94、触摸屏技术介绍：电阻式与电容式触摸屏的深入剖析

触摸屏技术介绍：电阻式与电容式触摸屏的深入剖析

1. 二极管触摸屏与 5W 触摸屏

二极管触摸屏的必要驱动条件与传统 5W 触摸屏相同。它仅使用两个交替电位电路，就可以由 5W 触摸屏控制器驱动，其上基板电路与任何 5W 触摸屏相同。因此，完整的触摸屏仅需三个电路即可工作，成为三线触摸屏。

二极管驱动电路在非驱动边缘产生的场畸变非常小，所以触摸屏的边缘线性度很好。非驱动边缘没有功率损耗，功率要求与 4W 触摸屏相似，由下基板的电阻率和触摸屏的纵横比决定。目前，只有富士通一家重要制造商生产二极管触摸屏。

2. 电阻式触摸屏的共性问题

所有电阻式触摸屏的一个突出弱点是在阳光下的可读性较差。没有光学增强的标准设计有四个反射面，以及两层导电涂层基板，会造成不同程度的光衰减。

对于 5W 电阻式触摸屏，由于其相对较长的使用寿命，考虑采用一些光学增强措施是合理的，例如高透光率涂层、偏振片、抗反射表面和其他光学匹配界面。不过，这些增强措施大多需要额外或不同的材料和加工步骤，但它们与电阻式触摸屏的常规组装技术基本兼容。

3. 5W 触摸屏的优缺点

• 优点 ：
  • 通用性强 ：支持任意手写笔操作。
  • 设计简单 ：借助有限元分析（FEA）软件即可完成设计。
  • 边框小 ：尾部构造多样。
  • 易于环境密封 。
  • 使用寿命长 ：比 4W 触摸屏的使用寿命长得多。
  • 抗电磁干扰能力强 ：比 4W 触摸屏更好。
  • 供应商众多 ：4W 和 5W 触摸屏之间的价格差异逐渐缩小。
• 缺点 ：
  • 光学性能差 ：可见光透过率（VLT）低、反射率高，若不进行增强处理，不适合户外使用。
  • 功耗高 ：比 4W 触摸屏系统的功耗更高。
  • 嵌入式控制器解决方案少 。
  • 单触摸操作 ：不支持多点触摸。

4. 5W 触摸屏总结

5W 触摸屏系统在市场上仍然存在，在一些市场中具有成本效益和可靠性，特别是在销售点（POS）、工业控制和低成本便携式/移动设备领域。上基板材料的改进将显著延长其使用寿命，并可能继续推动该技术的普及。

然而，5W 触摸屏已基本成为国际商品，不同制造商的触摸屏和控制器之间的互操作性常被系统设计师想当然地认为可行，但这存在一定风险。

5. 电阻式多点触摸屏

长期以来，人们对能够支持多个同时触摸的计算机系统应用一直很感兴趣。但此前，由于缺乏原生支持多个图形用户界面（GUI）屏幕指针的计算机操作系统，以及缺乏能够解析和报告多个触摸的触摸屏硬件，这种功能的实现受到限制。4 线和 5 线电阻式触摸屏无法解析多个触摸，而是对多个触摸进行有效平均。

现在，苹果、微软和一些 Linux 发行版等多个来源都提供了至少支持两个触摸的操作系统。同时，正在开发两种电阻式触摸屏变体来支持多点触摸，即数字式和模拟式。

6. 数字式多点触摸电阻（DMR）触摸屏

• 工作原理 ：基于透明导电交叉开关。这些开关由透明导体的窄条组成，间距紧密且分别连接到控制器，导体在一个基板上沿水平轴排列，在另一个基板上沿垂直轴排列，形成一个开关矩阵，其分辨率仅受每个轴上单个条带的间距和宽度限制。
• 结构特点 ：其结构与前面讨论的 4W 和 5W 触摸屏非常相似，紧密间隔的基板由分隔点网格隔开。控制器扫描该矩阵的行和列以确定触摸的位置。
• 优缺点 ：
  • 优点 ：是支持多点触摸的一种潜在低成本替代方案，相较于投射电容式触摸屏。
  • 缺点 ：需要对单个基板进行大量图案化处理，并且需要配套的尾部将每个条带的终端连接到控制器；上柔性电阻基板可能会出现性能下降问题，因为它再次涂覆了相对脆弱的氧化铟锡（ITO）。目前，DMR 触摸屏尚未获得广泛的商业认可。

