触摸屏6大种类及4种技术发展趋势分析

关键词： 触摸屏 , 技术发展趋势

        一、触摸屏技术种类
触摸屏是一种定位设备，用户可以直接用手指向计算机输入坐标信息，与鼠标、键盘一样，也是一种输入设备。触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，只要用手指轻轻地触摸计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直接，这种技术极大的方便了那些不懂电脑操作的用户。现已被广泛应用于工业、医疗、通信领域的控制、信息查询及其他方面。
1、电阻式触摸屏
模拟电阻式屏
模拟电阻式触摸屏就是我们通常所说的“电阻屏”，是利用压力感应进行控制的一种触摸屏。它采用两层镀有导电功能的ITO（铟锡氧化物）塑料膜，两片ITO设有微粒支点，使屏幕在未被压按时两层ITO间有一定的空隙，处于未导电的状态。当操作者以指尖或笔尖压按屏幕时，压力将使膜内凹，因变形而使ITO层接触导电，再通过侦测X轴、Y轴电压变化换算出对应的压力点，完成整个屏幕的触控处理机制。目前模拟电阻式触摸屏有4线、5线、6线与8线等多种类型，如图1所示，线数越多，代表可侦测的精密度越高，但成本也会相对提高。电阻屏不支持多点触控、功耗大、寿命较短、同时长期使用会带来检测点漂移，需要校准。但是电阻屏结构简单、成本较低，在电容式触摸屏成熟以前，一度占据大部分触摸屏市场。
数字式电阻屏
数字式电阻屏的基本原理与模拟式的相似，与模拟式电阻屏在玻璃基板上均匀涂布ITO层不同，数字式电阻屏只是利用带有ITO条纹的基板。其中上下基板的ITO条纹相互垂直。数字式电阻屏更加类似于一个简单的开关，因此通常被当做一个薄膜开关来使用。数字式电阻屏可以实现多点触控。
2、电容式触摸屏
表面电容式
表面电容式触摸屏是通过电场感应方式感测屏幕表面的触摸行为。它的面板是一片涂布均匀的ITO层，面板的四个角各有一条出线与控制器相连接，工作时触摸屏的表面产生一个均匀的电场。
当接地的物体触碰到屏表面时，电极就能感应到屏表面电荷的变化，确定触碰点的坐标。表面电容式触摸屏使用寿命长、透光率高，但是分辨率低、不支持多点触控，目前主要应用于大尺寸户外触摸屏，如公共信息平台（POI）及公共服务（销售）平台（POS）等产品上。
投射式电容屏
投射电容式触摸屏利用的是触摸屏电极发射出的静电场线进行感应。投射电容传感技术可分为两种：自我电容和交互电容。自我电容又称绝对电容，它把被感觉的物体作为电容的另一个极板，该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，通过检测该耦合电容的变化来确定位置。但是如果是单点触摸，通过电容变化，在X轴和Y轴方向所确定的坐标只有一组，组合出的坐标也是唯一的；如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，在X和Y方向分别有两个坐标投影，则组合出4个坐标。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，自我电容屏无法实现真正的多点触摸；交互电容又叫做跨越电容，它是通过相邻电极的耦合产生的电容，当被感觉物体靠近从一个电极到另一个电极的电场线时，交互电容的改变会被感觉到，当横向的电极依次发出激励信号时，纵向的所有电极便同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。当人体手指接近时，会导致局部电容量减少，根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标，因此屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法进行设计，以便在任何给定时间内都可以探测到手指的触摸，该触摸并不局限于一根手指，也可以是多根手指。2007年以来苹果公司iphone、iPad系列产品取得的巨大成功，投射式电容屏开始了喷井式的发展，迅速取代电阻式触摸屏，成为现在市场的主流触控技术。




       
