引言
近幾年來(lái)手機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異,,隨著手機(jī)觸摸屏技術(shù)的不斷發(fā)展,,使我們?cè)诓僮魇謾C(jī)方面的體驗(yàn)產(chǎn)生諸多變化,。早期觸摸屏是以一個(gè)高端的形態(tài)出現(xiàn),1999 年摩托羅拉A6188 機(jī)型的出現(xiàn)徹底改變了大家對(duì)手機(jī)操作的觀念,,更重要的是手寫技術(shù)被引入手機(jī)領(lǐng)域,,觸摸屏越來(lái)越多地被用在手機(jī)上。蘋果的iPhONe 出現(xiàn)后,,又打破了這一傳統(tǒng)觀念,,多指觸摸技術(shù)的發(fā)展,讓觸摸屏的應(yīng)用一下子被拉到了一個(gè)全新的領(lǐng)域,。
1 傳統(tǒng)四線電阻式觸摸屏技術(shù)
早期手機(jī)觸摸屏技術(shù),,如前面提到的摩托羅拉A6188 手機(jī)是采用傳統(tǒng)的“模擬四線電阻式觸摸屏”技術(shù),這種觸摸屏由兩層涂有透明導(dǎo)電物質(zhì)的玻璃和塑料構(gòu)成,,手指觸摸的表面是一個(gè)硬涂層,,用以保護(hù)下面的PET(聚脂薄膜)層,在表面保護(hù)硬涂層和玻璃底層之間有兩層透明導(dǎo)電層ITO(氧化銦,,弱導(dǎo)電體),,分別對(duì)應(yīng)X、Y 軸,,它們之間用細(xì)微透明的絕緣顆粒絕緣,,如圖1 所示。
觸摸產(chǎn)生的壓力會(huì)使兩導(dǎo)電層接通,按壓不同的點(diǎn)時(shí),,該點(diǎn)到輸出端的電阻值也不同,,因此會(huì)輸出與該點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)(模擬量),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后即可獲取X,、Y 的坐標(biāo)值,,如圖2 所示。這就是電阻技術(shù)觸摸屏的最基本原理,,此類技術(shù)目前已經(jīng)成熟,,因?yàn)閮r(jià)格低、易于生產(chǎn),,現(xiàn)在還用于低端的手機(jī)中,。
2 純平電阻式(TOUCH LENS)技術(shù)
傳統(tǒng)的手機(jī)電阻觸摸屏與手機(jī)機(jī)殼裝在一起,是有凹凸面的,,結(jié)構(gòu)不密封?,F(xiàn)在市場(chǎng)上具體應(yīng)用得比較前端的是采用TOUCH LENS 技術(shù)的一種觸摸屏,中文俗稱為“鏡面式觸摸屏”,、“純平觸摸屏”等,現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,,以蘋果iPhone 為主要推動(dòng)力量,,它分為電阻式和電容式,iPhone 就是用電容式技術(shù)的,,此前市場(chǎng)上應(yīng)用比較多的是電阻式,,其工作原理同傳統(tǒng)電阻式觸摸屏一樣,結(jié)構(gòu)如圖3 所示,,圖4所示為從手機(jī)屏幕面所看到的一個(gè)純平效果的例子,。
TOUCH LENS 的主要特點(diǎn):(1) 觸摸面板與手機(jī)機(jī)殼表面完全平整、結(jié)構(gòu)密封,、防灰塵,;(2)能加工不規(guī)則形狀,以將手機(jī)外觀設(shè)計(jì)得更美觀,;(3)手寫順滑,、手感舒服,屏面清潔,、外觀漂亮,,材質(zhì)過(guò)硬,不容易破碎,;(4)因?yàn)樯舷码姌O層都是膜結(jié)構(gòu),,厚度比傳統(tǒng)觸摸屏更薄,對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)頗具優(yōu)勢(shì)。