7. 模拟式多点触摸电阻（AMR）触摸屏

• 工作原理 ：基于多个窄的 4W 电阻式触摸屏。在一个基板上排列透明导电涂层条带，通常宽度约为 1 厘米，在另一个基板上正交排列类似宽度的条带。在两个基板上每个条带的交叉点处形成一个小的 4W 电阻式触摸屏。通过依次驱动一个基板上的条带，同时在另一个基板上一次检测一个条带的活动，可以解析至少间隔一个条带间隙的多个触摸。
• 优缺点 ：
  • 优点 ：是支持多点触摸操作的一种低成本替代方案，相较于投射电容式触摸屏。
  • 缺点 ：与 4W 电阻式触摸屏存在相同问题，上基板会随着时间推移而损坏，尤其是在使用小半径手写笔滑动触摸时，损坏速度会加快。因此，AMR 触摸屏需要比传统 ITO 涂层聚酯（PET）更耐用的上基板。目前，AMR 触摸屏也尚未获得广泛的商业认可。

8. 电阻式多点触摸屏总结

电阻式多点触摸屏正在不断发展。AMR 和 DMR 触摸屏虽然取得了有限的商业成功，但仍然是投射电容式触摸屏的低成本替代方案。这些触摸屏的生产也在亚洲一个大型、成熟的制造基地的能力范围内，该基地目前正在生产更传统的 4W 和 5W 电阻式触摸屏。

9. 电容式触摸屏概述

“电容式”描述了两种非常不同的触摸屏技术：表面电容式（SCAP）和投射电容式（PCAP）。

表面电容式触摸屏是一种模拟设备，本质上是没有上基板的 5W 电阻式触摸屏，由 10 KHz 或更高频率的交流信号驱动，用户的手指或导电手写笔为驱动信号提供返回电路。

投射电容式触摸屏是一个离散电极矩阵，其结构类似于数字式电阻式触摸屏，但通过检测每个电极的电容变化或交叉电极之间的互电容来确定位置。

10. 表面电容式（SCAP）触摸屏

• 设计 ：
  • 基板 ：几乎完全基于玻璃基板，因为低温溅射涂层和其他机械涂覆在塑料基板上的涂层不够耐用，无法满足触摸屏系统的使用寿命要求。
  • 涂层 ：在基板前表面有一层透明介电涂层，用于保护基板导电涂层，并常提供防眩光效果；基板后表面常涂有导电层作为电磁干扰（EMI）屏蔽层，但这会削弱 SCAP 设计相对于电阻式触摸屏在光学方面的优势。
  • 驱动信号 ：由于前表面是介电层，直流驱动信号无法与用户的手指或导电手写笔耦合，因此 SCAP 控制器使用 10 KHz 或更高频率的交流信号驱动，可调整驱动频率以提高抗 EMI 能力，一些先进的控制器具有自动频率选择功能。
  • 触摸事件处理 ：由于没有上基板电路，控制器采用不同的触摸事件处理方法，通常是计算电极阵列相邻角节点的电流与总电流的比值，这些比值与触摸点到电极阵列相应边缘的距离成正比，这需要基板的触摸表面具有线性化特性。
• 优缺点 ：
  • 优点 ：
    • 耐用性好 ：比电阻式触摸屏的耐用性大大提高。
    • 透光率高 ：与大多数电阻式触摸屏相比，具有较高的可见光透过率。
    • 触摸灵敏度高 ：触摸灵敏度和拖动特性非常好，不会像电阻式触摸屏那样因分隔点而出现跳跃现象。
    • 易于环境密封 ：尽管导电液体可能会带来一些困难。
  • 缺点 ：
    • 非手指输入受限 ：除了薄塑料或橡胶手套外，其他手套无法正常工作，进行实际手写笔操作时几乎需要专用的导电手写笔。
    • 电磁干扰和灵敏度问题 ：在便携式应用中存在电磁干扰和触摸灵敏度问题。
    • 光学处理受限 ：前表面的光学处理（如偏振片）不能应用在介电层上，进一步限制了便携式应用。
    • 单触摸操作 ：仅支持单触摸。
    • 嵌入式控制器缺乏 ：系统微处理器中没有可用的嵌入式控制器。
    • 成本高 ：总体成本比典型的电阻式解决方案更高。

