觸摸屏技術(shù)及其未來(lái)發(fā)展方向

鮑兆臣

（中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，上海 200063）

1 觸摸屏的概念

觸摸屏從市場(chǎng)概念來(lái)說(shuō)，它是以直接觸碰方式發(fā)送指令代替鍵盤和鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)建立溝通的輸入設(shè)備，是一種透明面板。從技術(shù)原理來(lái)說(shuō)，觸摸屏是一套透明的絕對(duì)定位系統(tǒng)，所以需要通過(guò)材料科技來(lái)解決透明問(wèn)題，它不需要光標(biāo)，只需要在顯示屏上輕點(diǎn)圖標(biāo)和文字，計(jì)算機(jī)就可以按照用戶指示工作，手指觸摸在哪里就是哪里，不需要繁瑣的動(dòng)作。

2 觸摸屏技術(shù)分類

根據(jù)屏幕表面定位原理不同，觸摸屏技術(shù)可分為表面聲波技術(shù)、聲學(xué)脈沖識(shí)別技術(shù)、紅外線技術(shù)、電容式觸摸屏技術(shù)和電阻式觸摸屏技術(shù)。不同種類觸摸屏性能比較，見(jiàn)表1。

表1 不同種類觸摸屏的性能比較［1］

2.1 表面聲波（SAW）技術(shù)

表面聲波是超聲波的一種，在金屬、玻璃等剛性材料表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械能量波，是利用聲波定位觸控技術(shù)，其性能穩(wěn)定，在橫波傳遞中具有尖銳的頻率特性。表面聲波觸摸屏的觸碰部分是一塊玻璃平板，安裝在等離子顯示器屏幕前，沒(méi)有覆蓋層。表面聲波觸摸屏的工作原理如下：通過(guò)觸摸屏電纜送來(lái)的電信號(hào)發(fā)射換能器把控制器轉(zhuǎn)化為聲波能量向左方表面?zhèn)鬟f，隨后通過(guò)玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射到往上的均勻面?zhèn)鬟f，聲波能量流經(jīng)屏體表面，再通過(guò)上邊的反射條紋匯聚成向右的線傳播給X軸的接收換能器，接收換能器將返回的表面超聲波能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)［1］。

2.2 聲學(xué)脈沖識(shí)別（APR）技術(shù)

APR由一個(gè)玻璃顯示器涂層或其他堅(jiān)硬的基板組成，背面安裝四個(gè)壓電傳感器。該傳感器安裝在可見(jiàn)區(qū)域的兩個(gè)對(duì)角上，通過(guò)一根彎曲的電纜連接到控制卡。用戶觸碰屏幕時(shí)，手指與玻璃之間拖動(dòng)發(fā)生摩擦，就產(chǎn)生了聲波。波輻射傳向傳感器，按聲波比例產(chǎn)生電信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流來(lái)確定觸摸位置。APR設(shè)計(jì)能夠消除環(huán)境影響和外部聲音。

2.3 電容式觸摸屏技術(shù)

電容式觸摸屏可以分為表面電容式屏和投射式電容屏。

2.3.1 表面電容式觸摸屏

其工作原理是利用電場(chǎng)感應(yīng)方式感測(cè)屏幕表面，其面板四角各有一條輸出線與控制器連接在一起，工作時(shí)接地的物體觸碰到帶有電場(chǎng)的觸摸屏表面，面板表面電場(chǎng)就會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，通過(guò)測(cè)量表面電荷的變化來(lái)確定接觸點(diǎn)位置。表面電容式觸摸屏具有透光率高、壽命長(zhǎng)、分辨率低等優(yōu)點(diǎn)，目前主要用于服務(wù)平臺(tái)和公共信息大尺寸觸摸屏［2］。

2.3.2 投射電容式觸摸屏

可分為兩種：交互電容和自我電容。

交互電容又叫作跨越電容，它是通過(guò)相鄰電極耦合而成的電容。與自我電容的區(qū)別是，兩組電極構(gòu)成電容的兩極，其交叉處形成電容，當(dāng)用手指觸摸到電容屏?xí)r，改變了兩組電極間電容量。當(dāng)檢測(cè)交互電容大小時(shí)，縱向電極接收信號(hào)，橫向電極發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，便得到縱向和橫向電極交匯點(diǎn)的電容大小［3］。

自我電容又叫作絕對(duì)電容，將被感覺(jué)的物體作為電容的其中一個(gè)極板，此物體在被傳感電極與傳感電極之間感應(yīng)出電荷，從而被感覺(jué)到，此原理是通過(guò)電極發(fā)射出的靜電場(chǎng)線來(lái)感應(yīng)的。

