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触摸屏技术原理深析

hylotus  发表于 2009/9/22 15:32:46      973 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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触摸屏作为一种高技术产品,发展的历史不算太长,但是在整个工业自动化领域和其它领域使用已经很广泛,如医院,军工,银行,税务,电信,宾馆,房产等行业。可是,这种产品对大多数使用者来说即熟悉又陌生。说熟悉是指该类产品使用比较简单方便,很多人无须特殊的培训学习就会使用;说陌生是指对相当一部分使用者来说,一些原理性的知识较为陌生。本人在此收集了一部分资料,愿意与同仁共免。
    
当前,触摸屏大抵共有5个基本种类,分别是:电阻技术触摸屏、电容技术触摸屏,表面声波技术触摸屏、红外线扫描技术触摸屏、矢量压力传感技术触摸屏。从技术原理上对触摸屏的分类来说,矢量压力传感技术触摸屏己退出历史舞台;电容触摸屏曾在国内风行过一段时间,但由于技术原理上难以解决漂移的问题,在国内也曾遇到了销售困难。每一类触摸屏都有其各自的优缺点,而用户也知道不可能所有的应用场合都是某一类触摸屏最适合。所以这就需要了解些触摸屏技术的工作原理和特点。


触摸屏与鼠标键盘类输入终端设备相比是最方便、简单,完全不懂电脑的人可以以此操作电脑系统。用户通过屏上的界面内容,操作和查询他们感兴趣的信息。因此可以说触摸屏是最佳信息查询/输入设备,世界各国都积极的进行研发,犹如PC的发展历程,触摸屏也经过了一个从低档向高档,从红外线式、电阻式走到电容感应式,现在发展到了表面声波式和五线电阻式。技术性能的各方面都有了很大提高。


1.表面声波触摸屏


表面声波从属于超声波,是在介质(例如玻璃或金属等刚性材料)表面进行浅层传播的机械能量波。表面声波性能稳定、易于分析,并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性。
表面声波触摸屏的屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板,安装在CRTLED LCD或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃,与别类触摸屏相比是没有任何贴膜和覆盖层。
玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器,右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45度角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。
以纵轴为例,发射换能器把由控制器产生的5MHz的电信号转换为超声波能量发出。换能器基座的设计使得它具有较狭窄的方向角向左传播声表面胶能量,在传递过程中,又被底边的45度反射条纹向上反射成屏幕表面竖直方向的均匀面传播,然后又被上边的反射条纹向右聚成线传播至纵轴接收换能器,并最终转为电信号回传给控制器。 在没有触摸的时候,接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指触摸屏幕时, 手指吸收了一部分声波能量,而控制器则侦测到接收信号在某一时刻上的衰减,由此可计算出触摸点在纵轴上的位置,同样的原理可以得到触摸点在横轴的位置.除了一般触摸屏都能响应的两个坐标外,表面声波触摸屏还响应其独有的第三轴坐标,也就是能感知用户触摸压力大小。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。三轴一旦确定, 控制器就把他们传给主机。因为表面声波技术非常稳定,而表面声波触摸屏的控制器靠测量衰减时刻在时间轴上的位置来计算触摸位置,所以表面声波触摸屏非常稳定,精度也非常高。
    据报道,表面声波触摸屏的寿命最长可达同一位置触摸5干万次无故障,极好的防刮性,透光率大于92%。清晰度极高,能够保持清晰透亮的图像质量,和最小的色彩失真,这在于的没有任何贴膜和覆层的纯玻璃,并且不象有覆层玻璃的触摸屏在边角遭受压力时,由于内部应力不可预测的可能在某处集中。此外,表面声波触摸屏技术没有漂移,安装后无须校准。
    前面所说,表面声波触摸屏还有第三轴,也就是压力轴,这是因为用户触摸屏幕的力量越大,接收信号波形上的衰减缺口也就越宽越深。在所有触摸屏中只有表面声波触摸屏具有能感知触摸压力这个性能,所以,每个触摸点是有触摸和无触摸和感知力三个物理态,也由此感知力这个态相当于一个模拟量值的开关。在一些多媒体信息查询软件或类似控制系统中,一个按钮就能控制动画或者影像的括放速度。表面声波触摸屏的上述特性也就决定了比其它类别的屏有较大的优越性,尤其是在一些较为恶劣的工作环境中,特别适合采用这种触摸屏。但在价格上较之同尺寸的其它屏要贵,所以客户在选择使用时必须综合考虑各方面的因素。


2.电阻触摸屏

电阻触摸屏的主要是由一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏,这是一种多层的复合薄膜,由一层玻璃或有机玻璃作为基层,表面涂有一层叫ITo的透明导电层,上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层,它的内表面也涂有一层导电层(ITO或镍金),在两层导电层之间有许多细小(小于于分之一英寸)的透明隔离点把它们隔开绝缘。当手指触摸屏幕时,两层导电层在触摸点位置就有了一个接触,控制器侦测到这个接通并计算出XY轴的位置,这就是所有电阻技术触摸屏的基本原理。

    电阻触摸屏的两层ITOI作面必须是完整的,在每个工作面的两条边线上各涂一条银胶,一端加5V电压,一端加0V,就能在工作面的一个方向上形成均匀连续的平行电压分布。在侦测到有触摸后,立即进行AD转换测量接触点的模拟量电压值,然后就可以计算出触摸点在这个方向上的位置。
    
