触摸技术

触摸技术简介

　　从电话机，办公设备，扬声器，数码相框，电视机控制键，遥控器，GPS系统，汽车无钥控制，到医疗监控设备，到处都是触摸设备！每一个行业，每个产品类型，各种尺寸，每一种应用，甚至是每个价格点上，都离不开触摸技术。可以说，触摸技术无处不在。

　　实际上，如果产品上有一个LCD或键盘，设计师可能就需要考虑如何才能设计出一个利用触摸技术的产品。但对于设计师不幸的是，当设计触摸屏时，有许多种不同的解决方式，有各式各样的性能，当然也需要各种不同的设计考虑。

触摸技术百科

　　从电话机，办公设备，扬声器，数码相框，电视机控制键，遥控器，GPS系统，汽车无钥控制，到医疗监控设备，到处都是触摸设备！每一个行业，每个产品类型，各种尺寸，每一种应用，甚至是每个价格点上，都离不开触摸技术。可以说，触摸技术无处不在。

　　实际上，如果产品上有一个LCD或键盘，设计师可能就需要考虑如何才能设计出一个利用触摸技术的产品。但对于设计师不幸的是，当设计触摸屏时，有许多种不同的解决方式，有各式各样的性能，当然也需要各种不同的设计考虑。

　　触摸技术的深入剖析

　　搞清设计所需是触摸产品设计最重要的第一步。触摸屏供应链上的许多提供商通常提供许多令人迷惑的不同组件，而更多的时候是一些提供商联合起来为终端客户提供一个价值链。无论是在最新的笔记本电脑，或者最新的触摸屏手机中，该生态系统都是一样的。

　　前面板或外框

　　前面板或外框是终端产品的最表层。在某些产品中，该外框将透明的盖板围起来，以免受到外部的恶劣气候或潮湿的影响，也防止下面的传感产品受到刻划以及破坏（见#3）。也有些时候，最外面的框只是简单地覆盖在触摸传感器的上边，这种情况下仅仅是一个装饰。

　　触摸控制器

　　通常，触摸控制器是一个小型的微控制器芯片，它位于触摸传感器和PC/或嵌入式系统控制器之间。该芯片可以装配到系统内部的控制器板上，也可以放到粘贴到玻璃触摸传感器上的柔性印刷电路（FPC）上。该触摸控制器将提取来自触摸传感器的信息，并将其转换成PC或嵌入式系统控制器能够理解的信息。

　　触摸传感

　　触摸屏“传感器”是一个带有触摸响应表面的透明玻璃板。该传感器被安放到LCD上面，使得面板的触摸区域能覆盖显示屏的可视区域。如今市场上有许多种不同的触摸传感技术，各自都采用彼此不同的方法来检测触摸输入。基本上，这些技术都是在触摸时，使电流流过面板，从而产生一个电压或信号的变化。这个电压变化将被触摸控制器传感，从而确定屏幕上的触摸位置。

　　液晶显示器（LCD）

　　绝大多数的触摸屏系统用于传统的LCD上。用于触摸产品的LCD选择方法与传统系统中基本相同，包括分辨率，清晰度，刷新速度，成本等。但在触摸屏中的另一个主要的考虑是辐射电平。由于触摸传感器中的技术基于面板被触摸所产生的微小的电变化，能够辐射许多电气噪声的LCD是设计中的难点。在选择用于触摸系统中的LCD之前，应该与触摸传感器提供商进行协商。

　　系统软件

　　触摸屏驱动器软件可以来自原厂商（如手机中的嵌入式OS），也可以是后来加装的软件（像在传统PC上加一个触摸屏）。该软件应能使触摸屏和系统控制器一道工作。它将告诉产品的操作系统如何解析来自触摸控制器的触摸事件信息。在PC型应用中，绝大多数触摸屏驱动器的工作像一个鼠标。这就使得触摸屏幕与在屏幕上的同一位置上连续的按鼠标非常相似。在嵌入式系统中，嵌入式控制驱动器必须将出现在屏幕上的信息与接收到触摸的位置进行比对。三大触摸技术