3、红外线式触摸屏
红外触摸屏是利用X，Y方向上密布的红外线矩阵来检测并定位用户的触摸。红外触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外线发射管和红外接收管，一一对应成横竖交叉的红外矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，据此可以判断出触摸点在屏幕的位置。红外线式触摸屏具有透光率高、不受电流、电压和静电的干扰、触控稳定性高等优点，但是红外触摸屏会受环境光线的变化、会受到遥控器、高温物体、白炽灯等红外源的影响，而降低它的准确度。早期红外触摸屏出现于1992年，分辨率只有32×32，易受环境干扰而误动作，而且要求在一定的遮光环境中使用。
经过20年的发展，目前先进的红外线式触摸屏在正常工作环境下寿命大于7年，在跟踪手指移动轨迹的时候，精度、平滑度和跟踪速度都可以满足要求，用户的书写可以十分流畅地转换成图像轨迹，完全支持手写识别输入。红外式触摸屏主要应用于无红外线和强光干扰的各类公共场所、办公室以及要求不是非常精密的工业控制场所。
4、声波式触摸屏
表面声波式触摸屏
表面声波式触摸屏是通过声波来定位的触控技术。在触摸屏的四角，分别粘贴了X方向和Y方向的发射和接收声波的传感器，四周则刻有45°的反射条纹。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的位置。
表面声波技术非常稳定，精度非常高，除了一般触摸屏都能响应的X和Y坐标外，还响应其独有的第三轴Z轴坐标，也就是压力轴响应。有了这个功能，每个触摸点就不仅仅是有触摸和无触摸的两个数字开关状态，而是成为能感应力的一个模拟量开关：压力量越大，接收信号波形上的衰减缺口也就越宽越深。
在所有类型的触摸屏中，只有表面声波触摸屏具有感知触摸压力的性能。表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，清晰度较高（分辨率极高），透光率好、高度耐久、抗刮伤性良好、反应灵敏、寿命长，能保持清晰透亮的图像质量，没有漂移，只需安装时一次校正，抗暴力性能好，最适合公共信息查询及办公室、机关单位及环境比较清洁的公共场所使用。
弯曲声波式触摸屏
弯曲声波式触摸屏是基于声音脉冲识别的技术。当物体触碰到触摸屏表面时，传感器将会探测声波的频率，通过将该频率与预先存储在芯片内的标准频率对比，确定触摸点的位置，通过这种方式可以排除衣物、行李、灰尘和昆虫等环境因素引起的错误识别。表面式触摸屏的声波沿着基板表面传播，而弯曲式的声波在基板内部传播，所以弯曲式的抗环境干扰性能优于表面式。目前弯曲式触摸屏一般用于5寸以上的信息亭、金融设备和贩卖机等。
5、光学成像式触摸屏
光学成像式触摸屏是一种利用光来定位的触控技术，在屏幕的四角分别设置发光源和光线捕捉感应器，当物体触碰到触摸屏表面，光线发生变化，触控IC模块分析光线感应器的变化确定触控的位置。光学成像式触摸屏耐久性高，适合在复杂的环境下使用，并且支持多点触控，但是容易受到环境光线、灰尘、昆虫等的影响发生误识别。目前该技术只应用在10英寸以上的桌面监视器、教育/培训等方面。
6、电磁感应式触摸屏
电磁感应式触摸屏的感应器设置在显示屏之后，感应器在显示器表面产生一个电磁区域，电子笔触碰到显示器表面时，感应器可以通过计算电磁的改变来确定触控点的位置。相比于其他触摸屏技术，电磁感应式触摸屏的精确度和分辨率是最高的，耗电量低，更加轻薄，特别适合在战争环境和建筑环境下使用，目前该技术主要应用在美国军方。