3 觸摸屏多點(diǎn)觸控技術(shù)的發(fā)展
3.1 電阻式多點(diǎn)觸摸屏(Multi -touchresiSTive screen)技術(shù)
不管是傳統(tǒng)的四線電阻式觸摸屏還是TOUCHLENS 結(jié)構(gòu),,以上手機(jī)只能單點(diǎn)觸摸,,不能滿足豐富的觸摸動(dòng)作體驗(yàn),火熱的多點(diǎn)觸摸技術(shù)促使電阻式觸摸屏的進(jìn)一步發(fā)展,。在電容屏大行其道的今天,,電阻式觸摸屏解決方案以其固有的簡(jiǎn)單、低成本,,支持多種輸入介質(zhì)(導(dǎo)體,、非導(dǎo)體)的優(yōu)點(diǎn)仍然占據(jù)市場(chǎng)的一席之地,和電容式觸摸屏解決方案相比,,耐久性和多點(diǎn)觸摸是電阻屏的兩大軟肋,,但是目前其中的一個(gè)技術(shù)難題---多點(diǎn)觸摸,已經(jīng)有所突破,,下面對(duì)目前電阻屏多點(diǎn)觸摸應(yīng)用進(jìn)行闡述,。
當(dāng)前電阻式多點(diǎn)觸摸技術(shù)可大致分為數(shù)字矩陣電阻DMR、模擬矩陣電阻AMR 及五線多點(diǎn)電阻MF 三類,。
3.2 模擬矩陣電阻AMR 技術(shù)
如圖5 所示,,AMR 是沿X 與Y 兩個(gè)方向在ITO層蝕刻出一條一條平行排列的區(qū)塊,相當(dāng)于將整個(gè)觸摸屏劃分成很多小矩陣區(qū)塊,,每個(gè)小矩陣相當(dāng)于一個(gè)小的模擬四線電阻式觸摸屏,,各個(gè)區(qū)塊彼此獨(dú)立。如圖6 所示,,當(dāng)手指按壓到對(duì)應(yīng)的區(qū)塊時(shí),,區(qū)塊就會(huì)傳出對(duì)應(yīng)比例的電壓,控制器接收到電壓后再將其翻譯成坐標(biāo)信息,。
圖5 給出了利用四線式電阻觸摸屏實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸技術(shù)的方法:第一個(gè)時(shí)刻,,在X1 電極上加上電壓,由Y1,、Y2,、Y3 電極讀取A、B,、C 觸摸單元所探測(cè)到的X 坐標(biāo),;同理,在以后的各個(gè)時(shí)刻依次讀取剩余觸摸單元的X 坐標(biāo),。獲得所有觸摸單元的X 坐標(biāo)后,,再依次給Y 電極加上電壓,以獲得各個(gè)觸摸單元的Y 坐標(biāo),。
模擬矩陣電阻AMR 與純數(shù)字的DMR 技術(shù)多點(diǎn)觸摸屏系統(tǒng)不同,,AMR 是一個(gè)數(shù)字模擬混合系統(tǒng),,因此,在掃描電路,、AD 轉(zhuǎn)換電路,、控制電路的基礎(chǔ)上,還需添加各種輔助元件來(lái)減小外界噪聲對(duì)模擬電路的干擾,。特別是對(duì)于AD 轉(zhuǎn)換,,為了提高轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)度,有必要在硬件電路上添加下拉電阻,,以避免無(wú)觸摸發(fā)生時(shí)AD 輸入端浮接的現(xiàn)象,。
控制電路將控制掃描電路生成恰當(dāng)?shù)膾呙栊盘?hào),并使得AD 轉(zhuǎn)換電路在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換,。對(duì)于AD 轉(zhuǎn)換電路,,可以在串行轉(zhuǎn)換和并行轉(zhuǎn)換間做取舍。串行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,需要的AD 模塊數(shù)量少,,但是總的轉(zhuǎn)換頻率低;并行轉(zhuǎn)換需要的AD 模塊數(shù)量稍多,,但總的轉(zhuǎn)換頻率可以得到提高,。
