触摸屏原理 - MilkeZhang 的网络笔记

一、触摸屏概述触摸屏作为一种新的输入设备,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”,是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置;当接触了屏幕上的图形按钮时,屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置,可用以取代机械式的按钮面板,并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果,其主要应用领域为手机、平板电脑、收银机、工业领域等。二、常见触摸屏分类目

触摸屏原理

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一、触摸屏概述


触摸屏作为一种新的输入设备,它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。
触摸屏又称为“触控屏”、“触控面板”,是一种可接收触头等输入讯号的感应式液晶显示装置;当接触了屏幕上的图形按钮时,屏幕上的触觉反馈系统可根据预先编程的程式驱动各种连结装置,可用以取代机械式的按钮面板,并借由液晶显示画面制造出生动的影音效果,其主要应用领域为手机、平板电脑、收银机、工业领域等。
二、常见触摸屏分类

目前市面上主要有几种类型的触摸屏:电阻式,表面电容式和感应电容式触摸屏,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触摸屏。其中又可以为两类,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。下面以电阻和电容屏为主介绍触摸屏相关知识。



三、触摸屏结构组成
典型触摸屏结构一般由三部分组成:两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极。
阻性导体层:上层衬底用塑料,下层衬底用玻璃,同时具有导电性的铟锡氧化物(ITO)涂在衬底上。从而形成了两个ITO层,通过约千分之一英寸厚的一些隔离支点使两层分开。
电极:选用导电性能极好的材料(如银粉墨)构成,其导电性能大约为ITO的1000倍。
隔离层:采用很薄的有弹性的聚脂薄膜PET,当表面被触摸时它会向下弯曲,并使得下面具有两层ITO涂层能够相互接触,从而连通电路,这也是触摸屏为什么能实现触摸的关键所在。
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四、电阻式触摸屏
电阻触摸屏简单来说就是个传感器,利用压力感应原理来实现实现触摸。

电阻触摸屏原理:
当人的手指按压触摸屏表面时,弹性PET薄膜会向下弯曲,使上下ITO涂层能够相互接触形成触摸点,采用ADC检测该点的电压,来计算出计算X、Y轴坐标值。
电阻触摸屏通常采用四线、五线、七线或八线来产生屏幕偏置电压,回读报点。在这里主要以四线为例,原理如下:

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1.在X+,X-两电极加上一个电压恒定电压Vref,Y+接一个高阻抗的ADC。

2.两电极间的电场呈均匀分布,方向为X+到X-。

3.手触摸时,两个导电层在触摸点接触,触摸点X层的电位被导至 Y层所接的ADC,

得到电压Vx。

4.通过Lx/L=Vx/Vref,即可得到x点的坐标。

5.同理将Y+,Y-接上电压Vref,Y轴的坐标可,然后X+电极接高阻抗ADC得到。同时四线电阻式触摸屏除了可以得到触点的X/Y坐标,还可以测得触点的压力。

这是因为压力越大,接触越充分,电阻越小,通过测量这个电阻的大小可以量化压力大小。而电压值和坐标值成正比的,所以需要校准,通过计算(0, 0)坐标点的电压值是否存在偏差。

电阻式触摸屏优缺点:

1.电阻式触控屏幕每次工作只能判断一个触控点,如果触控点在两个以上,就无法正确判断。

2.电阻屏需要保护膜以及相对更频繁的校准,但电阻式触摸屏不受尘埃、水、污物影响。

3.电阻式触摸屏的ITO涂层比较薄且容易脆断,涂得太厚又会降低透光且形成内反射降低清晰度,ITO外虽多加了一层薄塑料保护层,但依然容易被锐利物件所破坏;且由于经常被触动,表层ITO使用一定时间后会出现细小裂纹,甚至变型,如其中一点的外层ITO受破坏而断裂,便失去作为导电体的作用,触摸屏的寿命并不长久。



五、电容式触摸屏
电阻式触摸屏不同,电容式触摸不依靠手指按力创造、改变电压值来检测坐标,

它主要利用人体的电流感应进行工作。

电容式触摸屏原理:

电容屏通过任何持有电荷的物体包括人体皮肤工作。(人体所带的电荷)电容式触摸屏是由诸如合金或是銦錫氧化物(ITO)这样的材料构成,电荷存储在一根根比头发还要细的微型静电网中。当手指点击屏幕,会从接触点吸收小量电流,造成角落电极的压降,利用感应人体微弱电流的方式来达到触控的目的。这也是为什么当我们带上手套触摸屏幕时触控却无法响应。

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1. 电容屏感应类型分类
按感应类型可分为表面式电容和投射式电容。投射电容屏可分为自电容屏和互电容屏两种类型,较常见的互电容屏为例,内部由驱动电极与接收电极组成。

表面式电容触摸屏:

表面电容式有一个普通的ITO层和一个金属边框,利用位于四个角落的传感器以及均匀分布整个表面的薄膜。当指点击屏幕,人体手指和触摸屏作为两个带电的导体,互相靠近形成一个耦合电容,对于高频电流来说电容是直接导体,于是手指从接触点吸走一个很小的电流。该电流由触摸屏四个角上的电极中流出,电流的强弱与手指到电极的距离成正比,触摸控制器通过计算从而得出触摸点的位置。

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投射式电容触摸屏:

采用一个或多个精心设计蚀烛的ITO,这些 ITO层通过蛀蚀形成多个水平和垂直电极,采用成行/列交错同时带有传感功能的独立芯片,形成投射电容的轴坐标式感应单元矩阵 :X Y轴作为坐标式感应单元分立的行和列,来检测每一格感应单元的电容。

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2. 电容屏基本参数
通道数:从芯片上连接到触摸屏上的通道线数。通道越多,成本越高,走线越复杂。 传统自容:M+N(或M*2,N*2);互容:M+N;incell互容:M*N。

节点数 :采样可获得有效数据个数。 节点越多,可以获取的数据越多,计算的坐标更精细,可以支持的接触面积也更小。 自容:和通道数相同,互容:M*N。

通道间隔:相邻通道中心距离。 节点越多,相应的pitch就会越小。

码长:仅互容需要为了节省采样时间,增加采样信号。互容方案可能会在同一时刻有多条驱动线有信号。有多少条通道有信号,码长就是多少(一般4个码居多)。 因为需要解码,当码长过大时,对快滑有一定的影响。

3. 投射式电容屏原理

(1)电容式触摸屏 :水平和垂直电极都通过单端感应方法来驱动。
自生电容式触摸屏玻璃表面采用ITO形成水平和垂直电极阵列,这些水平和垂直的电极分别与地构成电容,这个电容就是通常所说的自电容。当手指触摸到电容屏时,手指的电容将会叠加到屏体电容量上,此时自电容屏通过检测横向与纵向电极阵列,根据触摸前后电容的变化,分别确定横向坐标和纵向坐标,然后组合成平面的触摸坐标。

手指触摸时寄生电容增加:Cp‘=Cp + Cfinger,其中Cp-为寄生电容。

通过检测寄生电容的变化量,确定手指触摸的位置。

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双层自电容结构为例:两层ITO,水平和垂直电极分别接地构成自电容,M+N条控制通道。
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对于自容屏,如果是单点触摸,则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的,组合出的坐标也是唯一的。如果触摸屏出现两点触摸并且这两点在不同的XY轴方向,则会出现出4个坐标。但显然,只有两个坐标是真实的,另外两个就是俗称的”鬼点”。

因此,自电容屏的原理特性决定了它只能单点触摸,而无法实现真正的多点触摸。

(2)互电容式触摸屏 :发送端和接收端不同,呈垂直交叉。

用ITO制作横向电极与纵向电极,它与自电容区别是两组电极交叉的地方将会形成电容,也即这两组电极分别构成电容的两极。当手指触摸到电容屏时,影响了触摸点附件两个电极间的耦合,从而改变了这两个电极间的电容量。

检测互电容大小时,横向的电极依次发出激励信号,纵向的所有电极同时接收信号,这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值即整个触摸屏二维平面的电容大小,从而可实现可以实现多点触控。

手指触摸时耦合电容减少。

通过检测耦合电容的变化量,确定手指触摸的位置。CM-耦合电容。

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以双层自电容结构为例:两层ITO互相重叠,构成M*N个电容,M+N条控制通道。


