93、电阻式触摸屏技术解析

电阻式触摸屏技术解析

1. 四线电阻式触摸屏概述

在一些嵌入式系统产品中，微处理器配备了板载四线（4W）触摸屏控制器。在良好的环境条件下，4W 触摸屏的性能“足够好”，因此它仍然是许多应用的选择。

2. 八线电阻式触摸屏

2.1 基本原理

八线（8W）电阻式触摸屏是对 4W 触摸屏的改进。这种改进本质上是电子电源中所谓的“远程感应”技术，即增加了一组额外的电极，用于检测负载端的电压，并调整源电压，以补偿源和负载之间电路电阻引起的电压降。

2.2 设计

典型的 8W 触摸屏设计配置如图 1 所示（仅展示一个基板）。远程感应线在与控制器驱动电路相同的点连接到触摸屏电极。在控制器端，远程感应线连接到测量电路输入，为校正控制器驱动电压提供参考。

2.3 材料与构造

4W 和 8W 触摸屏在材料和构造上没有显著差异。

2.4 优点

• 通用性强：支持任意手写笔操作。
• 易于环境密封。
• 低功耗。
• 有多个供应商，但供应频率低于 4W 触摸屏。

2.5 缺点

• 耐用性差，特别是在使用手写笔操作时。
• 光学性能不佳：可见光透过率（VLT）低，反射率高，不适合户外使用。
• 仅支持单点触摸操作，不支持多点触摸。

2.6 总结

远程感应功能可以补偿尾电路中的电阻变化，在电阻式触摸屏早期，大型型号中经常采用该功能。当时整体尾线配置很常见，而且尾线通常很长，安装过程中不当的弯曲或折叠可能会造成损坏，而远程感应功能可以对此进行补偿。此外，远程感应功能还被宣传为自动校准功能，在这方面表现良好。通过保持每个基板上电极之间的电压固定，可以确定任何给定触摸位置的坐标输出。基于触摸屏输出坐标范围的校准常数包含在应用程序软件或系统校准文件中，用户无需手动校准。该功能在代码空间非常有限的嵌入式系统中很有用，因为不需要包含用户校准程序，同时也简化了制造系统的检查，理论上在那里也不需要进行校准。

然而，8W 远程感应功能的好处被过度夸大了。有人声称该功能除了补偿尾电路中的电阻变化外，还可以补偿触摸屏本身电极的劣化。但从工程角度来看，这些说法是没有依据的，但至今仍有人坚持这种观点。如今，8W 触摸屏几乎仅作为旧设计的替换产品出售。

3. 五线电阻式触摸屏

3.1 设计类型

存在多种不同的五线（5W）触摸屏设计。目前所有商业上成功的设计都是在适当的控制器驱动下，在触摸表面产生正交、线性电场的设计。这种设计不会对从触摸屏接收到的模拟电压进行非线性转换，因此生成的触摸坐标可以直接映射到笛卡尔坐标空间，这与前面讨论的 4W 触摸屏类似。不过，也有一些设计不依赖于正交线性电场，这些设计需要通过查找表或某种映射算法将接收到的非笛卡尔触摸电压转换为笛卡尔显示坐标空间。这些设计需要显著提高控制器的计算能力，但同时也会显著降低触摸基板和电极阵列的设计复杂度和制造精度。尽管如今微处理器技术有所改进，但尚未有制造商推出这种简化的触摸屏系统。因此，本文将重点介绍采用正交场概念的设计。

3.2 工作原理

通过在触摸屏有效区域边缘排列电阻电极，在 5W 触摸屏的下基板上依次产生正交电场。每个电极阵列的两端与相邻边缘的阵列电气连接。当发生触摸时，控制器提供驱动信号，在下基板导电平面上产生交替的正交电场。上基板的导电表面在两个测量周期内都与下基板接触，为两个轴拾取与位置成比例的电压。上基板持续连接到控制器的单个测量输入。

3.3 设计

3.3.1 控制器驱动信号

5W 触摸屏使用电阻电极阵列结合特定的控制器驱动信号来实现线性触摸屏性能。控制器驱动信号如下表所示：
| 触摸屏电极节点 | 控制器驱动状态 | 上左 | 上右 | 下左 | 下右 |
| — | — | — | — | — | — |
| 空闲（等待触摸） | H | H | H | H |
| 水平（X）驱动 | L | H | L | H |
| 垂直（Y）驱动 | H | H | L | L |