2.4 電阻式觸摸屏技術(shù)

電阻屏是利用觸摸屏表面隨著所受壓力的變化，產(chǎn)生屏幕凹凸變形而引起的電阻變化實(shí)現(xiàn)精確定位的觸摸屏技術(shù)。按照其原理不同，電阻式觸摸屏分為四線與五線電阻觸摸屏。

2.4.1 四線電阻觸摸屏工作原理

四線電阻式觸摸屏是電阻式觸摸屏中應(yīng)用最廣泛的一種。結(jié)構(gòu)由上線路薄膜材料導(dǎo)電ITO層和下線路玻璃或薄膜材料導(dǎo)電ITO組成，中間有細(xì)微的絕緣點(diǎn)隔開(kāi)。當(dāng)觸摸屏表面沒(méi)有壓力時(shí)，上下線路是開(kāi)路狀態(tài)；若有壓力在觸摸屏上，上下線路導(dǎo)通，控制器通過(guò)下線路導(dǎo)電ITO層在X坐標(biāo)方向上施加驅(qū)動(dòng)電壓，通過(guò)上線路導(dǎo)電ITO層的探針，偵測(cè)X方向上的電壓，由此算出觸點(diǎn)X坐標(biāo)。通過(guò)控制器改變施加電壓方向，同理可測(cè)出觸點(diǎn)Y坐標(biāo)，從而確定觸點(diǎn)位置。

2.4.2 五線電阻觸摸屏工作原理

五線電阻式觸摸屏的結(jié)構(gòu)與四線電阻式有些相似，也有上線路薄膜材料導(dǎo)電ITO層和下線路玻璃或薄膜材料導(dǎo)電ITO層。五線電阻式觸摸屏的工作原理和四線電阻式所不同的是，五線電阻式X及Y方向上的驅(qū)動(dòng)電壓都通過(guò)下線路ITO層產(chǎn)生，而上線路層僅僅起到偵測(cè)電壓探針的作用，即便上線路薄膜層被損壞或刮傷，觸摸屏也可以繼續(xù)正常工作，所以五線電阻式觸摸屏的使用壽命要比四線式的長(zhǎng)很多。

2.5 紅外線式觸摸屏技術(shù)

紅外觸摸基本原理是光束阻斷技術(shù)，在顯示器上添加光點(diǎn)距框架，光點(diǎn)距框架的四邊排列了接收管和紅外線發(fā)射管，在屏幕表面形成紅外線網(wǎng)。當(dāng)手指在觸摸屏幕時(shí)，就會(huì)遮擋住經(jīng)過(guò)該位置的橫豎方向的紅外線，光信號(hào)的改變就會(huì)輸出變化的電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)的處理來(lái)定位觸摸點(diǎn)的位置。

之前紅外觸摸屏分辨率是由框架中的紅外對(duì)管數(shù)目來(lái)決定，因此其分辨率很低。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上主要產(chǎn)品是40×32、32×32，在光照變化較大時(shí)造成影響較大。此后在第三代和第四代提升分辨率上有所改進(jìn)，但是綜合性能沒(méi)有突破。最新的第五代紅外屏分辨率取決于差值算法、紅外對(duì)管數(shù)目以及掃描頻率，分辨率達(dá)到1 000×720，能長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境下使用，真正實(shí)現(xiàn)高分辨率和高穩(wěn)定性能［3］。

3 觸摸屏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

觸摸屏作為一種新的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備，具有反應(yīng)靈敏、堅(jiān)固耐用、節(jié)省空間、易于交流等優(yōu)點(diǎn)，是目前最方便、簡(jiǎn)單的一種人機(jī)交互方式。觸摸屏在我國(guó)應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，特別是在電子產(chǎn)品中，如手機(jī)、便攜式播放器/MP3、筆記本電腦、一體機(jī)電腦、車載顯示器、數(shù)碼相機(jī)、便攜式導(dǎo)航、便攜式游戲機(jī)、公共信息、教育與培訓(xùn)等。此外，還廣泛應(yīng)用于辦公、醫(yī)療設(shè)備、軍事指揮、工業(yè)控制等，西門子、海爾將觸摸屏技術(shù)應(yīng)用到了電磁爐、洗衣機(jī)、冰箱、空調(diào)等家電領(lǐng)域，觸摸屏技術(shù)已經(jīng)滲入家庭、娛樂(lè)、辦公的每個(gè)角落。

