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各種觸摸屏的原理
發布時間:2017-05-25來源:fuyugd
 

 為了操作上的方便,人們用觸摸屏來代替鼠標或鍵盤。工作時,我們必須首先用手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏,然后系統根據手指觸摸的圖標或菜單位置來定位選擇信息輸入。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成;觸摸檢測部件安裝在顯示器屏幕前面,用于檢測用戶觸摸位置,接受后送觸摸屏控制器;而觸摸屏控制器的主要作用是從觸摸點檢測裝置上接收觸摸信息,并將它轉換成觸點坐標,再送給CPU,它同時能接收CPU發來的命令并加以執行。

  觸摸屏的主要類型

  按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質,我們把觸摸屏分為四種,它們分別為電阻式、電容感應式、紅外線式以及表面聲波式。每一類觸摸屏都有其各自的優缺點,要了解那種觸摸屏適用于那種場合,關鍵就在于要懂得每一類觸摸屏技術的工作原理和特點。下面對上述的各種類型的觸摸屏進行簡要介紹一下:

  1 電阻式觸摸屏

  這種觸摸屏利用壓力感應進行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏,這是一種多層的復合薄膜,它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層,表面涂有一層透明氧化金屬(透明的導電電阻)導電層,上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層、它的內表面也涂有一層涂層、在他們之間有許多細小的(小于1/1000英寸)的透明隔離點把兩層導電層隔開絕緣。 當手指觸摸屏幕時,兩層導電層在觸摸點位置就有了接觸,電阻發生變化,在XY兩個方向上產生信號,然后送觸摸屏控制器。控制器偵測到這一接觸并計算出(XY)的位置,再根據模擬鼠標的方式運作。這就是電阻技術觸摸屏的最基本的原理。 電阻類觸摸屏的關鍵在于材料科技,常用的透明導電涂層材料有:

  AITO,氧化銦,弱導電體,特性是當厚度降到1800個埃(=10-10)以下時會突然變得透明,透光率為80%,再薄下去透光率反而下降,到300埃厚度時又上升到80%ITO是所有電阻技術觸摸屏及電容技術觸摸屏都用到的主要材料,實際上電阻和電容技術觸摸屏的工作面就是ITO涂層。

  B、鎳金涂層,五線電阻觸摸屏的外層導電層使用的是延展性好的鎳金涂層材料,外導電層由于頻繁觸摸,使用延展性好的鎳金材料目的是為了延長使用壽命,但是工藝成本較為高昂。鎳金導電層雖然延展性好,但是只能作透明導體,不適合作為電阻觸摸屏的工作面,因為它導電率高,而且金屬不易做到厚度非常均勻,不宜作電壓分布層,只能作為探層。

  1.1四線電阻屏

  四線電阻模擬量技術的兩層透明金屬層工作時每層均增加5V恒定電壓:一個豎直方向,一個水平方向。總共需四根電纜。 特點:高解析度,高速傳輸反應。 表面硬度處理,減少擦傷、刮傷及防化學處理。 具有光面及霧面處理。 一次校正,穩定性高,永不漂移。

  1.2五線電阻屏

  五線電阻技術觸摸屏的基層把兩個方向的電壓場通過精密電阻網絡都加在玻璃的導電工作面上,我們可以簡單的理解為兩個方向的電壓場分時工作加在同一工作面上,而外層鎳金導電層只僅僅用來當作純導體,有觸摸后分時檢測內層ITO接觸點X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點的位置。五線電阻觸摸屏內層ITO需四條引線,外層只作導體僅僅一條,觸摸屏得引出線共有5條。 特點:解析度高,高速傳輸反應。 表面硬度高,減少擦傷、刮傷及防化學處理。 同點接觸3000萬次尚可使用。 導電玻璃為基材的介質。 一次校正,穩定性高,永不漂移。 五線電阻觸摸屏有高價位和對環境要求高的缺點

