电容式触摸屏输入技术在便携应用中前景广阔

　　本文比较了电阻式、“外表面”电容式、“内表面”电容式触摸屏的原理及特点，指出“内表面”电容式触摸屏机械结构更简单、透光率更高、生产成本更有优势，在便携应用中前景广阔

　　早在1971年，Samuel C. Hurst博士就提出了电子触摸界面的设想，至1974开始出现最早的触摸屏。从早期的相关专利来看，它们都是着眼于检测压力的电阻式技术。渐渐地，诸如电容式、声表面波技术还有红外波束遮断等其他技术出现，并且都在各自的应用领域内找到了一席之地。

　　电阻式触摸屏在成本敏感的消费类应用中，尤其是使用小型触摸屏的便携式设备，仍占据统治地位。声表面波以及红外型触摸屏用于这些场合明显太过昂贵，而传统的电容式技术又备受长期稳定性不佳、易受潮湿侵蚀、不耐磨损以及由于EMC或其他外界因素导致的误动作等一系列缺点的困扰。但电阻式触摸屏也有其局限性，而且电容式技术也在不断进步，特别是那些以电荷转移感测方法为基础的技术，将会给电子及电气产品设计师实现触摸屏的方式带来巨大的变化。

　　电阻式触摸屏

　　从图1所示的电阻式触摸屏的典型结构中，就能看出其叠层结构很复杂。触摸屏朝向用户一侧的表面，我们可以称之为外表面，必须覆盖上由抗刮擦层保护并由许多微小的点隔开的导电和电阻层--这就需要至少四层材料。另外，有时还需要抗反光层以补偿光在导电和电阻层之间的间隙中的折射带来的不期望的反射。

　　触摸的压力使得由铟锡氧化物(ITO)构成的触摸屏的导电和电阻层之间产生电气接触。这种技术已经非常成熟，以至于有的制造商宣称其产品上任意一点都可以承受3000万次以上的触压。

　　图1 电阻式触摸屏的典型结构

　　对于电阻式触摸屏更为严格的审视可以揭露出其真正的局限性。构成屏幕的多层结构和各种材料会严重阻碍光线的透射。实际上，最好的电阻式触摸屏的透射率也只能达到75%的水平。如果将从屏幕后方投射过来的背光加大到一个相对较高的水平，透光率较低也就算不上什么大问题，但这样做会有额外的功耗，需要更大的电池或缩短便携设备在两次充电之间的使用时间。更高功率的背光照明意味着要由更大功率的LED或EL照明灯来产生，也意味着更高的成本。电阻式触摸屏覆盖在屏幕外表面，很容易遭到损坏。如果用合适的压力以适当的角度接触屏幕，其使用寿命的确会很长，但现实中却并非如此。实际上，电阻式触摸屏(尤其是低成本类型)在大多数家用以及工业环境中磨损的非常快，而在需要定期清洁的场合中(例如医疗设备或厨房家电之类的场合)磨损的就更快。整个组件必须有一个顶部压框来保护屏幕的边缘，而这又需要进行密封以防止玷污，这就意味着需要在设备面板上打孔。听起来这没什么大不了的，但打孔以及安装压框会使得整个组件的成本翻番。由于电阻式触摸屏必须依靠物理压力才能工作，也就是说磨损是不可避免的。

　　“外表面”电容式触摸屏

　　最近几年，在显示器外表面采用ITO层的电容式触摸屏已经出现，但由于受结构和驱动成本的限制，仅限于在诸如信息亭或游戏机这样的大屏幕上采用。尽管任何电容式触摸屏消除了机械运动问题，许多早期的实现方案仍需要两层ITO，因而光的吸收问题依然存在。如果这些薄膜安装到屏幕的内表面，则容易受到人手阴影效应的影响，因为用户意图触及的区域之外，如人手下方及其周围的区域会产生足够大的电容，从而引发严重的定位报告错误。均匀沉积的ITO还会导致图2所示的枕形失真，这通常要由低阻抗的边缘图案来校正。如果不采用这种边缘图案，就需要采用复杂的6阶补偿算法并耗费相应的运算能力。由于ITO不耐刮擦，外表面的覆盖层还是很容易被损坏。这些类型的触摸屏还需要在其面板上开窗，以便于接触到其表面，而这又使得必须采用压框以及相应的密封措施，同时也带来了相应的成本。

　　图2 枕形失真

　　“内表面”电容式触摸屏

　　“内表面”电容式触摸屏仅需要单个ITO层。成本与电阻式触摸屏相当的内表面电容式触摸屏的开发是一个突破性的成就，它也许能使小型电阻式触摸屏成为历史。它具有更高的透光率、组装更简单和廉价的优点，即使在最恶劣的环境中也具有稳定的性能，而且理论上其使用寿命是无限的，还能通过软件针对不同的应用程序和语言对显示器进行定制。图3给出了量研公司的QField显示器的典型结构，在显示面板的背面就是内表面，覆以单个ITO层。

