觸控面板也叫觸摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc)，凡是電子設(shè)備都要用到屏幕，如果你不想讓你的屏幕被無(wú)聊的鍵盤(pán)占據(jù)一半面積，就必須要使用觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話(huà)的媒介，觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。

 

觸控面板最早結(jié)緣于1965年E.A. Johnson一篇簡(jiǎn)短的描述電容觸摸屏的文章，繼而1967年深度發(fā)表有圖有真相的文章。再到1970年由兩位CERN(European Council for Nuclear Research)的兩位工程師在1970年代初期發(fā)明的透明觸控面板，并且與1973年投入使用。再后來(lái)到1975年一個(gè)美國(guó)人George Samuel Hurst發(fā)明了電阻式觸控面板并拿到美國(guó)專(zhuān)利(#3,911,215)，并與1982年投入商用。

 

 

從技術(shù)原理角度來(lái)講，觸摸屏是一套透明的絕對(duì)定位系統(tǒng)，首先它必須保證是透明的；其次它是絕對(duì)坐標(biāo)，手指摸哪就是哪，不像鼠標(biāo)需要一個(gè)光標(biāo)作為相對(duì)定位用，所以很容易分散注意力，因?yàn)槟阋獣r(shí)時(shí)關(guān)注光標(biāo)在哪里。

 

究其結(jié)構(gòu)通常是在半反射式液晶面板上(ITO透明導(dǎo)電極)覆蓋一層壓力板，其對(duì)壓力有高敏感度，當(dāng)物體施壓于其上時(shí)會(huì)有電流信號(hào)產(chǎn)生并且定出壓力源位置，并可動(dòng)態(tài)追蹤。這種就是我們媒體報(bào)道的on-cell技術(shù)?，F(xiàn)在亦有In cell Touch觸控組件集成于顯示面板之內(nèi)，使面板本身就具有觸控功能，不需另外進(jìn)行與觸控面板的貼合與組裝即可達(dá)到觸控的效果與應(yīng)用，主要是Apple在研究，優(yōu)缺點(diǎn)看我前一篇文章《面板驅(qū)動(dòng)IC》

 

接下來(lái)我們主要從透明性和定位方法來(lái)分別介紹不同觸控技術(shù)的區(qū)別及原理。

 

 

從技術(shù)原理來(lái)區(qū)別觸摸屏，可分為五個(gè)基本種類(lèi)：矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏、電阻技術(shù)觸摸屏、電容技術(shù)觸摸屏、紅外線技術(shù)觸摸屏、表面聲波技術(shù)觸摸屏。其中矢量壓力傳感技術(shù)觸摸屏已退出歷史舞臺(tái)；紅外線技術(shù)觸摸屏價(jià)格低廉，但其外框易碎，容易產(chǎn)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(chǎng)合，致命的缺點(diǎn)是屏幕表面如果有水滴和塵土?xí)褂|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。

 

 

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(lái)分開(kāi)，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(yīng)外力產(chǎn)生形變所以需要爆玻璃或者塑膠。

 

 

正常工作時(shí)，上下極板接電壓并且處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)外力按下時(shí)上極板發(fā)生形變與下極板接觸導(dǎo)通，此時(shí)產(chǎn)生電壓變化，通過(guò)此電壓變化可以精確測(cè)量觸摸點(diǎn)坐標(biāo)(因?yàn)橛|摸上下極板接觸后則上下極板由原來(lái)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(biāo)的)。所以電阻式觸摸屏的精度主要取決于這個(gè)坐標(biāo)電壓的轉(zhuǎn)換精度，所以非常依賴(lài)于A/D轉(zhuǎn)換器的精度(力度大小的電壓敏感性)。

 

 

因?yàn)殡娮枋轿災(zāi)煌高^(guò)壓力操控，所以不一定要用手來(lái)控制，筆、信用卡等都可以操作，即使戴套也沒(méi)關(guān)系，而且它和外界是隔離的所以它具有防塵防污的優(yōu)勢(shì)；不過(guò)如果「摸」得太輕，電阻式螢?zāi)徊粫?huì)有反應(yīng)，要用輕戳才行。電阻式螢?zāi)怀杀镜土?、技術(shù)門(mén)檻低，而且，操作電阻式觸控螢?zāi)粫r(shí)需要輕敲，所以容易壞，而且靈敏度也不太好，畫(huà)畫(huà)、寫(xiě)字并不流暢。

 

 

然而，真正帶來(lái)智能手機(jī)風(fēng)潮的是電容式觸摸屏，它是由一片雙面鍍有導(dǎo)電膜的玻璃基板組成，并在上極板上覆蓋一層薄的SiO2介質(zhì)層。如圖所示，其中上電極是用來(lái)與人體(接地)構(gòu)成平板電容感測(cè)電容變化的，而下極板用來(lái)屏蔽外界信號(hào)干擾的。

 

 