其他触摸屏技术目前市场上除了上述触控技术外，还有压力感应式、数字声波导向式、振荡指针式等多种触控技术，一般用于特殊用途。




       
二、触摸屏的发展趋势
1、内嵌式触摸屏结构
目前触摸屏基本都是采用外挂式的结构，这种结构的显示模块和触控模块是两个相对独立的器件，然后通过后端贴合工艺将两个器件整合，但是这种相对独立的外挂式构造会影响产品的厚度，不符合触控显示类产品日益轻薄化的发展趋势。由此产生了内嵌式触摸屏的概念，内嵌式结构将触控模块嵌入显示模块内，使两个模块合为一体，而不再是两个相对独立的器件。相比于传统的外挂式结构，内嵌式结构的优点在于：仅需2层ITO玻璃、材料成本降低、透光度提高、更加轻薄；不需要触摸屏模组与TFT模组的后端贴合，提高良品率；触摸屏组与TFT模组同时生产，减少了模组的运输费用。内嵌式触摸屏又可分为两种：In-cell技术和On-cell技术。
两种技术的定义略有差别，但是原则类似，都是将触摸屏内嵌于液晶模组之中。In-cell技术把触摸屏整合在彩色滤光片下方，由于是将触摸传感器置于液晶面板内部，占据了一部分显示区域，所以牺牲了部分显示效果，而且还使工艺变得复杂，高良率难以实现。On-cell技术是在彩色滤光片上整合触摸屏，不是在液晶面板内部嵌入触摸传感器，只需在彩色滤光片底板与偏光板之间形成简单的透明电极即可，降低了技术难度。On-cell的主要挑战是显示器耦合到感测层的杂讯数量，触控屏幕元件必须运用精密的算法来处理这种杂讯。On-cell技术提供将触摸屏整合到显示器的所有好处，例如使触控面板更加轻薄与大幅降低成本等优点，但整体系统成本降低的幅度仍然远远不及Incell技术。内嵌式的概念最先由TMD在2003年提出，随后Sharp、Samsung、AUO、LG等公司相继提出此概念，并相继公布了一些研究成果，但是由于技术问题，都没有能够实现商业化。内嵌式触摸屏已经有近10年的发展时间，目前距实现商业化仍有一定的距离，但是内嵌式触摸屏代表作未来触摸屏的发展方向，积极储备内嵌式技术的厂家会在今后的市场竞争中处于相对有利的位置。
2、多点触控技术
2007年苹果公司通过投射式电容技术实现的多点触控功能，该功能提供了前所未有的用户体验，体现了与当时其他触控技术的不同，使多点触控技术成为市场的潮流。目前多点触控技术已经从开始的仅可以实现两指缩放、三指滚动以及四指拨移，发展到能够支持5点以上的触控识别和多重输入方式等，今后多点触控技术将向实现更细致的屏幕物件操控用和更具自由度的方向发展。
3、混合式触控技术
目前虽然触控技术类型众多，但每种技术都各有利弊，没有一种技术是完美的。近年来有人开始提出混合式触控技术的概念，即在一块触控面上采用两种或者两种以上的触控识别技术，达到多种触控技术之间实现优劣互补的目的。目前已经研发出基于电容式和电阻式的混合式触摸屏，该触摸屏可以通过手写笔和手指操作、支持多点触控等，显著提高触摸屏的识别效率。
随着用户对触控技术要求的不断提高，单一的触控技术肯定不能满足人们的需要，所以混合式触控技术必定会成为未来触控技术的发展方向之一。
4、触觉反馈技术
触控显示技术的不断发展给人们带来便捷的操作方式和良好的视觉效果同时，却忽略触摸操作时给用户一个触觉反馈。目前触觉反馈技术研究不多，美国的Immersion公司推出名叫“Forcefeedback”的触觉反馈技术，该技术是利用机械马达产生振动或者运动，它可以模拟跳动、物体掉落和阻尼运动等触觉效果，也是目前使用较多的触觉反馈技术。Senseg公司的“E-sense”技术采用的是生物电场的原理产生一个触觉反馈。开发出更加逼真的触觉反馈技术，可以给用户带来新的触控体验，因此触觉反馈技术也是今后触控技术发展的一个方向。