注：H 表示控制器高驱动电位，L 表示控制器低驱动电位。

3.3.2 电极阵列设计

在实际的触摸屏中，电阻电极阵列由串联和/或并联连接的“电阻串”组成，这些电阻串由小的平行导电电极和电极之间的氧化铟锡（ITO）透明导电涂层形成。通过选择性去除这些电阻周围的 ITO 涂层，可以调整电阻值和与有效区域的连接。此外，一些设计采用了从阵列向触摸屏有效区域延伸的接触电极，这些电极的形状和位置实际上形成了另一个阵列电阻，并始终纳入阵列设计考虑之中。典型阵列的等效电路如图 2 所示，阵列在两个轴上始终围绕有效区域的中心线对称。

参考上述表格和图 2，可以理解阵列设计问题的本质。以 Y 轴驱动序列为例，在阵列的左上角和右上角施加“高”电位（H），在左下角和右下角施加“低”电位（L）。在这个例子中，假设电流仅通过分支电阻 RB 流过有效区域。传统电流将从两个顶角通过串联电阻 RS 流向阵列中心，然后通过分支电阻 RB。该电流随后流过触摸屏的有效区域，并在有效区域底部回流到电阻串中。此外，电流还会流过有效区域左右边缘的横向电阻串。如果电阻阵列设计合理，这些横向串中的电流很少或不会通过另一组分支电阻流入有效区域，这就要求横向串中的电压降与基板有效区域的电压降大致匹配。

分支电阻 RB 可能代表与串联电阻 RS 类似形成的实际电阻，但更常见的是模拟不同尺寸、具有不同有效电阻的电极。考虑电流通过串联和分支电阻的影响，可以理解不同分支电阻的必要性。每个串联电阻都会有电位降，暂时忽略分支电流，可以明显看出每个串联电阻的结点电位逐渐降低。如果不补偿这种电位降，上电阻串附近的等电位线将不是直线，而是弯曲的。弯曲的中心比两端更靠近上串，因为在每个串中心附近的有效区域上的给定电位比在阵列角附近的相同电位更靠近串。通过增加靠近阵列角的分支电阻的电阻来实现补偿。在实践中，这种增加通常通过减小相关分支电极的有效接触面积来实现。

在每个轴的非驱动阵列附近，电场经常会出现局部变化。这种变化很大程度上是由于分支电阻的离散性质造成的，这些分支电阻无法在大面积（整个电阻串长度）上以靠近触摸屏有效区域的分支电阻终端完美地提供或吸收均匀电流源。一种改善边缘性能的策略是将整个阵列从有效区域边缘移开。当设计中有足够的物理空间时，这种阵列的后移是最简单的解决方案。另一种在空间允许时有时采用的策略是在电阻串或分支电阻的物理布局中创建反向弯曲，即分支电阻或电极终端的物理布局是等电位线预测弯曲的镜像。然而，与有效区域大小相比，触摸屏的整体尺寸限制通常不允许有大的后移距离或采用反向弯曲概念。因此，人们投入了大量精力通过修改基本设计，增加额外的电极和额外删除 ITO 来优化触摸屏的边缘性能。经常可以看到许多复杂的设计，在基本的串联和分支电阻串之外有几排近乎连续的电极。

电极设计的另一个方面是控制器的最终功耗。在 4W 触摸屏系统中，每个驱动片上的电流仅取决于导电涂层的电阻率和基板的纵横比。如有必要，可以选择基板的电阻率来限制电流。在 5W 触摸屏中，控制器的每个驱动周期都会有大量电流流过横向电阻，因此电极设计必须考虑最终的控制器电流。当触摸屏和控制器由同一制造商提供时，这不是问题，但一些第三方控制器的电流源/吸收能力有限，并且这个参数在第三方控制器文档中经常未明确说明。

近年来，低成本有限元分析（FEA）计算机软件的出现大大简化了 5W 触摸屏电极设计。可以使用几乎任何 FEA 程序中可用的直流电路模型，将基本设计适应不同尺寸并修改以纠正预测的缺陷。电极设计可以在二维 CAD 软件包中绘制，然后导入 FEA 程序。求解方程只需几分钟，修改并重新求解方程的过程仅取决于设计师对设计底层电气原理的理解。FEA 程序还可以计算每个驱动状态下触摸屏的总功耗。

上基板的设计非常简单。假设尾线连接到下基板，只需要在上基板和下基板之间提供交叉接触即可。如果交叉接触不需要对上基板本身进行图案化或处理（这是一种典型配置），那么上基板可能只是一片涂有导电涂层的塑料薄膜。有许多可能的变化。例如，一种设计通过在周边施加连续导电环来降低上基板电路的电阻大小和变化。由于该环仅限于基板的非有效区域，这种设计的唯一缺点是印刷材料（银，在某些设计中还有介电材料涂层）的成本和处理步骤。与直接在交叉区域上方的局部接触（可能只有 2 - 3 厘米长）相比，添加导电环可以将上基板的总电路电阻和电阻变化降低 50% 或更多。