11. 表面电容式触摸屏总结

SCAP 触摸屏相对于其电阻式同类产品有一些优势，在一些市场（如娱乐和博彩领域）得到广泛应用且表现良好。然而，其较高的成本促使游戏市场寻找更便宜的解决方案，导致其客户群正在逐渐减少。SCAP 触摸屏的显著缺点（高成本、输入灵活性不足、某些应用中的电磁干扰问题以及缺乏多点触摸功能）似乎限制了其未来发展。

12. 投射电容式（PCAP）触摸屏

• 设计 ：
  • 基板 ：基板可以是玻璃、塑料或两者的组合。在近年来最流行的移动电话市场中，最常用的基板材料是化学强化（CS）玻璃。
  • 电极阵列 ：通常由透明导体（如 ITO）的窄条或细规格导线构成，电极之间由厚度约为 1 毫米或更小的电介质隔开。每个阵列中相邻条带的间距为 5 - 10 毫米，允许用户的手指与至少两个电极同时耦合。任意两个电极交叉点之间的寄生电容和标称电容总和可能高达 100 pF，但用户手指靠近交叉点引起的电容变化约为 1 pF 或更小，对相邻电极的影响可能小于 0.1 pF。
  • 尺寸限制 ：窄电极条带的高电阻与极低的电容相结合，限制了 PCAP 触摸屏的尺寸。此外，电极输入/输出（I/O）线所需的端口数量会随着触摸屏尺寸的增加而增加。为克服这些问题，一种设计概念是使用多个控制器协同工作，每个处理器控制触摸屏的一部分。
  • 多点触摸功能 ：PCAP 触摸屏的多点触摸功能源于对电极交叉点处电容变化的离散分析方法。无论采用何种具体方法采样触摸屏的电容，每个超过系统阈值的电容变化都会被映射，如果有有效的触摸位置对，则会被报告为触摸。大多数系统的设计表明，多个触摸之间的最小可分辨距离约为每个平面中相邻电极的间距。
  • 自适应背景映射 ：PCAP 触摸屏的传感方法还提供了对每个电极阵列交叉点的标称电容进行自适应背景映射的能力。通过在无触摸活动时持续扫描阵列的静态电容，控制器可以有效“学习”背景电容，提高触摸屏灵敏度的均匀性，并增强系统的抗 EMI 能力。
  • 触摸灵敏度 ：一些 PCAP 系统具有足够的灵敏度，可以透过非常厚的前保护镜片或在一定距离外通过空气检测触摸。但大多数系统是针对手指接触前镜片表面的最佳性能进行调整的，在这种情况下，除非手套材料是薄橡胶或塑料，否则大多数 PCAP 系统无法检测到戴手套手指的触摸。
  • 互操作性问题 ：在移动/便携式市场中，PCAP 系统最常见的设计模式是触摸屏和控制器紧密集成，控制器芯片通常嵌入在触摸屏的尾部。然而，许多控制器并非由触摸屏制造商设计和制造，第三方控制器制造商的数量正在增加，对于使用这些相对缺乏经验的公司生产的控制器的用户来说，互操作性可能是一个重要问题。
• 材料和结构 ：
  • 电极阵列形成 ：PCAP 触摸屏操作需要两个电极阵列，因此阵列的形成非常重要。透明导体的形成方法有选择性去除和选择性沉积两种。如果其中一个电极阵列基板是塑料，选择性沉积是大规模生产中创建阵列的有效方法。为了最小化每个基板上涂层和未涂层区域相邻带的光学影响，可以通过“浮动”未涂层区域而不是消除它来有效消除相邻电极之间的未涂层区域，这可以通过在电极和相邻浮动区域之间设置非常窄（0.1 毫米或更小）的透明导体删除线来实现，这种特征尺寸在选择性沉积过程中可能难以获得，因此首选的方法是通过蚀刻或烧蚀进行选择性删除。
  • 电介质稳定性 ：两个电极阵列之间的介电常数必须稳定，以确保性能一致。这意味着分开的基板上的阵列需要进行层压。玻璃和塑料基板之间的压敏粘合剂（PSA）层压对于 PCAP 来说不是一种可靠的层压方法，而干膜或湿（硅酮或环氧树脂）层压的成本是一个需要考虑的因素。因此，这种设计考虑倾向于使用在单个基板的两侧直接形成电极阵列的基板。
  • 连接和屏蔽 ：阵列中的每个电极必须连接到系统微处理器的 I/O 线。处理器和电极之间的连接走线较长，容易受到相邻走线的串扰影响。为解决这些问题，采用了两种结构技术：在相邻连接走线之间设置接地走线，以及将处理器芯片放置在触摸屏的尾部。如果控制器还具有自适应背景测量能力，这种结构通常可以消除对背面 EMI 屏蔽的需求。
  • 不同结构类型 ：一些 PCAP 制造商（如 Zytronic）采用的细嵌入式线结构具有低电阻的特点，允许组装非常大的触摸屏。线的直径约为 0.01 毫米，在典型用户距离下几乎不可见，并且不会干扰显示屏的投影图像。然而，这种线类型触摸屏的结构较为繁琐，成本相对较高。可能的触摸屏基板堆叠方式包括：
    • ITO 在两个 PET 基板上。
    • ITO 在一个 PET 基板和一个玻璃基板上。
    • ITO 在两个玻璃基板上。
    • ITO 在单个玻璃基板的两侧。
    • ITO + 电介质 + ITO - 在玻璃基板同一侧的两层。
    • 线在两个玻璃、一个玻璃和一个 PET 或两个 PET 基板之间，线之间有薄的柔性绝缘体。