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多点触摸技术就是以互容触摸屏为基础,分为Multi-TouchGesture和Multi-Touch All-Point技术,也就是多点触摸识别手势方向和识别手指触摸位置,广泛应用于手机手势识别和十指触控等场景中。不仅可以识别手势和多指识别,也允许其他非手指触摸形式,也可以手掌,甚至手戴手套等方式进行识别。Multi-Touch All-Point的扫描方式对触摸屏每行和每列交叉点都需单独扫描检测,扫描次数是行数和列数的乘积,例如一个触摸屏由M行,N列组成,则需要扫描的交叉点为M*N次,这样就可以检测到每个互电容的变化量。当存在手指触摸时,该互电容减小从而判断出每个触摸点的位置。

(3)电容触摸屏结构类型
屏幕的基本结构从上到下分为三层,保护玻璃,触控层,显示面板。手机屏幕在生产过程中需要对保护玻璃,触摸屏、显示屏着三部分进行两次贴合。


由于保护玻璃、触摸屏、显示屏间每经过一道贴合制作程序,良品率就会大打折扣,如果能够降低贴合的次数,无疑也将提高全贴合的良品率。目前较有实力的显示面板厂商倾向推动On-Cell或In-Cell的方案,即倾向于将触摸层制作在显示屏;而触控模组厂商或上游材料厂商则倾向于OGS,即将触控层制作在保护玻璃上。

In-Cell :指将触摸面板功能嵌入到液晶像素中的方法,即在显示屏内部嵌入触摸传感器功能,这样能使屏幕变得更加轻薄。同时In-Cell屏幕还要嵌入配套的触控IC,否则很容易导致错误的触控感测讯号或者过大的噪音。因此,In-Cell屏都是纯自容。



On-Cell:指将触摸屏嵌入到显示屏的彩色滤光片基板和偏光片之间的方法,即在液晶面板上配触摸传感器,相比In Cell技术难度降低不少。因此目前市面使用频率最高触摸屏的为Oncell屏。


OGS(One Glass Solution):OGS技术就是把触控屏与保护玻璃集成在一起,在保护玻璃内侧镀上ITO导电层,直接在保护玻璃上进行镀膜和光刻。由于OGS保护玻璃和触摸屏是集成在一起的,通常需要先强化,然后镀膜、蚀刻,最后切割。这样在强化玻璃上切割是非常麻烦的,成本高、良率低,并且造成玻璃边沿形成一些毛细裂缝,这些裂缝降低了玻璃的强度。

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(4) 电容触摸屏优缺点比较:
1、屏幕的通透程度和视觉效果方面,OGS是最好的,In-Cell和On-Cell则次之。
2、轻薄程度,一般来说In-Cell最轻最薄,OGS则次之,On-Cell比前两者稍差。
3、屏幕强度(抗冲击、抗摔),On-Cell最好,OGS次之,In-Cell最差。需要指出的是,OGS则因为直接将康宁保护玻璃与触控层整合在一起,加工过程削弱了玻璃的强度,屏幕也很脆弱。

4、触控方面, OGS的触控灵敏度比On-Cell/In-Cell屏幕都要好,对多点触控、手指、Stylus触控笔的支持上,其实OGS也是好于In-Cell/On-Cell的。另外,还是因为In-Cell屏幕直接将触控层和液晶层融合在一起,感测杂讯较大,需要有专门的触控芯片进行过滤和校正处理。OGS屏幕对于触控芯片的依赖则没那么高。

5、技术要求,In-Cell/On-Cell都比OGS要复杂,生产控制上,难度也更高。



六、触摸屏现状及发展趋势
随着科技的不断发展,触摸屏从过去最初使用电阻屏到现在广泛使用的电容屏。现如今Incell 和 Incell触摸屏早已占据主流市场,被广泛应用于手机、平板、汽车等各个领域。而以ITO薄膜材质的传统电容屏的局限性也愈加明显,如阻值高、易折断,难搬运等,尤其是在曲面或曲面或是可挠式场景中,电容屏导电性和透光性较差。为了满足市场等对于大尺寸触摸屏,满足用户对触摸屏更轻更薄更好握持度的需求,曲面、折叠柔性触摸屏应运而生,并逐步地应用于手机、车载触摸,教育市场,视频会议等场景。曲面折叠柔性触摸正在成为未来的发展趋势


编写于:2023/4/18 22:43:48
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