工作時(shí)，上透明電極需要接電壓并在四個(gè)角上引出四個(gè)電極，所以當(dāng)手指觸碰上面的SiO2層時(shí)，因人體是導(dǎo)電的，所以人體與上透明電極之間產(chǎn)生足夠的耦合電容，并且根據(jù)與四個(gè)角(或周邊)測(cè)量的電容值變化來(lái)計(jì)算出觸控位置坐標(biāo)(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(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在流行的多點(diǎn)觸控，如果要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控必須要使用新技術(shù)叫做Projected-Capacitive Touch，它主要改變?cè)谟趯⒈砻娴母袘?yīng)電極鋪設(shè)成一層或兩層并且進(jìn)行圖案化(主要是菱形)，一層負(fù)責(zé)X方向，一層負(fù)責(zé)Y方向。然后通過(guò)X方向和Y方向電極電容的變化來(lái)定位。

 

由于現(xiàn)在主流都是多點(diǎn)觸控(Multi-Touch)，所以我稍微多講一點(diǎn)他的演變過(guò)程，多點(diǎn)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(gè)X和Y的電極電容，所以當(dāng)兩個(gè)觸摸點(diǎn)的時(shí)候會(huì)額外產(chǎn)生兩個(gè)虛擬點(diǎn)(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(guò)光刻形成X和Y電極。右邊為原理圖，從原理圖上看，當(dāng)同時(shí)觸摸(X2, Y0)和(X1, Y3)時(shí)，由于量測(cè)四個(gè)電極的電容，所以會(huì)額外多出兩個(gè)點(diǎn)(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(wèn)題，但是自電容位置精準(zhǔn)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(shí)候點(diǎn)數(shù)增加導(dǎo)致管腳增多，成本會(huì)很高，而且點(diǎn)數(shù)多了之后中間的線路會(huì)走不出來(lái)，必須要把ITO變細(xì)，所以電阻增大，而且點(diǎn)數(shù)多掃描時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)，看似沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)在蘋(píng)果手機(jī)貌似就是在走自電容觸控技術(shù)，這些技術(shù)應(yīng)該都突破了。

 

 

而互電容(Mutual-Cpacitive or Trans-Capacitive)它需要兩層ITO膜層，通過(guò)特殊的結(jié)構(gòu)把X和Y電極在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分隔開(kāi)，這樣它掃描的就是節(jié)點(diǎn)(Intersection)電容，而不是電極電容了。只是這兩層ITO在交點(diǎn)處的接觸必須隔開(kāi)，需要用到MEMS技術(shù)將它類(lèi)似立交橋架起來(lái)。

 

 

不管是自電容還是互電容，都是依賴(lài)于將電容從人體電容中導(dǎo)到電極上，所以這兩種技術(shù)都叫做電荷轉(zhuǎn)移型電容觸控(Charge-Transfer)。

 

 

電容式觸控優(yōu)勢(shì)在于速度快，可以滑而不用再用戳的。然而它只能用導(dǎo)電物體操控，它還有個(gè)缺點(diǎn)是如果觸控面積比較大(手掌)，可能你還沒(méi)碰到就有動(dòng)作了，因?yàn)槊娣e大耦合電容大，所以觸發(fā)了屏幕，所以它對(duì)外界電場(chǎng)或溫濕度導(dǎo)致的電場(chǎng)變化比較敏感。但是它是一層玻璃板結(jié)構(gòu)所以透光率比電阻式高可達(dá)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(chǎng)，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(dòng)式觸控技術(shù)(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(fā)射器/接收器，當(dāng)觸控阻斷聲波或紅外線時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收器接收不到信號(hào)則可以斷定坐標(biāo)，這種觸控屏怕臟怕灰怕油，太嬌氣了，而且很容易受環(huán)境波動(dòng)影響。

 

每一類(lèi)觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，要了解哪種觸摸屏適用于哪種場(chǎng)合，關(guān)鍵就在于要懂得每一類(lèi)觸摸屏技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)。

 

 

 

上面花了大部分篇幅介紹觸控面板的感應(yīng)模塊原理及結(jié)構(gòu)，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(fù)責(zé)的事情就是：信號(hào)探測(cè)、坐標(biāo)定位、以及手勢(shì)識(shí)別(滑動(dòng)/放大/點(diǎn)擊)。

 

 

而對(duì)于MCU電路來(lái)說(shuō)，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(hào)處理)，而掃描電路一定需要時(shí)鐘信號(hào)，所以需要Timer。而手勢(shì)識(shí)別是靠一個(gè)叫Finger Tracking的單元實(shí)現(xiàn)，最后就是User configure的代碼保存需要用到EEPROM或Flash。

 

 

而在設(shè)計(jì)上的主要難點(diǎn)有兩個(gè)：1) 高電阻加大電容問(wèn)題，2) 噪聲耦合(Noise Coupling)。前者主要是由于屏幕越來(lái)越大導(dǎo)致ITO的電極越來(lái)越長(zhǎng)所以電阻越來(lái)越大，另外電極越來(lái)越長(zhǎng)導(dǎo)致電容面積越來(lái)越大所以電容也變大，最后的問(wèn)題是RC-delay延長(zhǎng)，而解法要么是通過(guò)加大電壓來(lái)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(lái)越大，很容易接收到環(huán)境噪聲的干擾主要靠shielding來(lái)避免，而另外的干擾來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的干擾，這只能通過(guò)在ADC之前增加Noise Cancellation來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

 

推薦閱讀：