(X1, Y0)和(X2, Y3),这就是Ghost Points,只能靠软件解决了。虽然自电容有Ghost-Points的问题,但是自电容位置精准灵敏度高,很大的好处是它可以做Single layer ITO膜,但是到大尺寸(>15寸)的时候点数增加导致管脚增多,成本会很高,而且点数多了之后中间的线路会走不出来,必须要把ITO变细,所以电阻增大,而且点数多扫描时间也会增长,看似没有优势,但是现在苹果手机貌似就是在走自电容触控技术,这些技术应该都突破了。

  

  而互电容(Mutual-Cpacitiveor Trans-Capacitive)它需要两层ITO膜层,通过特殊的结构把X和Y电极在每个节点上分隔开,这样它扫描的就是节点(Intersection)电容,而不是电极电容了。只是这两层ITO在交点处的接触必须隔开,需要用到MEMS技术将它类似立交桥架起来。

  

  不管是自电容还是互电容,都是依赖于将电容从人体电容中导到电极上,所以这两种技术都叫做电荷转移型电容触控(Charge-Transfer)。

  

  电容式触控优势在于速度快,可以滑而不用再用戳的。然而它只能用导电物体操控,它还有个缺点是如果触控面积比较大(手掌),可能你还没碰到就有动作了,因为面积大耦合电容大,所以触发了屏幕,所以它对外界电场或温湿度导致的电场变化比较敏感。但是它是一层玻璃板结构所以透光率比电阻式高可达90%以上。

  

  然而不管是电阻式还是电容式触摸屏都很难做到均匀电场,所以只能用于20几寸以下的面板尺寸。如果要做大屏幕触控必须要使用波动式触控技术(主要有表面声波或红外线波两种),它主要在四角或边缘安装红外线或声波发射器/接收器,当触控阻断声波或红外线时,对应的接收器接收不到信号则可以断定坐标,这种触控屏怕脏怕灰怕油,太娇气了,而且很容易受环境波动影响。

  

  触控技术的电路部分

  

  电子玻璃展上面花了大部分篇幅介绍触控面板的感应模块原理及结构,但是有传感部分就一定有电路部分,而触控的电路部分主要负责的事情就是:信号探测、坐标定位、以及手势识别(滑动/放大/点击)。

  

  而对于MCU电路来说,主要需要哪些电路单元,首先较重要的就是ADC(这是所有Sensor必须的),其次是Scan Control和DSP(信号处理),而扫描电路一定需要时钟信号,所以需要Timer。而手势识别是靠一个叫Finger Tracking的单元实现,就是User configure的代码保存需要用到EEPROM或Flash。

  

  而在设计上的主要难点有两个:1) 高电阻加大电容问题,2) 噪声耦合(Noise Coupling)。前者主要是由于屏幕越来越大导致ITO的电极越来越长所以电阻越来越大,另外电极越来越长导致电容面积越来越大所以电容也变大,后来的问题是RC-delay延长,而解法要么是通过加大电压来加速scan,要么是换金属布线(Ag)。后者(Noise coupling)主要是由于面板越来越大,很容易接收到环境噪声的干扰主要靠shielding来避免,而另外的干扰来自开关电源的干扰,这只能通过在ADC之前增加Noise Cancellation来实现。

  

  触摸屏技术已经成了继键盘、鼠标、手写板、语音输入后较为普通百姓所易接受的计算机输入方式。因为利用这种技术,用户只要用手指轻轻地触碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作,从而使人机交互较为直截了当,这种技术极大方便了用户,非常适合多媒体信息查询。它赋予了多媒体以崭新的面貌,是极富吸引力的全新多媒体交互设备。

  

  以上是电子玻璃展小编带来的相关资讯,如果您感兴趣可以来到展会现场了解很多行业资讯。

  

  来源:芯语