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主要触控技术介绍

供稿人:柳贺  供稿时间:2011-9-30   关键字:触控  touch  technology  
所谓的触控就是不通过按键,而是以手指或笔尖接触设备屏幕上的功能图示来操作;过去是以大型工业设备、家电等采用较多,现在则是手机、MP3等消费性电子产品的热门界面。
 
目前已发表的触控技术种类众多,包括电阻式、电容式(包括表面电容式和投射电容式)、电磁式、音波式(表面声波式)、振波式(振波感应式)、光学式(红外线式、光学成像式、影像辨识式)、内嵌式等。
 
在小尺寸应用如手机、PDA等方面,目前绝大多数是采用电阻式触控面板;新兴的技术应用则是由iPhone所带动起的投射电容式触控面板。大尺寸方面,传统上则由红外线式、表面声波式或是表面电容式为主,应用在pos、kiosk、atm等工业计算机领域;光学式是相当新的技术,在大尺寸应用上相当具有发展潜力。此外面板厂也正积极发展可结合电阻、电容或是光学式技术的内嵌式触控面板。下文将对主要触控技术进行介绍。
 
1、电阻式
 
电阻式(Resistive)触控面板由透明导电薄膜ITO(Indium Tin Oxide,氧化銦錫)Film和透明导电玻璃ITO Glass所组成,中间由间隔点(DOT)所隔开,在ITO Film和ITO Glass之间通入5V的电压。电阻式是用电压降的方式来找座标轴,其技术原理是手指或触控笔在触碰ITO Film表面后,ITO Film会因压力而形成凹陷,与下层的ITO Glass接触后因导电而造成产生电阻的变化,控制ic则可经由计算电阻变化的位置来定位。
图1  电阻式触控原理
 
由于在大尺寸应用上有物理障碍(如阻抗增加等),电阻式触控面板较适用于中小尺寸面板。一般设计上可大致分为4线~8线等形式,不同形式均有其优缺点(参见表1),其中以4线及5线最为普及。
 
表1  电阻式触控面板技术比较

 
四线式
五线式
六线式
七线式
八线式
专利权
配线最简单,不受专利限制
ELO、3M Touch System专利
宇宙光电专利
日本富士通专利
3M Touch System专利
特性
产品不耐刮,售价最低
改良四线制不耐刮缺点
较四线增加耐刮度、防电磁波与防噪音功能
耐刮、准确度较高
耐温度及环境温度变化,分辨率为四线2倍

电阻式技术简单成熟,成本也相当低廉,因此多年来一直占有绝大多数的小尺寸应用市场,目前手写式手机屏幕多为此类。不过电阻式触控有几个明显的缺点:一是在于触控表面的ITO Film是以PET薄膜制成的软性材质,因此容易被刮伤,使用寿命较短;二是在于透光率不佳,使得其下的LCD面板往往需要较强的背光,增加了耗电量;此外,反应速度较慢,以及使用者对于压力掌握的不稳定容易造成输入上的误差,也是可见的缺点。
 
2、表面电容式
 
电容式触控技术原理类似电阻式,但使用电容值而非电阻值为计算量以决定触摸位置。电容式触控又可分为表面式电容式(Surface Capacitive)和投射式电容式(Projected Capacitive)。
 
表面电容触摸屏只采用单层的ITO,当手指触摸屏表面时,就会有一定量的电荷转移到人体。为了恢复这些电荷损失,电荷从屏幕的四角补充进来,各方向补充的电荷量和触摸点的距离成比例,可以由此推算出触摸点的位置。
 
 
图2  表面电容式触控结构原理
 
表面电容式主要应用在中大尺寸的工业用仪器、ATM、Kiosk、POS等公共信息系统。由于此类应用区域多为户外或是对温湿度规格要求较为严格的环境,价格较高。虽然相对成本也较低,但目前无法支持手势识别。
 
3、投射电容式
 
投射电容式与表面电容式不同,主要在于表面电容式使用上下两电极做为电容,而投射电容式则以蚀刻方式将上下电极细分成X轴、Y轴交叉分布的电容矩阵,使得触碰时除了表面会形成电容之外,也会造成XY轴交会处之间电容值的变化。因此通过扫描X、Y轴即可侦测触碰位置电容变化,进而计算触摸点所在位置。
 
 
图3  投射电容式触控结构与原理
 
投射电容式被iPhone所采用,具有耐用性高、不需压力就能感应、漂移现象较表面式电容小等特点,被视为是未来电容式的主流技术。而在透光率、反应速度、耐用性、外观方面都大幅优于电阻式触控面板,更有具有多点触控能力的优点,所以市场普遍看好有机会逐渐取代传统电阻式触控技术。不过,目前投射电容式由于ITO层的生产难度相当高,造成良率不佳,此外控制IC的计算较复杂,并被不少专利所限制,因此整体成本仍比电阻式触控面板高很多。
 
4、表面声波式
 
表面声波式(Surface Acoustic Wave)触控面板表面完全由玻璃组成,由位于三个角落的超音波发射和接收器在中间区域形成一个均匀的声波力场,当表面波碰到手指等软性介质会被吸收掉能量,即产生声波遮断,以此计算触碰位置。
 