于是基本電路構(gòu)架便可以分為串行和并行兩種,如圖7 所示,。值得注意的是,,圖6 僅表現(xiàn)了坐標(biāo)采集轉(zhuǎn)換電路的基本原理和結(jié)構(gòu),并沒(méi)有畫出為減小各種電器噪聲而添加的元件,,如AD 的下拉電阻、濾波電容等,。
3.3 數(shù)字矩陣電阻DMR 技術(shù)
原理上,,DMR 是將觸控面板上下層劃分成許多很小的區(qū)塊,當(dāng)某一區(qū)塊被碰觸,,這一區(qū)塊就會(huì)被啟動(dòng)開(kāi)關(guān),,此時(shí)線路會(huì)發(fā)出指示開(kāi)關(guān)的數(shù)字訊號(hào)傳給控制器,控制器便能計(jì)算出觸碰位置的坐標(biāo),。
如圖8 所示,,8×8 數(shù)字電阻觸摸屏, 基于Altera 解決方案[1]:它采用兩層ITO 分別作為水平的sensing line(觸摸感測(cè)線)和垂直的driving line(加電驅(qū)動(dòng)線),,driving line 和sensing line 之間的觸點(diǎn)就相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān),,在未接觸時(shí),它們之間是絕緣的,,而接觸發(fā)生后,,兩者發(fā)生短路,,相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。驅(qū)動(dòng)的時(shí)候,,其中sensing line 通常由一個(gè)上拉電阻施加高電平,,同時(shí)在driving line 上以一定頻率依次在各列中施加負(fù)脈沖電壓,這樣當(dāng)掃描到觸點(diǎn)所在的那一列時(shí),,由于觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)閉合,,形成直流通路,使得觸點(diǎn)所在行的電壓被拉低,,形成一個(gè)負(fù)脈沖,,這樣就檢測(cè)到了觸點(diǎn)的位置。由于driving line 是依次掃描,,所以可以檢測(cè)到多個(gè)觸點(diǎn)的位置,。
圖8 觸摸解碼的工作模式
數(shù)字矩陣電阻DMR 其實(shí)就是一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)格,由于各個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)彼此獨(dú)立識(shí)別,,所以互不干擾,,可以實(shí)現(xiàn)真正意義上任意多點(diǎn)的多點(diǎn)觸摸。橫向數(shù)據(jù)的并行寫入以及不需要AD 轉(zhuǎn)換,,極大地提高了觸摸屏的工作速度,。但是,數(shù)字矩陣電阻DMR 需要眾多的電極和端口,,導(dǎo)致其成本遠(yuǎn)高于模擬矩陣電阻AMR,,故僅適用于對(duì)系統(tǒng)可靠性和工作速度有特別要求的應(yīng)用場(chǎng)合。
3.4 五線多點(diǎn)電阻MF 技術(shù)
無(wú)論是AMR 還是DMR,,只要上層的導(dǎo)電薄膜被劃傷,,整個(gè)觸摸屏就會(huì)無(wú)法正常使用。傳統(tǒng)五線電阻屏,,只有下導(dǎo)電層是電壓分布層,,上導(dǎo)電層只是電壓檢測(cè)層,所以對(duì)上導(dǎo)電層的電阻均勻性沒(méi)有嚴(yán)格的要求,,不存在真實(shí)坐標(biāo),,耐受性較高。工作時(shí)在下導(dǎo)電層的四個(gè)角上加電壓,,這樣就可以在下導(dǎo)電層X(jué) 和Y 兩個(gè)方向產(chǎn)生均勻電壓場(chǎng)分布,,如圖9(a)所示,當(dāng)有觸摸時(shí),,通過(guò)上導(dǎo)電層檢測(cè)接觸點(diǎn)電壓,,然后傳送給控制器轉(zhuǎn)換為觸摸點(diǎn)X 和Y方向的坐標(biāo)。
