電容式觸摸屏將引領(lǐng)市場潮流
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。

關(guān)鍵詞：電容式觸摸屏 電阻式觸摸屏 替代趨勢

    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，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，用戶和觸摸屏表面形成以一個(gè)耦合電容，對于高頻電流來說，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，控制器通過對這四個(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，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的圖形沒計(jì)也對阻抗有影響。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，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，然后送觸摸屏控制器。控制器偵測到這一接觸并計(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_十lI鄰I 橄的耦合產(chǎn)生的電容。當(dāng)被感覺物體靠近從一個(gè)l 飯劍 j一個(gè)電極的電場線時(shí)，交互電容的改變被感覺劍，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)。

    自我電容又稱絕對電容，是最廣為采用的一種力‘法。它把被感覺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 被感覺到。所測量的電荷存儲(chǔ)在結(jié)果電容耦合中。

    數(shù)百萬種自我電容方法在人們?nèi)粘Ｉ畹奈恢脗鞲兄斜徊捎?。例如?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)算法則處理來自行、列傳感器的信號來確定被傳感物體(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)勢和缺陷

3．1 優(yōu)勢

(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，都是在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)上再加一層氧化銦錫(ITO)。不過，電容式傳感器不存在RTS的光學(xué)問題和耐久性問題，因?yàn)樗菃螌訅喊澹瑳]有降低光學(xué)性能的空氣間隙，而且，前者是固態(tài)的，無移動(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^非導(dǎo)電性材料米感測的。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。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)無法勝任的環(huán)境中也能夠工作。機(jī)械上的簡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)信號及判斷信號意義兩個(gè)工作，完成對復(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)影響層問間距。但電容式傳感器可以通過彎曲表面進(jìn)行感測，無功能性損失。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增加簡單又具成本效益的觸摸式感測。

    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、只對人體感應(yīng)等優(yōu)勢，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)人體電流來測定位置的，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)系還沒有坐標(biāo)上的原點(diǎn)，漂移后控制器不能察覺和恢復(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)算過程復(fù)雜。由于沒有原點(diǎn)，電容屏的漂移是累積的，在工
作現(xiàn)場也經(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)合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻及光線在各層問的反射，造成色彩失真和圖像字符模糊的問題。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)為其對電阻式觸摸屏(RTS)的大規(guī)模替代將拉開序幕。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的對手機(jī)、消費(fèi)電子等觸摸屏產(chǎn)品未來產(chǎn)能的預(yù)測，和我們對觸摸屏在這些產(chǎn)品中滲透率的判斷，未來五年觸摸屏出貨量高速增長非常確定。

    電阻式觸摸屏是大批量應(yīng)用、經(jīng)過驗(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有了，設(shè)備也就無用了。對此，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)精度測頭；這些測頭在大多數(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的劣勢是由它的感應(yīng)原理和結(jié)構(gòu)決定的，是先天性的，無法改進(jìn)。因此，當(dāng)電子產(chǎn)品對觸摸屏的品質(zhì)有更高要求時(shí)，它被替代是必然的。