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触摸屏 原理及基础知识

发布时间:2017-01-06 点击数:922

          主要有 几种类型的触摸屏,它们分别是:电阻式(双层),表面电 容式和感应电容式,表面声波式,红外式,以及弯曲波式、有源数 字转换器式和光学成像式。它们又可以分为两类,一类需要ITO,比如前三种触摸屏,另一类 的结构中不需要ITO, 比如后几种屏。

          触摸屏 在我们身边已经随处可见了,在PDA等个人 便携式设备领域中,触摸屏 节省了空间便于携带,还有更 好的人机交互性。

          主要有 几种类型的触摸屏,它们分别是:电阻式(双层),表面电 容式和感应电容式,表面声波式,红外式,以及弯曲波式、有源数 字转换器式和光学成像式。它们又可以分为两类,一类需要ITO,比如前三种触摸屏,另一类 的结构中不需要ITO, 比如后几种屏。目前市场上,使用ITO材料的 电阻式触摸屏和电容式触摸屏应用最为广泛。

电阻式触摸屏

    ITO 是铟锡 氧化物的英文缩写,它是一 种透明的导电体。通过调 整铟和锡的比例,沉积方法,氧化程 度以及晶粒的大小可以调整这种物质的性能。薄的ITO材料透明性好,但是阻抗高;厚的ITO材料阻抗低,但是透明性会变差。在PET聚脂薄膜上沉积时,反应温度要下降到150度以下,这会导致ITO氧化不完全,之后的应用中ITO会暴露 在空气或空气隔层里,它单位 面积阻抗因为自氧化而随时间变化。这使得 电阻式触摸屏需要经常校正。

     图一是 电阻触摸屏的一个侧面剖视图。手指触 摸的表面是一个硬涂层,用以保护下面的PET层。PET层是很薄的有弹性的PET薄膜,当表面 被触摸时它会向下弯曲,并使得下面的两层ITO涂层能 够相互接触并在该点连通电路。两个ITO层之间 是约千分之一英寸厚的一些隔离支点使两层分开。最下面 是一个透明的硬底层用来支撑上面的结构,通常是玻璃或者塑料。

    电阻触 摸屏的多层结构会导致很大的光损失,对于手 持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题,但这样 也会增加电池的消耗。电阻式 触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜,反应灵敏度也很好。

电容式触摸屏

    电容式 触摸屏也需要使用ITO材料,而且它 的功耗低寿命长,但是较 高的成本使它之前不太受关注。Apple推出的iPhone提供的友好人机界面,流畅操 作性能使电容式触摸屏受到了市场的追捧,各种电 容式触摸屏产品纷纷面世。而且随 着工艺进步和批量化,它的成本不断下降,开始显 现逐步取代电阻式触摸屏的趋势。

     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,我们可 以由此推算出触摸点的位置。

    表面电容ITO涂层通 常需要在屏幕的周边加上线性化的金属电极,来减小角落/边缘效 应对电场的影响。有时ITO涂层下面还会有一个ITO屏蔽层,用来阻隔噪音。表面电 容触摸屏至少需要校正一次才能使用。

    感应电 容触摸屏与表面电容触摸屏相比,可以穿 透较厚的覆盖层,而且不需要校正。感应电容式在两层ITO涂层上蚀刻出不同的ITO模块,需要考 虑模块的总阻抗,模块之 间的连接线的阻抗,两层ITO模块交 叉处产生的寄生电容等因素。而且为 了检测到手指触摸,ITO模块的 面积应该比手指面积小,当采用菱形图案时,对角线长通常控制在4到6毫米。

     图三中,绿色和蓝色的ITO模块位于两层ITO涂层上,可以把它们看作是X和Y方向的 连续变化的滑条,需要对X和Y方向上不同的ITO模块分 别扫描以获得触摸点的位置和触摸的轨迹。两层ITO涂层之间是PET或玻璃隔离层,后者透光性更好,可以承受更大的压力,成品率更高,而且通 过特殊工艺可以直接镀在LCD表面,不过也重些。这层隔离层越薄,透光性越好,但是两层ITO之间的 寄生电容也越大。

    感应电 容触摸屏检测到的触摸位置对应于感应到最大电容变化值的交叉点,对于X轴或Y轴来说,则是对不同ITO模块的 信号量取加权平均得到位置量,系统然 后在触摸屏下面的LCD上显示 出触摸点或轨迹。

