電容式觸摸屏在便攜手寫式輸入中地位日漸凸顯

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摘要：本文分享了觸摸屏技術(shù)的發(fā)展歷史，以及提出了電阻式觸摸屏技術(shù)將逐漸被最新的“內(nèi)表面”電容式技術(shù)取代的深刻見解

Samuel C. Hurst博士在1971年提出了電子觸摸界面的設(shè)想，至1974開始出現(xiàn)最早的觸摸屏。早期的相關(guān)專利幾乎無一例外都著眼于檢測壓力的電阻式技術(shù)。漸漸地，諸如電容式、聲表面波技術(shù)還有紅外波束遮斷等其它技術(shù)都在各自適合的應(yīng)用中找到了一席之地。

對于成本敏感的消費(fèi)類應(yīng)用，尤其是使用小型觸摸屏的便攜式設(shè)備，電阻式觸摸屏仍占統(tǒng)治地位。聲表面以及紅外型觸摸屏用于這些場合明顯太過昂貴，而傳統(tǒng)的電容式技術(shù)又備受長期穩(wěn)定性不佳、易受潮濕侵蝕、不耐磨損以及由于EMC或其它外界因素導(dǎo)致的誤動作等一系列缺點(diǎn)的困擾。但電阻式觸摸屏也有其局限性，而且電容式技術(shù)也在不斷進(jìn)步，特別是那些以電荷轉(zhuǎn)移感測方法為基礎(chǔ)的技術(shù)，將會給電子及電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)觸摸屏的方式帶來巨大的變化。

電阻式觸摸屏

從圖1所示的阻性觸摸屏的典型結(jié)構(gòu)中，就能看出其疊層結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。觸摸屏朝向用戶一側(cè)的表面，我們可以稱之為外表面，必須覆蓋上由抗刮擦層保護(hù)并由許多微小的點(diǎn)隔開的導(dǎo)電和電阻層——這就需要至少四層材料了。另外，有時還需要抗反光層以補(bǔ)償光在導(dǎo)電和電阻層之間的間隙中的折射帶來的不期望的反射。

觸摸的壓力使得由銦錫氧化物(ITO)構(gòu)成的觸摸屏的導(dǎo)電和電阻層之間產(chǎn)生電氣接觸。這種技術(shù)已經(jīng)如此成熟，以至于有的制造商宣稱其產(chǎn)品上任意一點(diǎn)都可以承受3000萬次以上的觸壓。

對于電阻式觸摸屏更為嚴(yán)格的審視揭露出其真正的局限性。構(gòu)成屏幕的包括這么多層的各種材料會嚴(yán)重阻礙光線的透射。實(shí)際上，最好的電阻式觸摸屏的透射率也只能達(dá)到75%的水平。如果將從屏幕后方投射過來的背光加大到一個相對較高的水平，透光率較低也就算不上什么大問題，但這樣做會有額外的功耗，也就需要更大的電池或縮短便攜設(shè)備在兩次充電之間的使用時間。更高功率的背光照明意味著要由更大功率的LED或EL照明燈來產(chǎn)生，也代表著更高的成本。因?yàn)殡娮枋接|摸屏覆蓋在屏幕外表面，它也就很容易遭到損壞。如果用合適的壓力以適當(dāng)?shù)慕嵌冉佑|屏幕，其使用壽命的確會很長，但現(xiàn)實(shí)中卻并非如此。實(shí)際上，電阻式觸摸屏(尤其是低成本類型)確實(shí)在大多數(shù)的家用以及工業(yè)環(huán)境中磨損的非?？?，而在需要定期清潔的場合中(例如醫(yī)療設(shè)備或廚房家電之類的場合)磨損的就更快。整個組件必須有一個頂部壓框來保護(hù)屏幕的邊緣，而這又需要進(jìn)行密封以防止玷污。這通常也就意味著需要在設(shè)備面板上打孔。聽起來這沒什么大不了的，但打孔以及安裝壓框會使得整個組件的成本翻番。由于電阻式觸摸屏必須依靠物理壓力才能工作，也就是說磨損是不可避免的。