综上所述，不同类型的触摸屏各有优缺点，适用于不同的应用场景。在选择触摸屏时，需要综合考虑使用环境、功能需求、成本等因素。随着技术的不断发展，触摸屏的性能和功能也将不断提升，为用户带来更好的体验。

以下是不同类型触摸屏的特点对比表格：
| 触摸屏类型 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
| — | — | — | — |
| 5W 触摸屏 | 通用性强、设计简单、边框小、寿命长、抗干扰强、供应商多 | 光学性能差、功耗高、嵌入式控制器少、单触摸 | POS、工业控制、低成本便携设备 |
| DMR 触摸屏 | 支持多点触摸、成本相对低 | 基板图案化复杂、上基板易损坏 | 对成本敏感的多点触摸应用 |
| AMR 触摸屏 | 支持多点触摸、成本相对低 | 上基板易损坏 | 对成本敏感的多点触摸应用 |
| SCAP 触摸屏 | 耐用性好、透光率高、灵敏度高、易密封 | 非手指输入受限、电磁干扰问题、成本高、单触摸 | 娱乐和博彩领域 |
| PCAP 触摸屏 | 支持多点触摸、自适应背景映射、灵敏度可调整 | 尺寸受限、第三方控制器互操作性问题、成本较高 | 移动/便携式设备 |

下面是电阻式和电容式触摸屏技术选择的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[需求分析] --> B{是否需要多点触摸}
    B -- 是 --> C{预算是否有限}
    C -- 是 --> D[考虑 DMR 或 AMR 触摸屏]
    C -- 否 --> E[考虑 PCAP 触摸屏]
    B -- 否 --> F{是否注重阳光下可读性}
    F -- 是 --> G{是否用于便携式设备}
    G -- 是 --> H[考虑 PCAP 触摸屏]
    G -- 否 --> I[考虑 5W 触摸屏并进行光学增强]
    F -- 否 --> J{对耐用性要求高吗}
    J -- 是 --> K[考虑 SCAP 触摸屏]
    J -- 否 --> L[考虑 5W 或 4W 触摸屏]

