電阻、電容觸摸屏原理以及基礎知識的全解析

     現在最主要的幾種觸摸屏：電阻式（雙層）觸摸屏，表面電容式以及感應電容式，表面聲波式、紅外式，以及彎曲波式、有源數字轉換器式和光學成像式。然而它們又可以分之為兩類，一類則是需要ITO,比如前面的三種觸摸屏，另一類的結構之中是不需要ITO的, 比如說后幾種類型的屏。目前的市場上，使用ITO材料的電阻式觸摸屏以及電容式觸摸屏應用是最為廣泛的。
    觸摸屏在我們的身邊已經是隨處可見了，在PDA等等個人便攜式的設備領域中，觸摸屏不僅節省了空間、便于攜帶，還有更好的人機交互性。
電阻式的觸摸屏
    ITO 是銦錫氧化物的英文縮寫，它其實是一種透明的導電體。它通過調整銦和錫的比例、沉積方法，、氧化程度以及晶粒的大小可以調整這一種物質的性能。薄的ITO材料透明性很好，但是其阻抗高；較厚的ITO材料阻抗比較低，但是它的透明性會變差。在PET聚脂薄膜上沉積的時候，反應溫度要下降到150℃以下，這就會導致ITO的氧化不完全，在之后的應用之中ITO會暴露在空氣或者空氣隔層里，它單位的面積阻抗會因為自氧化而隨時間來變化。這就使得電阻式觸摸屏需要經常的進行校正。

     圖一顯示的是電阻觸摸屏的一個側面剖視圖。其手指所觸摸的表面實際是一個硬涂層，用來保護下面的PET層。PET層是很薄且有彈性的PET薄膜，當其表面在被觸摸時它會向下彎曲，并且使得下面的兩層ITO涂層都能夠相互接觸并在該點上連通電路。兩個ITO層之間是約千分之一英寸厚的一些隔離支點使得兩層分開。最下面是一個透明的硬底層，是用來支撐上面的結構，通常材料用的是玻璃或者塑料。
    電阻觸摸屏的多層結構是會導致有很大的光損失，對于手持設備通常都需要加大其背光源來彌補透光性不好的問題，但是這樣也會增加其電池的消耗。電阻式觸摸屏的優點就是在于它的屏和控制系統都比較便宜，反應靈敏度也比較好。
電容式觸摸屏
    電容式的觸摸屏也是需要使用ITO材料的，而且它的功耗比較低壽命也長，但是較高的成本一直使它之前不太受到關注。Apple所推出的iPhone提供的友好人機界面，流暢的操作性能使得電容式觸摸屏受到了當前市場的追捧，各種電容式觸摸屏的產品紛紛面世。而且隨著工藝的進步以及批量化，它的成本也在不斷的下降，開始顯現出逐步取代電阻式觸摸屏的趨勢了。

     表面電容觸摸屏只是采用單層的ITO，當手指觸摸到屏的表面時，就會有一定量的電荷轉移到人體了。為了恢復這些電荷損失，電荷再從屏幕的四角補充進來，各方向補充的電荷量和觸摸點的距離成比例，我們可以由此來推算出觸摸點的具體位置。
    表面電容的ITO涂層通常都需要在屏幕的周邊加上線性化的金屬電極，來減小其角落/邊緣效應對于電場的影響。有時ITO涂層下面還可能會有一個ITO的屏蔽層，用來阻隔噪音。表面電容觸摸屏至少需要校正一次后才能使用。
    感應電容觸摸屏和表面電容觸摸屏相比，它可以穿透較厚的覆蓋層，而且也不需要校正。感應電容式在兩層的ITO涂層上蝕刻出不同的ITO模塊，需要考慮到模塊的總阻抗、模塊之間連接線的阻抗、兩層ITO模塊交叉處所產生的寄生電容等等因素。而且為了檢測到手指觸摸，ITO模塊的面積也應該要比手指面積小，當采用菱形圖案時，對角線長通常是控制在4到6毫米左右。

     在圖三之中，綠色和藍色的ITO模塊是位于兩層ITO涂層上面的，可以把它們看作是X和Y方向連續變化的滑條，需要對X以及Y方向上不同的ITO模塊分別掃描以獲得觸摸點的位置以及觸摸的軌跡。兩層ITO涂層之間是PET或者玻璃隔離層，后者的透光性更好，可以承受住更大的壓力，成品率更加高，而且通過特殊工藝是可以直接鍍在LCD表面的，不過也重一些。這層隔離層越薄，其透光性越好，但是兩層ITO之間的寄生電容也就越大。
    感應電容觸摸屏所檢測到的觸摸位置對應于感應到最大電容變化值的交叉點，對于X軸或者Y軸來說，則是對不同ITO模塊的信號量取加權平均得到位置量，系統然后在觸摸屏下面的LCD上顯示出觸摸點以及軌跡。
    當有兩個手指觸摸（紅色的兩點）時，每一個軸上都會有兩個最大值，這時存在兩種可能的組合，系統就無法去準確定位判斷了，這就是我們通常所稱的鏡像點（藍色的兩點）。
另外，在觸摸屏的下面是LCD顯示屏，它的表面也是會傳導性的，這樣就會和靠近的ITO涂層的ITO模塊產生出寄生電容，我們通常還需要在這兩層之間保留一定的空氣層以降低寄生電容的影響度。
 
電容觸摸屏優勢
     在觸摸屏產品的設計之中，需要對于性能以及成本來進行權衡。電阻觸摸屏的成本較低，競爭就很激烈，而且在性能以及應用場合上都有一定局限性。
    1. 電容觸摸屏只是需要觸摸，而不需要壓力來產生出信號。
    2. 電容觸摸屏在生產之后只需要到一次或者完全不需要校正，而電阻技術則需要常規的校正。
    3. 電容方案的使用壽命也會長些，因為電容觸摸屏之中的部件不需任何移動。電阻觸摸屏中，上層的ITO薄膜需要達到足夠薄才能夠有彈性，以便向下彎曲接觸到下面的ITO薄膜。
    4. 電容技術在光損失以及系統功耗上要優于電阻技術。
    5. 選擇電容技術還是電阻技術主要是取決于觸碰屏幕的物體。如果說是手指觸碰，電容觸摸屏是一個比較好的選擇。如果是需要觸筆，不管是塑料還是金屬的，電阻觸摸屏是可以勝任的。電容觸摸屏也是可以使用觸筆，但是需要特制的觸筆來進行配合。
    6. 表面電容式可以用于大尺寸的觸摸屏，并且其成本也較低，但是目前無法支持手勢識別；感應電容式主要是用于中小尺寸的觸摸屏，并且還可以支持手勢識別。
    7. 電容式技術耐磨損、壽命長，用戶使用時的維護成本低，因此生產廠家的整體運營費用可以被進一步的降低。
電容式觸摸屏的發展趨勢
    電容觸摸屏現在已經是應用在了iPhone以及其它手持設備上，定位單點軌跡 / 模擬鼠標雙擊是它最基本的功能，而對于多手指手勢操作的識別和應用成為了當前市場的熱點。在便攜式的應用中，用戶一手拿著設備，只能夠用另一只手操作，因此識別多手指的抓取 / 平移, 伸展 / 壓縮, 旋轉, 翻頁等手勢操作就顯得尤為重要了。