“外表面”電容式觸摸屏

最近幾年，在顯示器外表面采用ITO層的電容式觸摸屏已經(jīng)出現(xiàn)，但由于受高企不下的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動成本的限制，僅限于在諸如信息亭或游戲機(jī)這樣的大屏幕上采用。盡管任何電容式觸摸屏都消除了機(jī)械運(yùn)動問題，許多早期的實(shí)現(xiàn)方案仍需要兩層ITO，因而光的吸收問題依然存在。如果這些薄膜安裝到屏幕的內(nèi)表面卻又容易受到人手陰影效應(yīng)的影響，因?yàn)橛脩粢鈭D觸及的區(qū)域之外，如人手下方及其周圍的區(qū)域會產(chǎn)生足夠大的電容，從而引發(fā)嚴(yán)重的定位報(bào)告錯誤。均勻沉積的ITO還會導(dǎo)致圖2所示的枕形失真，這通常要由低阻抗的邊緣圖案來校正。如果不采用這種邊緣圖案，就需要采用復(fù)雜的6階補(bǔ)償算法并耗費(fèi)相應(yīng)的運(yùn)算能力。由于ITO不耐刮擦，外表面的覆蓋層還是很容易被損壞。這些類型的觸摸屏還需要在其面板上開窗，以便于接觸到其表面，而這又使得必須采用壓框以及相應(yīng)的密封措施，同時也帶來了相應(yīng)的成本。

“內(nèi)表面”電容式觸摸屏

僅需要單個ITO層、成本與電阻式觸摸屏相當(dāng)?shù)膬?nèi)表面電容式觸摸屏的開發(fā)是一個突破性的成就，其也許能使小型電阻式觸摸屏成為歷史。它具有更高的透光率、組裝更簡單和廉價(jià)，即使在最惡劣的環(huán)境中也具有穩(wěn)定的性能，而且理論上其使用壽命是無限的，還能通過軟件針對不同的應(yīng)用程序和語言對顯示器進(jìn)行定制。圖3給出了量研公司的QField顯示器的典型結(jié)構(gòu)，在顯示面板的背面，也就是內(nèi)表面，覆以單個ITO層。

機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單，透光率更高

正如圖3所示，內(nèi)表面電容式觸摸屏的機(jī)械結(jié)構(gòu)極大地簡化了。單層ITO被印制到透明塑料(PET)膜上，再用透明粘合劑將此印好的塑料膜粘到顯示器的玻璃或塑料前面板的內(nèi)表面上。ITO膜是以一種能以高精度定位前面板上的觸碰且沒有人手陰影效應(yīng)的特殊圖案印制的。一種可行的選擇是各向異性圖案，實(shí)際上就是一組由間隙分隔的水平導(dǎo)體條。這種圖案能消除一個軸上的枕形失真，從而使得用固化在QField芯片中的二階算法消除剩余其它軸上的枕形失真變得相對簡單。LCD顯示器或其它圖形設(shè)備安裝在ITO層之后。由于前面板上沒有開孔，也不需要壓框和密封措施，同時減少了一個昂貴的ITO層，因而也就節(jié)約了成本。

內(nèi)表面觸摸屏由前面板提供全面的防護(hù)，使得其不會被破壞，而且因?yàn)闆]有機(jī)械運(yùn)動，也沒有磨損的機(jī)理。

因?yàn)橹恍枰獑蝹€ITO層，并且沒有兩層薄膜之間的氣隙，這種觸摸屏的透光率一般都接近90%。透光率的實(shí)質(zhì)性改善，加上對比度的增加意味著可以采納低功耗、廉價(jià)的背光系統(tǒng)。更長的電池壽命、或使用更小、更便宜的電池?zé)o疑將增加更多的吸引力。

觸摸屏在其邊緣周圍與載有QField芯片和少量相關(guān)無源元件的印制板進(jìn)行連接?？梢愿鶕?jù)需要對多種連接方法進(jìn)行靈活選擇。

這種技術(shù)賦予我們更多的自由來創(chuàng)造令人賞心悅目的用戶界面——與外表面觸摸屏相比，技術(shù)對物理設(shè)計(jì)的限制比先前大大減少。前面板最大厚度可以達(dá)到5mm，并且甚至無需是平坦的。這種技術(shù)在彎曲的表面上同樣能正常工作。