关于两种透明的导电涂层村抖:①ITO,氧化钢,弱导电体,特性是当厚度降到1800个埃(1埃=10
-10)以下时会突然变得透明,透光率为80%,再薄下去透光率反而下降,到300埃厚度时又上升到80%,但是ITO在这个厚度下非常脆,容易折断产生裂纹。 ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料,实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面都是ITO涂层。镍金涂层,五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性极好的镍金涂层材料,外导电层由于频繁触摸,使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命,但是成本较为高昂,镍金导电层虽然延展性好,但是只能作透明导体,不适合作为电阻触摸屏的工作面,因为它导电性太好,不直作精密电阻测量,而且金属不易做到厚度非常均匀。
   
第一代四线制电阻触摸屏的两层ITOI作面工作时都加上5V0V的均匀电压分布场:一个工作面加竖直方向的,一个工作面加水平方向的。引线至控制8总共需要四根电缆。因为四线电阻触摸屏靠外的那层塑胶及ITO涂层被经常触动,一段时间后外层薄薄的ITo涂层就会有了细小的裂纹,显然,导电工作面一旦有了裂纹,电流就会绕之而过,工作而上的电压场分布也就不可能再均匀,这样,在裂纹附近触摸屏漂移严重,裂纹增多后,触摸屏有些区域可能就再也触摸不到了。
   
四线电阻触摸屏的基层大多数是有机玻璃,不仅存在透光率低、风化、老化的问题,并且存在安装风险,这是因为有机玻璃刚性差,安装时不能捏边上的银胶,以免薄薄的ITO和相对厚实的银胶脱裂,不能用力压或拉触摸屏,以免神断ITO层。有些四线电阻触摸屏安装后显得不太平整就是因为这个原因。

ITO
是无机物,有机玻璃是有机物,有机物和无机物是不能良好结合的,时间一长就容易剥落。如果能够生产出曲面的玻璃板,玻璃是无机物,能和ITO结合的非常好的是导电玻璃。

    
第二代五线电阻技术触摸屏的基层使用的就是这种导电玻璃,不仅如此,五线电阻技术把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上,相当于两个方向的电压场分时加在同一工作面上,而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体,有触摸后靠既检测内层ITO接触点电压又检测导通电流的方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线,外层只作导体仅仅一条,至控制器总共需要5根电缆。因为五线电阻屏的外层镍金导电层不仅延展性好,而且只作导体,只要它不断成两半,就能继续完成作为导体的使命,而身负重任的内层1TO直接与基层玻璃结合为一体成为导电玻璃,导电玻璃自然没有了有机玻璃作基层的种种弊端,因此,五线电阻屏的使用寿命和透光率与四线电阻屏相比有了一个飞跃:五线电阻屏的触摸寿命是35百万次,四线电阻屏则是小于1百万次,且五线电阻触摸屏没有安装风险,同时五线电阻屏的ITO层能做得更薄,因此透光率和清晰度更高,几乎没有色彩失真。
   
不管是哪种电阻触摸屏,它们都是一种对外界完全隔离的工作环境,因此可以对灰尘、水汽和油污等有良好的防护作用。由于复合薄膜的外层采用塑胶材料,不知道的人太用力或使用锐器触摸可能划伤整个触摸屏而导致报废。

3.电容技术的触摸屏

 电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏,玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO,最外层是只有0.0015毫米厚的矽土玻璃保护层,夹层ITO涂层作为工作面,四个角上引出四个电极,内层ITO为屏蔽层以保证良好的工作环境。当用户触摸电容屏时,由于人体电场,用户手指头和工作面形成一个耦合电容,因为工作面上接有高频信号,于是手指头吸收走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏四个角上的电极中流出,并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例,控制器通过对这四个电流比例的精密计算,得出触摸点的位置。
   
电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏,当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比,电容屏反光严重,而且,电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀,存在色彩失真的问题,由于光线在各层间的反射,还造成图像字符的模糊。

    电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用,当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时,流走的电流就足够引起电容屏的误动作。我们知道,电容值虽然与极间距离成反比,却与相对面积成正比,并且还与介质的的绝缘系数有关。因此,当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作,在潮湿的天气,这种情况尤为严重,手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。
电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应,这是因为增加了更为绝缘的介质。
电容屏更主要的缺点是漂移:当环境温度、湿度改变时,环境电场发生改变时,都会引起电容屏的漂移,造成不准确。例如:开机后显示器温度上升回造成漂移:用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移;70多公斤的小伙子校正的电容屏40公斤的小姐可能触不动(两个小姐握起手来就行);电容触摸屏附近较大的物体搬移后回漂移,你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移;电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足,环境电势面(包括用户的身体)虽然与电容触摸屏离得较远,却比手指头面积大的多,他们直接影响了触摸位置的测定。此外,理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性,如:体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的,而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系,电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点,漂移后控制器不能察觉和恢复,而且,4A/D完成后,由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的XY坐标值的计算过程复杂。由于没有原点,电容屏的漂移是累积的,在工作现场也经常需要校准。
    
电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好,但是怕指甲或硬物的敲击,敲出一个小洞就会伤及夹层ITO,不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层,电容屏就不能正常工作了。

 

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