通过以上的分析和对比，希望能帮助读者更好地了解不同类型触摸屏的特点和适用场景，从而在实际应用中做出更合适的选择。

触摸屏技术介绍：电阻式与电容式触摸屏的深入剖析

13. 投射电容式触摸屏总结

投射电容式（PCAP）触摸屏凭借其支持多点触摸、自适应背景映射以及可调整的触摸灵敏度等优势，在移动/便携式设备市场中占据了重要地位。不过，它也面临着尺寸受限、第三方控制器互操作性问题以及成本较高等挑战。随着技术的不断进步，这些问题有望逐步得到解决，进一步拓展其应用范围。

在材料和结构方面，PCAP 触摸屏的电极阵列形成、电介质稳定性以及连接和屏蔽等设计考虑，都对其性能和生产工艺产生了重要影响。不同的基板堆叠方式也为制造商提供了多种选择，以满足不同应用场景的需求。

14. 不同触摸屏技术的应用场景分析

为了更清晰地了解不同触摸屏技术的适用范围，下面对各种场景下的最佳选择进行详细分析：
- 销售点（POS）系统 ：5W 触摸屏是一个不错的选择。它具有通用性强、设计简单、边框小等优点，能够满足 POS 系统对操作便捷性和空间利用的要求。虽然其光学性能和功耗方面存在一些不足，但在室内环境下，这些问题相对较小。此外，5W 触摸屏的供应商众多，价格逐渐下降，成本效益较高。
- 工业控制领域 ：5W 触摸屏同样具有一定的优势。其耐用性和抗电磁干扰能力较强，能够适应工业环境中的复杂条件。同时，简单的设计和易于环境密封的特点，也使得它在工业设备中易于集成和维护。
- 低成本便携式/移动设备 ：对于预算有限且对功能要求不是特别高的设备，4W 或 5W 触摸屏可能是首选。它们的成本相对较低，能够满足基本的触摸操作需求。而对于需要支持多点触摸的便携式设备，DMR 或 AMR 触摸屏则可以作为一种低成本的替代方案。
- 娱乐和博彩领域 ：表面电容式（SCAP）触摸屏因其耐用性好、触摸灵敏度高和拖动特性好等优点，在该领域得到了广泛应用。不过，其较高的成本和输入灵活性不足的问题，也促使市场寻求更具性价比的解决方案。
- 移动/便携式设备 ：投射电容式（PCAP）触摸屏凭借其强大的多点触摸功能和自适应背景映射能力，成为移动/便携式设备市场的主流选择。尽管存在尺寸受限和互操作性等问题，但随着技术的发展，这些问题正在逐渐得到改善。

15. 触摸屏技术的发展趋势

随着科技的不断进步，触摸屏技术也在不断发展和创新。以下是一些可能的发展趋势：
- 多点触摸技术的普及 ：随着用户对交互体验的要求越来越高，多点触摸功能将成为触摸屏的标配。电阻式多点触摸屏（DMR 和 AMR）和投射电容式触摸屏（PCAP）将继续发展，提高其性能和可靠性，以满足更广泛的应用需求。
- 光学性能的提升 ：改善触摸屏在阳光下的可读性和透光率将是未来的重要发展方向。通过采用更先进的光学材料和涂层技术，如高透光率涂层、抗反射表面等，可以提高触摸屏的视觉效果，使其更适合户外使用。
- 降低成本 ：成本是影响触摸屏市场普及的重要因素之一。制造商将不断探索新的材料和生产工艺，以降低触摸屏的制造成本。例如，采用更高效的制造方法、优化材料选择等，都有助于提高产品的性价比。
- 增强耐用性 ：提高触摸屏的耐用性，特别是上基板的耐磨性和抗划伤性，将是未来的一个重要研究方向。这可以通过开发新型材料或改进涂层技术来实现，以延长触摸屏的使用寿命。
- 集成化和智能化 ：触摸屏与其他设备的集成将越来越紧密，实现更多的功能。例如，将触摸屏与传感器、处理器等集成在一起，实现更智能的交互体验。同时，控制器的智能化程度也将不断提高，具备自动频率选择、自适应背景映射等功能，提高系统的性能和稳定性。

