淺談觸摸屏技術及其應用

南京工業(yè)職業(yè)技術學院航空工程學院 趙 婕

觸摸屏技術隨處可見，得到了非常廣泛的應用。它是一種非常簡單、直接、便捷的人機交互方式，本文簡略描述了觸摸屏的組成、安裝方式和技術原理，并且介紹了觸摸屏的類型，同時，在觸摸屏的尖端應用領域——電子紙和多點觸摸屏方面做了簡要詮釋。

一、前言

自1960年美國最早開啟了研究觸摸屏技術的大門，1972年美國PLATO（Programmed Logic for Automated Teaching Operations）項目首先推出一款觸摸屏，用于計算機輔助教學，隨著觸摸屏的技術越來越進步，其應用也越來越廣泛，銀行、車站、學校處處可見其身影，中國已經成為觸摸屏最為廣泛的使用者。

二、觸摸屏的主要組成部分和安裝方式

觸摸屏主要由兩部分組成：前端檢測和后臺控制。

檢測部分是手指或觸摸筆所接觸的屏幕部分，其根據觸摸屏類型的不同而有所不同；控制部分是觸摸屏的“大腦”，通過檢測到的信號位置，判斷其各項功能并發(fā)出指令。例如在工業(yè)機器人觸摸屏控制面板上，需要先將其位置、手臂旋轉角度、移動距離等等參數進行設置，而后這些數據傳輸到存儲器內，當用戶在觸摸屏上進行操作時，各項指令通過屏幕上的位置判斷其具體功能，由后臺控制器逐項做出相應的操作。

圖1 紅外觸摸屏

觸摸屏的安裝方式有外掛式觸摸屏、內置式觸摸屏和整體機三種。外掛式觸摸屏應用在許多工業(yè)設備環(huán)境中，觸摸屏單獨安裝在機器外，通過對功能進行設置，從而實現對機器的操作；內置式觸摸屏的最典型代表是銀行ATM機，把觸摸檢測裝置安裝于顯示設備的外殼內，位于顯像管之前；而我們現在最常用的手機、平板電腦則是小型的整體機，顯示設備直接具有觸摸功能。

三、觸摸屏的類型

根據觸摸屏的技術原理，其主要包含以下幾個種類：電阻式觸摸屏、電容式觸摸屏、紅外光技術觸摸屏、表面聲波技術觸摸屏。這些技術類型的觸摸屏幾乎涵蓋了工業(yè)控制、手持電話以及客戶終端查詢等領域。

（1）電阻式觸摸屏：電阻觸摸屏（如圖1所示）包括表面硬涂層、聚脂薄膜、ITO(氧化銦錫)陶瓷層、底層電路層、玻璃底層等，當手指或其他物體觸摸到屏幕時，改變了雙層膜之間的距離，電阻發(fā)生變化，X、Y兩個方向同時產生信號，傳輸到控制器，計算出X和Y點的值。電阻式觸摸屏的價格不高，靈敏度較好，應用比較廣，但是其多層結構會導致光損失，耗電較多（王春鋒.電阻式觸摸屏在手機上的應用和發(fā)展[J].現代顯示,2011(9):38-42）。

（2）電容式觸摸屏：目前很多手機以及平板電腦使用這種技術，它具有清晰度高、耗電低、定位準確的特點。以手機觸摸屏為例說明，通常手機的屏幕由多層復合玻璃屏構成,從外到內依次是矽土玻璃層、高透光學膠填充層、偏光片層、電容觸摸層和液晶層，觸摸層主要是指ITO涂層，其四個角引出四個電極，當手指觸碰在屏幕表面時，改變了其中的電流值，通過計算電流與四角距離之比，就可以準確的得到觸碰位置。

圖2 電容式觸摸屏

（3）紅外光技術觸摸屏：這一類的觸摸屏需在顯示器上加上光點距架框，不需要在屏幕表面加上涂層或接駁控制器（劉峻宏,崔唐杰,黃明泉.一種四線式紅外光學觸摸屏技術的研究[J].電子世界,2015,(24):36-36,39）。光點距架框的四邊排列了紅外線發(fā)射管及接收管，在屏幕表面形成一個紅外線網，當有物體觸摸屏幕時，將會遮擋縱向和橫向的紅外線網，通過接受的信號判斷其位置。

圖3 紅外光技術觸摸屏

（4）表面聲波觸摸屏：在這種觸摸屏中，對于其屏幕的材質沒有特別高的要求，可以是鋼化玻璃，表面聲波觸摸屏的工作原理是在玻璃屏幕的左上角和右下角分別裝上縱向和橫向的超聲波發(fā)射換能器，右上角和左下角則是安裝超聲波接收換能器，四周刻有非常精密的反射條紋，通過將超聲波能量與電能之間的轉換實現觸摸屏功能。