傳統(tǒng)五線電阻屏的優(yōu)點(diǎn):(1)上導(dǎo)電層電阻均勻性要求較低,;(2)上導(dǎo)電層只做檢測(cè)作用,,損傷后只要導(dǎo)通即可使用,,點(diǎn)擊、劃線壽命大大優(yōu)于四線屏(例如:點(diǎn)擊:四線100 萬(wàn)次,,五線500 萬(wàn)次,;劃線:
四線10 萬(wàn)次,五線50 萬(wàn)次),;(3)只在下導(dǎo)電層完成X,、Y 坐標(biāo)的檢測(cè),定位更加準(zhǔn)確,。缺點(diǎn):(1)從四角加電壓,,容易產(chǎn)生枕形失真;(2)由于補(bǔ)償電極的設(shè)計(jì),,邊框不可能做得很窄,,因此目前一般只在中大尺寸屏上應(yīng)用,在手機(jī)上應(yīng)用很少,。
MF 除了具有傳統(tǒng)五線屏的所有優(yōu)點(diǎn)之外,,還有本身的一些特點(diǎn),如圖9(b)所示:(1)采用分段電極設(shè)計(jì),,取代原來(lái)的補(bǔ)償電極設(shè)計(jì),,使用金屬走線代替印刷銀線,邊框可以做得較窄,,適合在各種尺寸上應(yīng)用,;(2) 通過(guò)在上導(dǎo)電層進(jìn)行分塊可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸摸,支持手寫輸入,;(3)具有和四線電阻屏同樣優(yōu)秀的線性,。
MF 需要在Glass 上進(jìn)行一次ITO 和金屬的濺射和蝕刻(Metal sputtering and etching),因此價(jià)格比四線電阻屏要高,。電容屏(Cypress)需要濺射兩層二氧化硅,、兩層ITO 和一層金屬,然后蝕刻,,后續(xù)都要進(jìn)行一定的加工,因此電容屏的價(jià)格要比多點(diǎn)觸摸電阻屏高出30~40%.MF 因?yàn)槭嵌嚯姌O引出,,邊框不可能非常窄,,現(xiàn)階段可以做到最內(nèi)側(cè)金屬電極到屏邊界2.3mm,還可進(jìn)一步窄化,。另外,,其上導(dǎo)電層分塊之間的間隙會(huì)影響外觀,目前已經(jīng)可以將間隙做到30μm 以下,,只有特殊角度才可以看得到,,并且該間隙對(duì)使用沒(méi)有任何影響,。
目前致力于電阻式多點(diǎn)觸摸解決方案的公司除了Altera,還有Stantum,、Touchco,、Samsung等,成本低是它的最大優(yōu)勢(shì),,如果能在精確度和可靠性上更進(jìn)一步,,相信電阻式觸摸屏?xí)芮嗖A。
4 結(jié)論
多點(diǎn)觸摸技術(shù)的操作方式把我們帶進(jìn)了一個(gè)人機(jī)交互的新紀(jì)元,,尤其是手機(jī)的操作理念正經(jīng)歷著一場(chǎng)革命,。新的觸摸屏技術(shù)正向著更簡(jiǎn)單、更直觀,、更人性化的方向發(fā)展,,用觸控式的屏幕虛擬鍵盤替代傳統(tǒng)實(shí)體鍵盤可以節(jié)約手持設(shè)備寶貴的體積空間,并且可以在不需要使用鍵盤應(yīng)用(如電影播放)時(shí)獲得更大的可視空間,。同時(shí),,省去了鍵盤也可以大大簡(jiǎn)化廠家的生產(chǎn)工藝,減少材料的浪費(fèi),。未來(lái)是一個(gè)觸摸的時(shí)代,,多點(diǎn)觸摸技術(shù)將會(huì)帶給人更多的欣喜和體驗(yàn)。