  1. 3電阻屏的局限

  不管是四線電阻觸摸屏還是五線電阻觸摸屏,它們都是一種對外界完全隔離的工作環境,不怕灰塵和水汽,它可以用任何物體來觸摸,可以用來寫字畫畫,比較適合工業控制領域及辦公室內有限人的使用。電阻觸摸屏共同的缺點是因為復合薄膜的外層采用塑膠材料,不知道的人太用力或使用銳器觸摸可能劃傷整個觸摸屏而導致報廢。不過,在限度之內,劃傷只會傷及外導電層,外導電層的劃傷對于五線電阻觸摸屏來說沒有關系,而對四線電阻觸摸屏來說是致命的。

  2 電容式觸摸屏

  2.1電容技術觸摸屏

  是利用人體的電流感應進行工作的。電容式觸摸屏是是一塊四層復合玻璃屏,玻璃屏的內表面和夾層各涂有一層ITO,最外層是一薄層矽土玻璃保護層,夾層ITO涂層作為工作面,四個角上引出四個電極,內層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環境。 當手指觸摸在金屬層上時,由于人體電場,用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容,對于高頻電流來說,電容是直接導體,于是手指從接觸點吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出,并且流經這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比,控制器通過對這四個電流比例的精確計算,得出觸摸點的位置。

  2.2電容觸摸屏的缺陷

  電容觸摸屏的透光率和清晰度優于四線電阻屏,當然還不能和表面聲波屏和五線電阻屏相比。電容屏反光嚴重,而且,電容技術的四層復合觸摸屏對各波長光的透光率不均勻,存在色彩失真的問題,由于光線在各層間的反射,還造成圖像字符的模糊。 電容屏在原理上把人體當作一個電容器元件的一個電極使用,當有導體靠近與夾層ITO工作面之間耦合出足夠量容值的電容時,流走的電流就足夠引起電容屏的誤動作。我們知道,電容值雖然與極間距離成反比,卻與相對面積成正比,并且還與介質的的絕緣系數有關。因此,當較大面積的手掌或手持的導體物靠近電容屏而不是觸摸時就能引起電容屏的誤動作,在潮濕的天氣,這種情況尤為嚴重,手扶住顯示器、手掌靠近顯示器7厘米以內或身體靠近顯示器15厘米以內就能引起電容屏的誤動作。 電容屏的另一個缺點用戴手套的手或手持不導電的物體觸摸時沒有反應,這是因為增加了更為絕緣的介質。 電容屏更主要的缺點是漂移:當環境溫度、濕度改變時,環境電場發生改變時,都會引起電容屏的漂移,造成不準確。例如:開機后顯示器溫度上升會造成漂移:用戶觸摸屏幕的同時另一只手或身體一側靠近顯示器會漂移;電容觸摸屏附近較大的物體搬移后回漂移,你觸摸時如果有人圍過來觀看也會引起漂移;電容屏的漂移原因屬于技術上的先天不足,環境電勢面(包括用戶的身體)雖然與電容觸摸屏離得較遠,卻比手指頭面積大的多,他們直接影響了觸摸位置的測定。此外,理論上許多應該線性的關系實際上卻是非線性,如:體重不同或者手指濕潤程度不同的人吸走的總電流量是不同的,而總電流量的變化和四個分電流量的變化是非線性的關系,電容觸摸屏采用的這種四個角的自定義極坐標系還沒有坐標上的原點,漂移后控制器不能察覺和恢復,而且,4A/D完成后,由四個分流量的值到觸摸點在直角坐標系上的XY坐標值的計算過程復雜。由于沒有原點,電容屏的漂移是累積的,在工作現場也經常需要校準。 電容觸摸屏最外面的矽土保護玻璃防刮擦性很好,但是怕指甲或硬物的敲擊,敲出一個小洞就會傷及夾層ITO,不管是傷及夾層ITO還是安裝運輸過程中傷及內表面ITO層,電容屏就不能正常工作了。