由表2可看出，手機(jī)是觸摸屏的最大應(yīng)用領(lǐng)域，2009年市場(chǎng)份額是62%，到2015年將達(dá)到73.35%［4］。目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)手機(jī)用戶超過(guò)十億人次。以往功能性手機(jī)將會(huì)迅速被智能觸摸屏手機(jī)取代，在全球應(yīng)用和體驗(yàn)式消費(fèi)驅(qū)動(dòng)下，智能手機(jī)和平板電腦將出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，僅在中國(guó)內(nèi)地，未來(lái)三年就將產(chǎn)生近五億部智能終端的國(guó)內(nèi)消費(fèi)市場(chǎng)。智能終端產(chǎn)業(yè)的變革迫使絕大多數(shù)傳統(tǒng)的手機(jī)廠商都在研發(fā)生產(chǎn)觸摸屏智能終端，其中對(duì)關(guān)鍵性器件——觸摸屏的需求，已出現(xiàn)井噴之勢(shì)，一些LCD廠商、按鍵廠商、規(guī)模較大的模具廠商等紛紛介入觸摸屏產(chǎn)業(yè)。目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)近三百家觸摸屏企業(yè)集中在“珠三角”和“長(zhǎng)三角”地區(qū)。預(yù)計(jì)兩年內(nèi)，上千家企業(yè)將涌至這個(gè)產(chǎn)業(yè)。

表2 觸摸屏在不同應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)份額變化趨勢(shì)（2009～2015） /%

4 觸摸屏技術(shù)發(fā)展方向

4.1 中大尺寸多點(diǎn)觸摸技術(shù)

發(fā)展多點(diǎn)觸控可以多點(diǎn)、多人同時(shí)使用，尤其在一些工程設(shè)計(jì)、繪圖、影像處理等大尺寸上，利用電容筆可以進(jìn)行標(biāo)記、簽名、繪圖等，可大大拓寬觸摸屏的應(yīng)用領(lǐng)域。2007年蘋(píng)果公司通過(guò)投射式電容技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多點(diǎn)觸控功能，體現(xiàn)了當(dāng)時(shí)與其他觸控技術(shù)的不同，使多點(diǎn)觸控技術(shù)成為市場(chǎng)的新潮流。目前，多點(diǎn)觸控技術(shù)已經(jīng)從開(kāi)始的兩指縮放三指滾動(dòng)和四指撥移，發(fā)展到五點(diǎn)的觸控識(shí)別，今后多點(diǎn)觸控技術(shù)將向?qū)崿F(xiàn)更具有自由度的方向發(fā)展。

小尺寸觸控屏出貨量巨大，面板廠商很難介入，當(dāng)中大尺寸觸摸屏市場(chǎng)越來(lái)越成熟，特別是內(nèi)嵌式觸摸屏技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，面板廠商參與度就越來(lái)越高。在OGS觸摸屏領(lǐng)域，2013年7月，京東方投資53.97億元建設(shè)合肥鑫晟觸摸屏生產(chǎn)線項(xiàng)目。該項(xiàng)目將采用OGS技術(shù)，生產(chǎn)工序包括Sensor工程、貼合工程兩部分，玻璃基板尺寸為1 500mm×1 850mm，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為60k/月，主要產(chǎn)品包括手機(jī)、平板電腦等用觸摸屏。

隨著全球各行各業(yè)對(duì)于信息化水平的不斷提高，觸摸屏技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電信、公共信息、服務(wù)平臺(tái)、交通監(jiān)控、娛樂(lè)等領(lǐng)域。但這些領(lǐng)域要求采用10.4英尺以上的中大尺寸觸摸屏，所以發(fā)展中大尺寸多點(diǎn)觸摸屏是未來(lái)觸摸技術(shù)的一大挑戰(zhàn)。

4.2 內(nèi)嵌式投射電容屏

當(dāng)前觸摸屏基本都是外掛式結(jié)構(gòu)，外掛式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于規(guī)?；a(chǎn)，但是外掛式結(jié)構(gòu)在厚度上難以做到輕薄，不符合觸摸屏越來(lái)越輕便的觀念。

內(nèi)嵌式In－cell構(gòu)造利用TFT彩色濾光片作為觸摸屏的感應(yīng)ITO層，在彩色濾光片玻璃的另一面鍍刻驅(qū)動(dòng)ITO層，與外掛式On－cell相比，內(nèi)嵌式In－cell構(gòu)造將觸摸屏功能整合在TFT模組中，減少了ITO導(dǎo)電玻璃的層數(shù)［5］。