图4  表面声波式触控原理
 
表面声波式触控清晰不容易被损坏,适于各种场合,但缺点是成本高,上下游整合不易,屏幕表面如果有水滴和尘土会使触摸屏变得迟钝甚至不工作,且无法做多点侦测。
 
5、振波感应式
 
振波感应式(Dispersive Signal Technology)触控技术为3M发明,主要原理是在强化玻璃基座上利用触摸,使玻璃内部的振动波传导至位于四个角落的感应及控制器,以决定触摸位置。
 
振波感应式触控技术的优点为不受表面脏污与刮损影响,且可适用于大尺寸(32寸以上),缺点是无法多点触控,价格高,产业上下游整合不完整。
 
6、红外线式
 
红外线式(Infrared)触控面板在屏幕四边分别有X、Y轴的红外线发射器和接收器,利用光源接收、遮断原理,当红外线在特定位置被接触物阻隔即可计算出接触物(如手指)的位置。
 
图5  红外线式触控原理
 
红外线式触控主要应用大尺寸应用及多点触控,反应速度快且相当精确,也极为耐用;缺点则在于受限于红外线模块体积,无法做到高分辨率,功耗高,大量红外线LED模块的成本也不低。
 
7、电磁式
 
电磁式(Electromagnetic)主要是通过一个特殊的电磁笔与感应面板做触控,原理是利用电磁笔在操作时,和板下的感应线产生磁场变化来判断动作。
 
图6  电磁式触控结构
 
电磁式触控主要是应用在绘图板上。电磁式的优点是反应速度快且精确,但由于需要特殊的电磁笔,因此并不适用于一般的触控操作。为了解决此问题,目前有将电磁式与电阻式或电容式结合的设计,应用在平板计算机上,但造成成本明显大幅增加。
 
8、光学成像式
 
光学成像式(Optical Imaging)的原理类似光遮断,通过位于面板上缘两个角落的CCD/CMOS摄影机,搭配红外线LED,侦测触控物体所形成的阴影,经由三角定位找出触控的位置。若要强化判读精确度或减少外光干扰,下方侧可能会增加红外线光源辅助,或是在边框采用反射材质。
 
图7  光学成像式触控结构
 
光学成像式是相当新的技术,目前仅有少数公司拥有,例如NextWindow的光学影像解决方案即采用此技术。光学式不但具有红外线和表面音波式在大尺寸应用上的优点相当,更因为现今CCD/CMOS传感器的强大功能,影像输出速度极快,使得光学式的反应速度和分辨率都更优于红外线式和表面音波式。此外CCD/CMOS传感器降价速度相当快,又只需安装在两个角落,因此在成本上更具优势。虽然在小尺寸应用上因为感测模块的体积问题而可能不太适用,但是在大尺寸应用上将有机会成为主流。
 
9、影像辨识式
 
影像辨识式和光学成像式概念相近,不同处在于影像辨识式是用多个CCD/CMOS摄影机直接观测影像(而非阴影),并透过影像辨识技术判断操控意图,可做到完全的多点触控式是最大的优点。不过由于摄影机需要空间来撷取影像,因此此技术仅适合用于背投电视或是投影机上面,使用领域明显受限。微软于2007年所推出触控计算机Surface平台即是采用此种技术。
 
图8  微软Surface Computer构造简图
 
10、内嵌式
 
现有的触控面板都是采用外挂方式贴合在LCD面板上,会有厚度增加、光穿透率降低的缺点,而嵌入式(In-Cell/On-Cell)触控就是希望通过将电阻、电容或是光学式的触控感应组件与面板进行整合的方式来解决这些问题。
 
嵌入式触控技术目前主要的发展方向有二:第一种是将投射电容式触控技术的感应电极Sensor制作在面板彩色滤光片(CF)的背面(即贴附偏光板面),整合为彩色滤光片的结构,亦可称为On-Cell方式;另一种则是真正将感应Sensor置入LCD Cell的结构当中,亦称In-Cell方式,目前主要利用的感应方式也可分为电阻(接触)式、电容式与光学式三种,基本操作原理与前文所述的电阻、电容式技术相似。①电阻式是利用LCD Cell上下两基板电极的导通,计算Vcom分压的变化来判定接触位置坐标。②电容式与电阻式结构相似,但在操作上并不需要上下基板直接电极接触,仅利用触碰时Cell Gap缩减产生的电容变化,比对固定的参考电容后,转化为电压讯号来判断是否接触。③光学感应式,其原理是利用非晶硅(a-Si)材质照光会产生光电流的特性,在既有TFT-LCD面板的Array基板上,制作TFT Photo Sensor(利用TFT来开关Photo Diode的电流输出),并电性连接到特定的信号读出线(Read-Out Line),当接触使Sensor上的照光量产生变化时(遮光或照光),利用扫瞄开关TFT的方式,可以让接触点上因照光量变化而改变的光电流信号被读出,进而转为数字信号并计算出X、Y坐标。
 
目前多家面板厂正积极开发嵌入式触控面板,同时也希望能通过触控功能的增加来提高面板的附加价值。不过目前嵌入式触控由于制造困难,使得良率偏低,造成内嵌式成本无法和技术已经相当成熟的的传统外挂式相比。不过由于面板厂持续改良开发内嵌式触控技术,因此未来的发展仍值得持续观察。
参考文献:
1 触控技术的发展动力及趋势. http://www.esmchina.com/ART_8800096392_1200_2200_3604_0_1b3b8b47.HTM
2 触控技术简介. http://article.denniswave.com/5268
3 电容式触控面板介绍. http://www.docin.com/p-53944567.html
 

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