16. 触摸屏技术选择的决策流程

在选择合适的触摸屏技术时，可以参考以下决策流程：
1. 明确需求 ：确定是否需要多点触摸功能、对阳光下可读性的要求、使用环境（如室内/室外、便携式/固定式）以及预算限制等因素。
2. 评估技术特点 ：了解不同触摸屏技术的优缺点，包括光学性能、耐用性、功耗、成本、输入灵活性等方面。
3. 考虑应用场景 ：根据具体的应用场景，选择最适合的触摸屏技术。例如，对于 POS 系统和工业控制领域，5W 触摸屏可能更合适；对于移动设备，PCAP 触摸屏是主流选择。
4. 供应商和互操作性 ：考虑供应商的信誉和产品质量，以及不同制造商的触摸屏和控制器之间的互操作性。
5. 进行测试和验证 ：在做出最终决策之前，建议进行实际测试和验证，以确保所选的触摸屏技术能够满足实际需求。

以下是一个简单的决策表格，帮助您快速做出选择：
| 需求因素 | 5W 触摸屏 | DMR 触摸屏 | AMR 触摸屏 | SCAP 触摸屏 | PCAP 触摸屏 |
| — | — | — | — | — | — |
| 多点触摸 | 否 | 是 | 是 | 否 | 是 |
| 阳光下可读性 | 差（需增强） | 一般 | 一般 | 较好 | 较好 |
| 耐用性 | 一般 | 一般 | 一般 | 好 | 好 |
| 成本 | 适中 | 较低 | 较低 | 较高 | 较高 |
| 输入灵活性 | 较好 | 一般 | 一般 | 受限 | 较好 |

17. 总结

不同类型的触摸屏技术各有优缺点，适用于不同的应用场景。电阻式触摸屏包括 5W 触摸屏、DMR 触摸屏和 AMR 触摸屏，在成本和通用性方面具有一定优势，但在光学性能和多点触摸功能上存在不足。电容式触摸屏包括表面电容式（SCAP）触摸屏和投射电容式（PCAP）触摸屏，具有耐用性好、触摸灵敏度高和支持多点触摸等优点，但成本相对较高。

在选择触摸屏技术时，需要综合考虑需求因素、技术特点、应用场景、供应商和互操作性等多个方面。随着技术的不断发展，触摸屏的性能和功能将不断提升，成本也将逐渐降低，为用户带来更多的选择和更好的体验。

希望通过本文的介绍和分析，能够帮助读者更好地了解触摸屏技术，在实际应用中做出明智的决策。

下面是一个总结不同触摸屏技术特点的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[触摸屏技术] --> B[电阻式]
    A --> C[电容式]
    B --> B1[5W 触摸屏]
    B --> B2[DMR 触摸屏]
    B --> B3[AMR 触摸屏]
    C --> C1[SCAP 触摸屏]
    C --> C2[PCAP 触摸屏]
    B1 --> B11(通用性强)
    B1 --> B12(设计简单)
    B1 --> B13(光学性能差)
    B2 --> B21(支持多点触摸)
    B2 --> B22(基板图案化复杂)
    B3 --> B31(支持多点触摸)
    B3 --> B32(上基板易损坏)
    C1 --> C11(耐用性好)
    C1 --> C12(透光率高)
    C1 --> C13(非手指输入受限)
    C2 --> C21(支持多点触摸)
    C2 --> C22(自适应背景映射)
    C2 --> C23(尺寸受限)

通过这个流程图，可以更直观地看到不同触摸屏技术的特点及其之间的关系。在未来的发展中，各种触摸屏技术将不断改进和创新，以满足不断变化的市场需求。