內(nèi)嵌式構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在ITO導(dǎo)電玻璃層數(shù)從34層減少至2層，進(jìn)而提高了觸控面板的透光率，降低材料成本，減少面板厚度。但內(nèi)嵌式構(gòu)造仍存在一些問(wèn)題，特別是目前產(chǎn)品良率不及外掛式構(gòu)造，平均要低5%。但是單從技術(shù)角度分析，目前內(nèi)嵌式投射電容屏存在的問(wèn)題并非長(zhǎng)期制約因素，內(nèi)嵌式產(chǎn)品的良率正在不斷提高，其內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)帶來(lái)的高透光率、低材料成本、輕薄化等優(yōu)勢(shì)符合消費(fèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，一定會(huì)替代外掛式構(gòu)造而成為技術(shù)主流。In－cell觸摸屏技術(shù)因在顯示屏內(nèi)部與ITO形成一體，因而在減少顯示屏的厚度及提高穿透率方面擁有顯著的優(yōu)勢(shì)。內(nèi)嵌式的概念最先在2003年由TMD提出，隨后LG、Sharp、AUO、Samsung等公司相繼提出此概念，并相繼公布了一些研究成果，IPhone5即使用了具有穿透率好、窄邊框、輕薄的內(nèi)嵌式In－cell技術(shù)而備受關(guān)注，LG顯示、Sharp與Japan顯示、三星顯示（SDC）及大中華區(qū)LCD面板制造商在In－cell觸摸屏市場(chǎng)的發(fā)展也備受期待。

4.3 混合式觸控技術(shù)

隨著用戶對(duì)觸控技術(shù)要求的提高，單一的觸控技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足人們的需要。近年來(lái)有人提出了混合式觸控技術(shù)的概念，在一塊觸控面上采用兩種或者兩種以上的觸控技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)多種觸控技術(shù)間互補(bǔ)優(yōu)劣的目的。2013年11月份美國(guó)專利和商標(biāo)局通過(guò)了一項(xiàng)來(lái)自蘋(píng)果申請(qǐng)的名為“雙級(jí)別觸摸感應(yīng)按鍵”的專利，根據(jù)專利描述顯示，這種可感知多級(jí)別壓力的按鍵不僅對(duì)觸摸操作有反應(yīng)，同時(shí)還能夠感應(yīng)不同等級(jí)的壓力輸入。這種全新的壓力感應(yīng)輸入要比現(xiàn)存的所有輸入方式都更加高級(jí)。蘋(píng)果混合型觸控輸入技術(shù)是一種可以偵測(cè)按壓級(jí)別的可低壓按鍵，該組件的頂部是一種觸控敏感的材料，可以檢測(cè)到輸入信號(hào)。當(dāng)頭兩個(gè)級(jí)別的閥值檢測(cè)到后，按鍵的觸控敏感部分就會(huì)激活，或者進(jìn)入低能耗模式。這種技術(shù)允許組件根據(jù)按壓力度的不同完成多個(gè)功能，比如說(shuō)用戶點(diǎn)擊按鍵的右側(cè)與左側(cè)會(huì)得到不同的結(jié)果。同時(shí)，用戶還可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)不同壓力等級(jí)的功能。例如用戶可以首先按壓屏幕激活觸控功能，這時(shí)系統(tǒng)將會(huì)繼續(xù)跟蹤用戶手勢(shì)，用戶可以繼續(xù)按壓實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步功能，例如像一個(gè)觸控鼠標(biāo)，所以混合式觸控技術(shù)必定會(huì)成為未來(lái)觸控技術(shù)的發(fā)展方向之一。

［1］ 王 祥.觸摸屏技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及市場(chǎng)分析報(bào)告［EB/OL］.百度文庫(kù)，2012－07－10.

［2］ 劉 瑞.觸摸屏技術(shù)及其性能分析［J］.裝備制造技術(shù)，2010，36（3）：56－60.

［3］ 伍華林，呂 延，呂 明.觸摸屏技術(shù)現(xiàn)狀和市場(chǎng)前景［J］.信息技術(shù)，2010，18（6）：275－276.

［4］ 楊玉琴，李亞寧.觸摸屏技術(shù)研究及市場(chǎng)進(jìn)展［J］.信息記錄材料，2012，13（1）：8－9.

［5］ 張子敬.觸摸屏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［J］.科技視界，2012，4（12）：65－66.