    当有两个手指触摸(红色的两点)时,每个轴 上会有两个最大值,这时存 在两种可能的组合,系统就 无法准确定位判断了,这就是 我们通常所称的镜像点(蓝色的两点)。

    另外,触摸屏的下面是LCD显示屏,它的表 面也是传导性的,这样就会和靠近的ITO涂层的ITO模块产生寄生电容,我们通 常还需要在这两层之间保留一定的空气层以降低寄生电容的影响。

电容式 触摸屏解决方案

    目前的电容式 触摸屏解决方案中,Cypress PSoC产品以可编程,设计灵活,一致性好, 再加上高效的PSoC Express / PSoC designer开发环 境而处于领先地位。

    PSoC CapSense技术是 根据电容感应的原理使用CSA或CSD模块来实现的。PCB板或触 摸屏上相邻的感应模块或导线之间会存在寄生电容(见图四中的Cp),当有手 指接近或触摸两个相邻感应模块时,相当于 附加了两个电容,它们相当于并联在Cp上的电容Cf。利用PSoC的CSA和CSD技术可 以检测到这个电容上的变化,从而确定有没有手指触摸。

 PSoC触摸屏 解决方案的优点还体现在:

    1. 是一种单芯片方案,和传统 方案相比减少了外部器件,降低了系统总体BOM成本。

    2. 通过使用I2C-USB Bridge和其它相关工具,结合PSoC Express / PSoC designer开发环境,可以极 大地节省开发时间和费用。

    3. PSoC内部的IO和各种模拟/数字模 块可以实现动态重配置,不需要修改原理图和PCB就可以 更新设计以适应新的需求。它还支 持多种通讯接口I2C / UART / SPI / USB等,可以和 各种接口的主机方便连接,这些都 会降低系统更新的成本。

    4. PSoC可以针 对外界环境变化 – RF干扰 / 温度变化 / 电源波 动等灵活设置参数,在LCD显示器、手机、数码相 机和白色家电的触摸控制中得到了广泛的应用。

    5. 除了控制触摸以外,PSoC还可实现LED背光控制,马达控制,电源管理,I/O扩展等增值功能。

    PSoC已经应 用在了多种尺寸的触摸屏中,如果要实现表面电容触摸屏的控制,可以由 CY8C21x34或CY8C24x94系列通过CSD模块来实现,见图五。实现感 应电容触摸屏的控制,可以由CY8C20x34系列通过CSA模块,也可由CY8C21x34或CY8C24x94系列通过CSD模块来实现,见图六。

     在触摸 屏产品的设计中,需要对 性能和成本进行权衡。电阻触 摸屏的成本较低,竞争就很激烈,而且在 性能和应用场合上有一定局限。

    1. 电容触 摸屏只需要触摸,而不需 要压力来产生信号。

    2. 电容触 摸屏在生产后只需要一次或者完全不需要校正,而电阻 技术需要常规的校正。

    3. 电容方 案的寿命会长些,因为电 容触摸屏中的部件不需任何移动。电阻触摸屏中,上层的ITO薄膜需 要足够薄才能有弹性,以便向 下弯曲接触到下面的ITO薄膜。

    4. 电容技 术在光损失和系统功耗上优于电阻技术。

    5. 选择电 容技术还是电阻技术主要取决于触碰屏幕的物体。如果是手指触碰,电容触 摸屏是比较好的选择。如果需要触笔,不管是 塑料还是金属的,电阻触摸屏可以胜任。电容触 摸屏也可以使用触笔,但是需 要特制的触笔来配合。

    6. 表面电 容式可以用于大尺寸触摸屏,并且相成本也较低,但目前 无法支持手势识别;感应电 容式主要用于中小尺寸触摸屏,并且可 以支持手势识别。

    7. 电容式技术耐磨损、寿命长,用户使 用时维护成本低,因此生 产厂家的整体运营费用可被进一步降低。

电容式 触摸屏的发展趋势

    电容触 摸屏已经应用在了iPhone及其它手持设备上,定位单点轨迹 / 模拟鼠 标双击是它的基本功能,而对多 手指手势操作的识别和应用成为当前市场的热点。在便携式应用中,用户一手拿着设备,只能用另一只手操作,因此识 别多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 压缩, 旋转, 翻页等 手势操作就显得尤为重要。PSoC感应电 容触摸屏已经可以实现多点检测,从而支 持两手指的手势识别。可以预 见支持手势识别的电容式触摸屏将在市场上大放光彩。

 

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