工作原理

QField傳感器芯片驅(qū)動著電荷脈沖通過ITO圖案。ITO層通過顯示器的前面板向外送出電場，而當(dāng)手指接近時電荷圖案會受到擾動。通過測量從ITO膜的四角收集到的或送出的電荷的改變就能檢測到手指的位置，然后再使用算法來將信號處理成XY坐標(biāo)。這種技術(shù)亦稱電荷轉(zhuǎn)移感測技術(shù)，它還被量研公司廣泛地用于觸摸按鍵、滑動條或滾輪傳感器控制。分辨率為256x256、響應(yīng)時間為20ms的樣品已經(jīng)在觸摸屏實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行了例行的演示。

這種技術(shù)消除了電阻式和早期電容式觸摸屏中所有明顯的限制。

由于控制芯片能補(bǔ)償漂移因而克服了老化和環(huán)境變化帶來的校準(zhǔn)偏離。困擾著早期電容式觸摸屏顯示器表面的玷污積存也不再是問題了。使用突發(fā)間隔很長的隨機(jī)脈沖進(jìn)行擴(kuò)頻充電的方法極大地降低了功耗、射頻輻射以及電氣干擾敏感性。另外，由于在薄膜層Y軸上采用多點(diǎn)連接，從而在空間上隔離了由觸點(diǎn)處人手陰影形成的電容元件，人手陰影效應(yīng)也被消除了。

QField觸摸屏方案更進(jìn)一步的優(yōu)點(diǎn)就是非常低的功耗。這種技術(shù)采用的ITO阻抗為數(shù)百千歐而不是阻抗為數(shù)十歐姆的ITO邊緣圖案。造成的結(jié)果就是電流水平以及功耗非常低。移動電話中的典型顯示器的功耗小于100 µW ，并且即便不扣除開孔和壓框的成本，整個觸摸屏解決方案的成本在量產(chǎn)時都可以降低到3美元左右。

應(yīng)用

QField觸摸屏目前正被世界上最大的移動電話制造商進(jìn)行評估，但其潛在應(yīng)用要廣闊得多。它同樣適用于家用電器、自動控制設(shè)備面板以及像醫(yī)療設(shè)備這樣需要擦拭清潔的應(yīng)用場合。當(dāng)需要在LCD顯示器上實(shí)現(xiàn)可重配置按鍵，或在傳感器容易受到破壞的環(huán)境中它就是理想的解決方案。例如，它完全可能用來制造防彈傳感面板，像取款機(jī)或其它安全應(yīng)用。

一家名為Colorado vNet的美國公司使用QField技術(shù)設(shè)計(jì)了最新的調(diào)光控制器，來為其產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)易于定制的面板。此調(diào)光器，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)了可重配置的基于多種圖案的電容式觸摸按鈕，提供了最大限度的靈活性與用戶定制能力。每一個按鈕可以控制任意數(shù)量的動作，并且甚至能重新編程來以不同方式響應(yīng)短暫的輕拍與長時間的按壓。這就是說，例如，燈光開關(guān)按鈕可以用來調(diào)節(jié)燈光的明暗，從而不再需要額外的按鈕。這種面板非常具有吸引力、耐用、而且對于兒童是安全的。

也許QField技術(shù)真正的局限在于無法對尖銳物體的接觸做出反應(yīng)，這是由于這樣的接觸不能產(chǎn)生可測量到的電荷水平的改變。然而，筆式輸入也有其固有的缺點(diǎn)，這不僅僅限于丟失了筆的問題，還有就是到目前為止，對于基于菜單的應(yīng)用和手寫識別而言，手指輸入設(shè)備的市場都要大一些。

觸摸屏的市場形勢正在急劇變化。在今后的兩年中，內(nèi)表面電容式感測技術(shù)有望明顯侵占電阻式觸摸屏的市場，并且在今后5-10年中趕上老式技術(shù)的市場占有率。