　　正如图3所示，内表面电容式触摸屏的机械结构极大地简化了。单层ITO被印制到透明塑料(PET)膜上，再用透明黏合剂将此印好的塑料膜粘到显示器的玻璃或塑料前面板的内表面上。ITO膜是以一种能以高精度定位前面板上的触碰且没有人手阴影效应的特殊图案印制的。一种可行的选择是各向异性图案，实际上就是一组由间隙分隔的水平导体条。这种图案能消除一个轴上的枕形失真，从而使得用固化在QField芯片中的二阶算法消除其他轴上的枕形失真变得相对简单。LCD显示器或其他图形设备安装在ITO层之后。由于前面板上没有开孔，也不需要压框和密封措施，同时减少了一个昂贵的ITO层，因而也就节约了成本。内表面触摸屏由前面板提供全面的防护，因为没有机械运动，所以免除了磨损的可能。

　　图3 内表面电容式触摸屏的机械结构

　　因为只需要单个ITO层，并且没有两层薄膜之间的气隙，这种触摸屏的透光率一般接近90%。透光率的实质性改善，加上对比度的增加意味着可以采纳低功耗、廉价的背光系统、具有更长的电池寿命或可以使用更小、更便宜的电池无疑将增加更多的吸引力。触摸屏在其边缘周围与载有QField芯片和少量相关无源元件的印制板进行连接。可以根据需要对多种连接方法进行灵活选择。

　　这种技术赋予我们更多的自由来创造令人赏心悦目的用户界面--与外表面触摸屏相比，该技术对物理设计的限制比先前大大减少。前面板最大厚度可以达到5mm，并且甚至无须是平坦的，这种技术在弯曲的表面上同样能正常工作。

　　“内表面”电容式触摸屏工作原理

　　QField传感器芯片驱动电荷脉冲通过ITO图案。ITO层通过显示器的前面板向外送出电场，而当手指接近时电荷图案会受到扰动。通过测量从ITO膜的四角收集到的或送出的电荷的改变就能检测到手指的位置，然后再使用算法来将信号处理成XY坐标。这种技术亦称电荷转移感测技术，它还被量研公司广泛地用于触摸按键、滑动条或滚轮传感器控制。分辨率为256×256、响应时间为20ms的样品已经在触摸屏实现中进行了实际演示。

　　这种技术消除了电阻式和早期电容式触摸屏中所有明显的限制。由于控制芯片能补偿漂移因而克服了老化和环境变化带来的校准偏离。困扰着早期电容式触摸屏显示器表面的玷污积存也不再是问题了。使用突发间隔很长的随机脉冲进行扩频充电的方法极大地降低了功耗、射频辐射以及电气干扰敏感性。另外，由于在薄膜层Y轴上采用多点连接，从而在空间上隔离了由触点处人手阴影形成的电容元件，人手阴影效应也被消除了。

　　QField触摸屏方案更进一步的优点就是非常低的功耗。这种技术采用的ITO阻抗达数百千欧大大降低了电流水平以及功耗。移动电话中的典型显示器的功耗小于100μW，并且即便不扣除开孔和压框的成本，整个触摸屏解决方案的成本在量产时都可以降低到3美元左右。

　　QField触摸屏应用

　　QField触摸屏目前正被世界上最大的移动电话制造商进行评估，但其潜在应用要广阔得多。它同样适用于家用电器、自动控制设备面板以及像医疗设备这样需要擦拭清洁的应用场合。当需要在LCD显示器上实现可重配置按键，或在传感器容易受到破坏的环境中它就是理想的解决方案。例如，它完全可能用来制造防弹传感面板，像取款机或其他安全应用。

　　一家名为Colorado vNet的美国公司使用QField技术设计了最新的调光控制器，来为其产品实现易于定制的面板。此调光器，如图4所示，实现了可重配置的基于多种图案的电容式触摸按钮，提供了最大限度的灵活性与用户定制能力。每一个按钮可以控制任意数量的动作，并且甚至能重新编程来以不同方式响应短暂的轻拍与长时间的按压。这就是说，例如，灯光开关按钮可以用来调节灯光的明暗，从而不再需要额外的按钮。这种面板非常具有吸引力、耐用、而且对于儿童是安全的。

　　图4 使用QField技术设计的调光控制器

　　QField技术目前还无法对尖锐物体的接触做出反应，这是由于这样的接触不能产生可测量到的电荷水平的改变。然而，笔式输入也有其固有的缺点，到目前为止，对于基于菜单的应用和手写识别而言，手指触摸输入设备的市场都要大一些。

　　触摸屏的市场形势正在急剧变化。在今后的两年中，内表面电容式感测技术有望明显侵占电阻式触摸屏的市场，并且在今后5～10年中赶上老式技术的市场占有率。