电阻式触摸屏受电磁干扰（EMI）的影响不大，除了航空航天和军事应用外，很少有 4W 或 5W 类型的触摸屏设计有 EMI 屏蔽。上基板的配置通过下基板与触摸屏后面的常规显示器分开，也为 5W 触摸屏提供了一定程度的 EMI 抗扰性。当这种 EMI 抑制不足时，通常的第一步改进是在每个单独的电缆电路上应用铁氧体磁珠，然后屏蔽整个电缆，最后在下基板的背面添加 EMI 屏蔽。背面 EMI 屏蔽是对标准电阻式设计的重大改变，因为这些屏蔽的电阻率可能为 10 Ω/□ 或更低，可见光透过率（VLT）为 80% 或更低。此外，屏蔽涂层必须直接应用于下基板的背面，或应用于随后层压到下基板上的额外基板上，以避免 VLT 额外损失和额外反射。

3.4 材料与构造

制造 5W 触摸屏所使用的材料和工艺与 4W 触摸屏相同。唯一的例外是，对于 5W 触摸屏，上基板不需要像 4W 触摸屏那样达到高度均匀。这是因为上（拾取）基板的电路电阻比控制器测量电路的输入阻抗小 1000 倍以上，因此非均匀的基板电阻对控制器输入电压的准确性影响可以忽略不计。在实践中，通常用于 4W 触摸屏基板的相同等级材料也用于 5W 触摸屏的拾取层。与 4W 触摸屏一样，上基板在使用过程中会逐渐退化，但在 5W 触摸屏中，直到局部区域的 ITO 涂层被严重破坏，触摸屏的功能才会受到影响。一般来说，5W 触摸屏的使用寿命预计是 4W 触摸屏的十倍以上。

5W 触摸屏更复杂的电极阵列设计带来了制造策略方面的问题。完成后的 5W 触摸屏下基板可以在没有上基板的情况下进行测试。可以用导电笔代替上（拾取）基板，然后测试下基板的线性度。在大批量生产中，希望所有基板都具有完美的线性度，但由于以下原因，这很少能够实现：
- 导电涂层的一般电阻率变化：典型的磁控溅射工艺在可接受的商业生产速率下，很少能将公差控制在 +/-10% 以内。
- 涂层电阻率的局部变化：例如玻璃缺陷和溅射过程中的飞溅物等因素会导致涂层电阻率的局部变化。磁控溅射是一个基于简单原理但非常复杂的过程。
- 溅射过程中的 ITO 图案化：一些制造商使用从玻璃供应商处获得的带有成型电阻和去除 ITO 的涂层玻璃。掩膜材料和沉积（通常是银）的电极材料会在 ITO 沉积过程中引入变化。
- 印刷银电极设计（未烧结）：银 - ITO 玻璃界面的电阻可能会有变化。
- 不完美的 ITO 图案化工艺：可能通过酸蚀刻、机械研磨或激光研磨等方式进行，这些工艺可能导致 ITO 图案化不完美。

因此，触摸屏制造商可能会在制造过程中加入通过局部去除 ITO 和电极材料来调整设计线性度的能力。这个过程可以从简单地从每个角落的电阻中去除少量 ITO 到在阵列的多个位置大量去除 ITO 和电极材料不等。通过采用可以在制造过程中修改的电极设计，可以显著提高制造良率。

一种对 5W 触摸屏概念的重大改进是“二极管”或“三线”（3W）触摸屏，它消除了电阻电极阵列上电压降带来的大部分困难，也解决了控制器每个驱动状态下两个非驱动边缘的大电流消耗问题。在二极管触摸屏中，使用小信号二极管来控制与“传统”5W 触摸屏相同的下基板上的电流流动。通过适当的间距和将二极管基板终端从触摸屏有效区域边缘后移，在一侧的这些终端上设置一组等电位，在另一侧设置另一组等电位，将在基板的有效区域上产生直线等电位线，这正是线性触摸屏所需的条件。参考图 3，可以看出二极管的两个公共节点处的电位变化可以忽略不计，并且在均匀导电基板的情况下，每个导通的二极管中的电流大致相等。因此，通过直流驱动似乎可以实现产生基板上直线等电位线的驱动条件，而实际上也是如此。

综上所述，不同类型的电阻式触摸屏各有优缺点，在实际应用中需要根据具体的使用场景和需求来选择合适的触摸屏类型。例如，对于对耐用性和光学性能要求不高、成本敏感且环境良好的应用场景，4W 或 8W 触摸屏可能是合适的选择；而对于对触摸精度、耐用性和抗干扰能力有较高要求的应用，5W 触摸屏可能更适合。同时，随着技术的不断发展，电阻式触摸屏的性能和应用范围也在不断拓展。