　　阻性触摸技术：阻性触摸技术是最常用的触摸屏技术。用于高业务流应用，并对屏幕上的水珠和其他残留物具有免疫能力。阻性触摸屏通常是成本最低的解决方案。由于是对压力起反应，可以用手指，带手套的手，触摸笔，或者像信用卡这类的其它的物体进行触摸。

　　表面容性触摸技术：表面容性触摸技术提供的显示清晰度比阻性触摸中通常所用的塑料膜要清晰得多。在表面容性显示中，位于显示器四个角落的传感器检测由于触摸引起的电容变化。这类触摸屏可以用手指或其他容性物体实现触摸激励。

　　保护性容性触摸：保护性容性触摸是最近才进入市场的一种技术。该技术也能提供优异的透光性，但它还具有一些比表面容性触摸好得多的优点。投影型容性触摸不需要位置校准，并能提供高得多的位置精度。投影型容性触摸还有另外令人激动的地方，那就是它同时能够支持多点触摸。

　　触控技术揭秘

　　1、触控面板的技术要点：

　　从技术原理角度来讲，触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的；其次它是绝对坐标，手指摸哪就是哪，不像鼠标需要一个光标作为相对定位用，所以很容易分散注意力，因为你要时时关注光标在哪里。

　　究其结构通常是在半反射式液晶面板上（ITO透明导电极）覆盖一层压力板，其对压力有高敏感度，当物体施压于其上时会有电流信号产生并且定出压力源位置，并可动态追踪。这种就是我们媒体报道的on-cell技术。现在亦有In cell Touch触控组件集成于显示面板之内，使面板本身就具有触控功能，不需另外进行与触控面板的贴合与组装即可达到触控的效果与应用，主要是Apple在研究，优缺点看我前一篇文章《面板驱动IC》

　　接下来我们主要从透明性和定位方法来分别介绍不同触控技术的区别及原理。

　　2、触控面板的分类及原理：

　　从技术原理来区别触摸屏，可分为五个基本种类：矢量压力传感技术触摸屏、电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。其中矢量压力传感技术触摸屏已退出历史舞台；红外线技术触摸屏价格低廉，但其外框易碎，容易产生光干扰，曲面情况下失真；表面声波触摸屏几乎解决了所有触摸屏的各种缺陷，清晰不容易被损坏，适于各种场合，致命的缺点是屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变的迟钝甚至不工作，所以也很难普及使用。下面主要讲电阻式和电容式屏幕吧。

　　1） 电阻式（Resistive Touch）：用力真好！

　　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。

　　2） 电容式（Capacitive Touch）：纵享轻滑！

　　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，最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-Cpacitive or 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。

　　每一类触摸屏都有其各自的优缺点，要了解哪种触摸屏适用于哪种场合，关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。

　　3、触控面板的电路部分：

　　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，但是和Sensor一样（触控也是一种Sensor），它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，首先最重要的就是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，最后就是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，最后的问题是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。

　　触控技术还有哪些创新可谈？

　　毫无疑问，触控是人们现阶段最习惯的人机交互方式。它自然、高效、精准。虽然语音识别技术和体感交互随着时间的推移都日趋成熟，但短时间内我们还是很难看到有哪种交互能像触控那样普适而稳定。

　　任何技术和产品都有其最终形态，性能如果过剩的话，参数的提升就没有太多意义。2015年4月29日，在GMIC会议期间，人机交互解决方案开发商Synaptics公司举办了一场主题为“未来，现在，已来”的见面会。

　　在会上，Synaptics公司触控业务部副总裁Brian Daly，谈及外界对触控技术创新的质疑时提到，无论在应用场景上还是性能上，触控技术一直处于高速发展的领域。特别是那些看上去理所当然的进步，其背后都有大量的技术积累。会后，雷锋网就其中的几个应用场景，采访了Brian Daly。以下为采访实录：

　　电容屏技术是手指在屏幕上操作的时候，通过电流量来计算触控的位置，所以如果戴手套和有水的话，会因为手套是绝缘体（除了某些特殊材质的手套），而水是良导体造成触控出现问题。你们是如何解决这个问题的？