圖4 表面聲波觸摸屏

四、觸摸屏的未來發(fā)展趨勢

目前觸摸屏技術的發(fā)展呈以下幾個趨勢：

（1）屏幕的柔性將更好、清晰度將進一步提高

人們對于觸摸屏的要求越來越高，從低分辨率到高分辨率，從透光性差到透光性良好。美國E-Ink公司在觸摸屏行業(yè)中一直處于“領頭羊”位置，其研發(fā)的電子紙作為新型的觸摸屏材料，為許多研究機構所青睞。

電子紙技術包括三個方面，即膽固醇液晶顯示技術、電泳顯示技術和電潤濕顯示技術。電子紙所用的材料為電子墨水（E-ink），許多微膠囊懸浮于電子墨水中，這些微膠囊的直徑大約在10-4米寬，在1平方英寸內，其數量可達10萬個。微膠囊的內部是由染料和顏料芯片的混合物構成，當它們通電時會發(fā)生相應變化，其工作原理如圖5所示。

如圖5所示，白色為正極顏料芯片，黑色為負極顏料芯片，當微膠囊在受到正電場的作用時，黑色的正極顏料芯片移動到電場正極，肉眼可見為黑色，而在微膠囊底部的則是帶有正電荷的白色顏料芯片；與其相鄰的微膠囊則受到負電場的作用，受此影響，白色粒子移動到微膠囊的頂部使表面呈現白色，帶負電荷的黑色粒子移動到微膠囊的底部。正是由于這些白色顏料芯片和黑色顏料芯片構成了屏幕上顯示的文字和圖像。

圖5 微膠囊工作原理

由于電子紙柔性良好、耗電極低，許多公司也在致力于這方面的研發(fā)和生產，如柯達、東芝、摩托羅拉、佳能、愛普生、廣州奧示等等。人們把電子紙技術應用于電子報紙、電子書、電子表等等領域（張子敬.觸摸屏技術應用現狀和未來發(fā)展趨[J].科技視界,2012(12):65-66），使用戶越來越體會到電子產品的便攜性和趣味性。

（2）屏幕材料的發(fā)展日新月異

電阻觸摸屏和電容觸摸屏中均會用到ITO材料，這種傳統材料漸漸被金屬網格、納米銀絲、碳納米管、導電高分子、石墨烯等材料替代（呂明,呂延.觸摸屏的技術現狀、發(fā)展趨勢及市場前景[J].機床電器,2012(3):4-7），其中金屬網格和納米銀絲的導電性都優(yōu)于ITO，因此為人們提供更多的選擇。

（3）多點觸摸技術

多點觸摸是觸摸屏的另一個發(fā)展方向。大家所熟悉的手機圖片放大與縮小，便可以利用兩點觸摸來實現。目前主要有以下幾種多點觸摸技術，Jefferson Han于2006年提出受抑全內反射多點觸摸技術，這種技術利用光的全反射原理，將紅外光保存于亞克力板之中，如果屏幕的表面發(fā)生變化，則紅外光也隨之變化，形成觸摸點（Jefferson Y.Han.Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection,Proceedings of the 18th annual ACM symposium on user interface software and technology.2005.October 23-26;T.Kitade,W Yamada,H Manabe.FTIR-based touch pad for smartphone-based HMD Enhancement,The 31st annual ACM symposium on user interface software and technology.2018.October 174-175）；散射光照明多點觸摸技術由微軟公司研發(fā)，將光線均勻分布于玻璃屏幕表面，當手指觸摸屏幕使光線發(fā)生變化，由此得知觸摸點的位置；激光平面照明、散射光平面照明、發(fā)光二極管平面多點觸摸技術是三種利用不同光線來形成觸摸屏的表面，其原理與前兩種類似，不再贅述。

目前多點觸摸屏最多可達到500點同時被觸碰，這對于處理器的速度和精度提出了很高的要求，因此造價比較昂貴。多點觸摸應用非常廣泛，在學校、醫(yī)院、工廠中處處都有用武之地，隨著技術壁壘被打破，價格也將會越來越人性化。

五、結論

我國作為觸摸屏最大消費者，在這個領域雖然起步略晚，但發(fā)展勢頭迅猛，目前深圳有許多觸摸屏生產商，如歐菲光、伯恩、深越、業(yè)際等等，這些公司成為國內觸摸屏行業(yè)的中堅力量，于此同時，觸摸屏的處理器和驅動軟件也日益發(fā)展，為國內自主產品在世界舞臺增添了強大的競爭力。