4. 不同类型电阻式触摸屏对比

4.1 性能参数对比

为了更清晰地了解 4W、8W 和 5W 电阻式触摸屏的差异，下面从多个性能参数进行对比，具体如下表所示：
| 性能参数 | 4W 触摸屏 | 8W 触摸屏 | 5W 触摸屏 |
| — | — | — | — |
| 环境适应性 | 良好环境下性能足够 | 同 4W，但耐用性差 | 较好，受 EMI 影响小 |
| 触摸操作 | 单点触摸 | 单点触摸 | 单点触摸 |
| 光学性能 | 一般 | 低 VLT，高反射率，不适合户外 | 一般 |
| 耐用性 | 一般 | 差，手写笔操作易损坏 | 好，寿命约为 4W 的 10 倍以上 |
| 功耗 | 取决于导电涂层和基板纵横比 | 低 | 需考虑电极设计对控制器电流影响 |
| 校准 | 可能需手动校准 | 有自动校准功能宣传，但实际有夸大 | 可通过软件校准 |
| 成本 | 相对低 | 相对高，作为替换产品 | 适中 |

4.2 应用场景对比

不同类型的电阻式触摸屏适用于不同的应用场景，具体如下：
- 4W 触摸屏 ：适用于对成本敏感、环境良好、对耐用性和光学性能要求不高的应用，如一些消费类电子产品、简单的工业控制界面等。
- 8W 触摸屏 ：由于其耐用性差、光学性能不佳等缺点，目前主要作为旧设计的替换产品，应用场景相对较窄。
- 5W 触摸屏 ：适用于对触摸精度、耐用性和抗干扰能力有较高要求的应用，如工业自动化设备、医疗设备、航空航天和军事应用等。

5. 电阻式触摸屏的发展趋势

5.1 技术改进

随着科技的不断进步，电阻式触摸屏在技术上也在不断改进。例如，通过采用更先进的材料和制造工艺，提高触摸屏的耐用性和光学性能；利用有限元分析等计算机软件，优化电极设计，降低功耗和提高触摸精度。

5.2 应用拓展

电阻式触摸屏的应用范围也在不断拓展。除了传统的消费电子、工业控制等领域，它还逐渐应用于智能家居、智能交通、教育等新兴领域。未来，随着物联网、人工智能等技术的发展，电阻式触摸屏有望在更多领域发挥重要作用。

5.3 与其他技术融合

电阻式触摸屏可能会与其他技术进行融合，以满足不同用户的需求。例如，与电容式触摸屏技术结合，发挥两者的优势，提高触摸屏的性能；与显示技术融合，实现更薄、更轻、更清晰的显示效果。

6. 电阻式触摸屏的选择建议

6.1 考虑因素

在选择电阻式触摸屏时，需要综合考虑以下因素：
- 使用环境 ：如果使用环境恶劣，如高温、高湿、强电磁干扰等，应选择耐用性和抗干扰能力强的触摸屏，如 5W 触摸屏。
- 触摸操作需求 ：如果需要多点触摸功能，电阻式触摸屏可能不太适合，因为目前主流的电阻式触摸屏主要支持单点触摸。
- 光学性能要求 ：如果对可见光透过率和反射率有较高要求，如户外使用，应避免选择光学性能不佳的 8W 触摸屏。
- 成本预算 ：不同类型的电阻式触摸屏成本不同，应根据实际预算选择合适的产品。

6.2 选择流程

以下是选择电阻式触摸屏的一般流程：

graph LR
    A[明确使用需求] --> B[评估使用环境]
    B --> C[确定触摸操作需求]
    C --> D[考虑光学性能要求]
    D --> E[制定成本预算]
    E --> F[对比不同类型触摸屏]
    F --> G[选择合适的触摸屏]

7. 总结

电阻式触摸屏作为一种成熟的触摸技术，包括 4W、8W 和 5W 等不同类型，各有其优缺点和适用场景。4W 触摸屏在良好环境下性能足够且成本较低；8W 触摸屏虽有自动校准功能宣传但存在夸大，目前主要作为替换产品；5W 触摸屏在耐用性、抗干扰能力等方面表现出色，适用于对性能要求较高的应用。

在实际应用中，需要根据具体的使用环境、触摸操作需求、光学性能要求和成本预算等因素，综合考虑选择合适的电阻式触摸屏。同时，随着技术的不断发展，电阻式触摸屏也在不断改进和拓展应用范围，未来有望与其他技术融合，为用户带来更好的体验。