　　Brian Daly：水是导电的，但是水对电容屏有些特殊性，我们有一种非常先进的高级的算法，能够探测出在一个屏幕上接触的东西到底是水珠还是人的手指。我们把各种不同的东西分类，集中起来跟踪就知道，到底是水造成的还是手指造成的。你刚才说特殊材料的手套才能有导电性，用在苹果上可以。实际上用在我们的设备上也行，但是我们正常的手套也可以用，为什么呢？因为正常的手套跟屏在接触的过程中，有一个微小的距离，可以产生电信号。我们也可以把这个电信号进行分类，我们的技术就可以区分开，是在手套模式下操作、使用这个设备，还是在手指裸指的情况下进行操作，可以准确的进行判断，所以照样也可以根据很多人的使用情况来使用。

　　绝缘如何产生电信号？

　　Brian Daly：正常的手套或者滑雪手套、布手套，都是绝缘的，可以把它看成对电场会有影响，跟你手指去触控直接接触触摸屏是不一样的，当中是有一层绝缘层的，就跟你悬浮触控是一样的，但它依然会改变电场，依然会对整个电场分布有影响，我们的算法会区分。而且不同绝缘体对电场改变是不一样的。

　　改变的什么不一样？

　　Brian Daly：介电常数是不一样的，所以说对电场影响是不一样的，所以我们算法会区分，在一个范围内，在导体和绝缘体范围内，你戴什么样的手套，我们基本上是绝缘的手套都能够做到触控，因为现在最厚的手套不过4毫米，你的手指抬起来一点，我们依然可以对电场、对触屏感知到，我们芯片可以做得到。

　　根据一般的理解，如果是绝缘体的话，应该说通过压力感应或者热场感应吧？

　　Brian Daly：其实是电场，其实整个电容触控的原理就是表面分布式的电场，你的手指放上去的时候，哪怕你接近它，都有影响，你触上去之后影响是最大的。你戴了手套之后，这个信号会变得很弱，这个时候会区分芯片的设计和算法的设计，然后把这些微弱的手指信号给抓出来。

　　如果是算法问题的话，那技术应该是能够实现的，但如果将微弱的电信号转换为操作，理论上会提高误操作率？

　　Brian Daly：对，的确是这样，不过你去触摸一个手机的时候，你接近它，还没有触到的时候，其实我们的芯片已经知道了，手指在接近，但是要等到触上了之后，比如我接近的时候可能是这个动作，有45度，还有距离，真正不是在这上面。我们的算法是会知道，接近和触上去，还有抬起来，甚至还有一些背景噪声，像显示LCD是会有噪声会影响到它，我需要用我的算法把这些区分开来，而且需要对我们的芯片的信噪比提升，围绕的信号也可以从噪声中把它分辨出来。这是关于手套的。

　　关于湿手指操作或者水汽，其实水汽也是一层导体，如果我就放一滴水滴在触摸屏上，你可以把它认为是一个导体，尤其是手指停在上面的时候，也是这样一个动作。因为手指的介电常数跟水的介电常数是不一样的。

　　那悬浮技术呢？

　　Brian Daly：悬浮技术是用手套操作的，其实手套也是这样的，手指跟触摸屏之间是有一层绝缘体的，悬浮也是把它抬起来，空气是绝缘体。

　　我刚才说到误操作的时候，您说你们的操作是需要按上去才能操作的，那岂不是矛盾吗？

　　Brian Daly：不矛盾，误操作不是这样的，当你这样抓着的时候（单手握住手机），误操作的处理主要是指屏幕的边缘。

　　雷锋网（公众号：雷锋网）：那悬浮的话，如何避免误操作呢？

　　Brian Daly：如果要是悬浮的话，一般是在应用程序里面把悬浮打通，而不是在这种情况下要悬浮出来，而是在不同的场景下才会有的。其实大家听起来觉得好像每天用手机非常简单、很快，但其实背后的芯片做了很多工作。现在我们国产的手机（屏幕）绝大多数用的是防水的，我可以举出一大堆例子。iPhone在这方面体验不好，是因为苹果不把这个当成重点，它觉得把水滴擦了就可以了，但其实在中国更多的地方，比如南方，我在桑拿房，我拿起手机想玩，这个时候不可能一直在擦水，所以很多应用都是我们提出的。