  3、紅外線式觸摸屏

  紅外觸摸屏是利用XY方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框,電路板在屏幕四邊排布紅外發射管和紅外接收管,一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時,手指就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線,因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線而實現觸摸屏操作。 早期觀念上,紅外觸摸屏存在分辨率低、觸摸方式受限制和易受環境干擾而誤動作等技術上的局限,因而一度淡出過市場。此后第二代紅外屏部分解決了抗光干擾的問題,第三代和第四代在提升分辨率和穩定性能上亦有所改進,但都沒有在關鍵指標或綜合性能上有質的飛躍。但是,了解觸摸屏技術的人都知道,紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾,適宜惡劣的環境條件,紅外線技術是觸摸屏產品最終的發展趨勢。采用聲學和其它材料學技術的觸屏都有其難以逾越的屏障,如單一傳感器的受損、老化,觸摸界面怕受污染、破壞性使用,維護繁雜等等問題。紅外線觸摸屏只要真正實現了高穩定性能和高分辨率,必將替代其它技術產品而成為觸摸屏市場主流。 過去的紅外觸摸屏的分辨率由框架中的紅外對管數目決定,因此分辨率較低,市場上主要國內產品為32x3240X32,另外還有說紅外屏對光照環境因素比較敏感,在光照變化較大時會誤判甚至死機。這些正是國外非紅外觸摸屏的國內代理商銷售宣傳的紅外屏的弱點。而最新的技術第五代紅外屏的分辨率取決于紅外對管數目、掃描頻率以及差值算法,分辨率已經達到了1000X720,至于說紅外屏在光照條件下不穩定,從第二代紅外觸摸屏開始,就已經較好的克服了抗光干擾這個弱點。 第五代紅外線觸摸屏是全新一代的智能技術產品,它實現了1000*720高分辨率、多層次自調節和自恢復的硬件適應能力和高度智能化的判別識別,可長時間在各種惡劣環境下任意使用。并且可針對用戶定制擴充功能,如網絡控制、聲感應、人體接近感應、用戶軟件加密保護、紅外數據傳輸等。 原來媒體宣傳的紅外觸摸屏另外一個主要缺點是抗暴性差,其實紅外屏完全可以選用任何客戶認為滿意的防暴玻璃而不會增加太多的成本和影響使用性能,這是其他的觸摸屏所無法效仿的。

  4、表面聲波觸摸屏

  4.1 表面聲波

  表面聲波,超聲波的一種,在介質(例如玻璃或金屬等剛性材料)表面淺層傳播的機械能量波。通過楔形三角基座(根據表面波的波長嚴格設計),可以做到定向、小角度的表面聲波能量發射。表面聲波性能穩定、易于分析,并且在橫波傳遞過程中具有非常尖銳的頻率特性,近年來在無損探傷、造影和退波器方向上應用發展很快,表面聲波相關的理論研究、半導體材料、聲導材料、檢測技術等技術都已經相當成熟。 表面聲波觸摸屏的觸摸屏部分可以是一塊平面、球面或是柱面的玻璃平板,安裝在CRTLEDLCD或是等離子顯示器屏幕的前面。玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發射換能器,右上角則固定了兩個相應的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。

  4.2 表面聲波觸摸屏工作原理

  以右下角的X-軸發射換能器為例: 發射換能器把控制器通過觸摸屏電纜送來的電信號轉化為聲波能量向左方表面傳遞,然后由玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射成向上的均勻面傳遞,聲波能量經過屏體表面,再由上邊的反射條紋聚成向右的線傳播給X-軸的接收換能器,接收換能器將返回的表面聲波能量變為電信號。 當發射換能器發射一個窄脈沖后,聲波能量歷經不同途徑到達接收換能器,走最右邊的最早到達,走最左邊的最晚到達,早到達的和晚到達的這些聲波能量疊加成一個較寬的波形信號,不難看出,接收信號集合了所有在X軸方向歷經長短不同路徑回歸的聲波能量,它們在Y軸走過的路程是相同的,但在X軸上,最遠的比最近的多走了兩倍X軸最大距離。因此這個波形信號的時間軸反映各原始波形疊加前的位置,也就是X軸坐標。 發射信號與接收信號波形 在沒有觸摸的時候,接收信號的波形與參照波形完全一樣。當手指或其它能夠吸收或阻擋聲波能量的物體觸摸屏幕時,X軸途經手指部位向上走的聲波能量被部分吸收,反應在接收波形上即某一時刻位置上波形有一個衰減缺口。 接收波形對應手指擋住部位信號衰減了一個缺口,計算缺口位置即得觸摸坐標 控制器分析到接收信號的衰減并由缺口的位置判定X坐標。之后Y軸同樣的過程判定出觸摸點的Y坐標。除了一般觸摸屏都能響應的XY坐標外,表面聲波觸摸屏還響應第三軸Z軸坐標,也就是能感知用戶觸摸壓力大小值。其原理是由接收信號衰減處的衰減量計算得到。三軸一旦確定,控制器就把它們傳給主機。

  4.3表面聲波觸摸屏特點

  清晰度較高,透光率好。高度耐久,抗刮傷性良好(相對于電阻、電容等有表面度膜)。反應靈敏。不受溫度、濕度等環境因素影響,分辨率高,壽命長(維護良好情況下5000萬次);透光率高(92%),能保持清晰透亮的圖像質量;沒有漂移,只需安裝時一次校正;有第三軸(即壓力軸)響應,目前在公共場所使用較多。 表面聲波屏需要經常維護,因為灰塵,油污甚至飲料的液體沾污在屏的表面,都會阻塞觸摸屏表面的導波槽,使波不能正常發射,或使波形改變而控制器無法正常識別,從而影響觸摸屏的正常使用,用戶需嚴格注意環境衛生。必須經常擦抹屏的表面以保持屏面的光潔,并定期作一次全面徹底擦除。

  表面聲波屏

  聲波屏的三個角分別粘貼著XY方向的發射和接收聲波的換能器(換能器:由特殊陶瓷材料制成的,分為發射換能器和接收換能器。是把控制器通過觸摸屏電纜送來的電信號轉化為聲波能和由反射條紋匯聚成的表面聲波能變為電信號。),四個邊刻著反射表面超聲波的反射條紋。當手指或軟性物體觸摸屏幕,部分聲波能量被吸收,于是改變了接收信號,經過控制器的處理得到觸摸的XY坐標。

  四線電阻屏

  四線電阻屏在表面保護涂層和基層之間覆著兩層透明電導層ITO(ITO:氧化銦,弱導電體,特性是當厚度降到1800個埃(=10-10)以下時會突然變得透明,再薄下去透光率反而下降,到300埃厚度時透光率又上升。是所有電阻屏及電容屏的主要材料。),兩層分別對應XY軸,它門之間用細微透明絕緣顆粒絕緣,當觸摸時產生的壓力使兩導電層接通,由于電阻值的變化而得到觸摸的XY坐標。

  五線電阻屏

  五線電阻屏的基層之上覆有把XY兩方向的電壓場加在同一層的透明電導層ITO,最外層鎳金導電層(鎳金導電層:五線電阻觸摸屏的外層導電層使用的是延展性好的鎳金涂層材料,外導電層由于頻繁觸摸,使用延展性好的鎳金材料目的是為了延長使用壽命。)只用來作純導體,當觸摸時,用分時檢測接觸點X軸和Y軸電壓值的方法測得觸摸點的位置。內層ITO需四條引線,外層一條,共5根引線。

  電容屏

  電容屏表面涂有透明電導層ITO,電壓連接到四角,微小直流電散部在屏表面,形成均勻之電場,用手觸屏時,人體作為耦合電容一極,電流從屏四角匯集形成耦合電容另一極,通過控制器計算電流傳到碰觸位置的相對距離得到觸摸的坐標

  紅外屏

  紅外觸摸屏是利用XY方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框,電路板在屏幕四邊排布紅外發射管和紅外接收管,一一對應形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時,手指就會擋住經過該位置的橫豎兩條紅外線,因而可以判斷出觸摸點在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點上的紅外線而實現觸摸屏操作。

 

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