德普特工程师谈触摸屏技术与发展（下）

我们在上期为大家介绍了触摸屏的整体概念，包括触摸屏的特性和各种分类。虽然面很广，但很多朋友可能会觉得不够深入。所以，我们认为有必要为各位详细介绍两类触摸屏：电阻式触摸屏和电容式触摸屏。它们是目前各种IT设备上常见的触摸屏，尤其是电容式触摸屏更是在近几年发展非常迅速，已经成为手机、平板等移动设备的触摸屏首选。现在，我们一起来看看，这两种就在你身边甚至手上的触摸屏，到底有哪些玄机？

电阻式触摸屏

我们已经知道，电阻式触摸屏（以下简称电阻屏）主要通过压力感应进行工作，按压电阻屏的时候，其内部的两层导电层就有了接触，电阻发生变化从而产生电信号。控制器侦测到这个信号后，其中一面导电层接通У轴方向的5Ⅴ均匀电压场，另一导电层将接触点的电压引至控制卡进行A/D转换，得到电压值后与5Ⅴ相比即可得触摸点的у轴坐标，同理得出Χ轴的坐标，这就是电阻屏定位操作的原理。

具体来说，电阻屏的多层结构中核心的是两层导电涂层，它们的涂层材料分别是：

1.ITO，氧化铟，弱导电体，多用于内层导电层。其特性是当厚度降到1800个埃（1埃=10-10米，常见的纳米单位的1/10）以下时会突然变得透明，透光率为80%，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80%。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。

2.镍金，多用于五线电阻屏的外层导电层。外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料，目的是为了延长使用寿命，但是成本较为昂贵。镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电性太好，不宜作精密电阻测量，而且金属不易做到厚度非常均匀，只能作为探层。

电阻屏分类

除了PDA之类的手持设备，早期采用传统形态的平板电脑也会采用电阻技术。

根据具体结构和工作原理的区别，目前常见的电阻屏分为两类：

1.四线电阻屏

采用多层聚酯结构，也称做塑料-塑料-玻璃（有机玻璃）结构。底层（靠近显示屏）是普通玻璃，表面是两层ITO导电层（ITO Film，多采用塑料材质），上层用以读取y轴电压值，下层用以读取x轴电压值，并有四条电路引线，因此被称为四线电阻屏。由于四线电阻屏采用由玻璃或塑料组成的分层结构，因此所产生的附加层会导致光清晰度降低。另外，四线电阻屏必须通过两层来对x轴和y轴进行测量，而长期使用后导电层分层和型变问题难以避免，从而造成操作精度下降。

2.五线电阻屏

结构相对简单，采用聚酯薄膜（ITO Film）覆盖在ITO玻璃（底层基板）上的玻璃基板结构，称做塑料-玻璃结构。这种结构具有更好的光学特征、更不容易分层和更好的透光率，稳定可靠。五线电阻屏利用底层基板进行x和y轴测量，聚酯薄膜外层的作用是仅仅作为一个测量电压的探针。由于底层基板需四条引线，外层一条引线，因此被称为五线电阻屏。它可以通过精密的电阻网络来校正内层ITO的线性问题：由于导电镀膜有可能厚薄不均匀而造成电压不均匀分布。这就意味着触摸屏能够保持连续工作，而且可以精确、持久、稳定可靠地测量和无漂移地工作。

五线电阻屏是目前比较常见和优秀的电阻屏。

电容式触摸屏

与依靠压力感应的电阻屏不同，电容式触摸屏（以下简称电容屏）的工作原理是借助电流感应。电容屏采用了多层复合结构，四边均镀上狭长的电极，并将电荷存储在一根根比头发还要细的微型静电网中。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指吸收走一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，且理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置。电容屏利用感应人体微弱电流的方式来达到触控的目的，这就是为什么当你带上手套触摸屏幕时，设备没有反应的原因。

电容屏结构和工作原理

电容屏的分类

按照设计原理的不同，电容屏可以分为表面电容式(SCT，Surface Capacitive Touch)和投射电容式(PCT，Projected Capacitive Touch)两大类。SCT表面电容式的面板是一片涂布均匀的ITO层，面板的四个角落各有一条引线与控制器相连接。为了能够侦测触碰点的确切位置，控制器必须先在SCT面板上建立一个均匀的电场，这部分工作是由IC内部的驱动电路对面板进行充电来达到。当手指触及屏时，会引发微量电流活动；此时IC内的感测电路会分别解析四条引线上的电流量，并依照固定公式将触碰点的X、Y坐标推算出来。

苹果iPhone的出现，让支持多点触摸功能的投射电容式触摸屏迅速成为市场主流。

PCT投射电容式则是建构在矩阵的概念之上。它主要依靠两层ITO膜（驱动ITO层、感应ITO层）来实现功能， 驱动ITO层与感应ITO层可以蚀刻在同一块基材的两面，也可以分别蚀刻在两块基材上。它的ITO涂层是经过蚀刻而产生特定图案的，目的在于增强识别的精确度。通过这些图案在X轴与Y轴方向分别复制数次（次数多寡根据屏尺寸而定），终形成一个类似棋盘的PCT矩阵。当手指接近或接触到屏时，会在屏上增加一个电容量。对PCT面板的电路而言，电容量的出现意味着电流振荡的周期变长而频率降低。通过计算手指触碰前后振荡周期与频率的改变，控制器因而可辨别出触碰的位置，甚至还能分辨手指与屏的间隔（即提供Z轴信息）。

对普通用户来说，表面电容式和投射电容式的大区别在于后者能实现多点触摸（Multi-touch），而前者只能只能完成单点触摸（Single-touch）。所以，在多点触摸应用大行其道的现在，投射电容式电容屏成为了绝对的主流。

投射电容屏分类

投射电容屏又分为自电容屏和互电容屏两种类型。在玻璃表面用ITO原料制作成横向与纵向电极阵列，这些横向和纵向的电极分别与地构成电容，这个电容就是通常所说的自电容（自身有储存电荷的能力），也就是电极对地的电容。当手指触摸到电容屏时，手指的电容将会叠加到屏体电容上，使屏体电容量增加。

在触摸操作时，自电容屏依次分别检测横向与纵向电极阵列，根据触摸前后电容的变化，分别确定横向坐标和纵向坐标，然后组合成平面的触摸坐标。如果是单点触摸，则在X轴和Y轴方向的投影都是唯一的，组合出的坐标也是唯一的；如果在触摸屏上有两点触摸并且这两点不在同一X方向或者同一Y方向，则在X和Y方向分别有两个投影，终将组合出4个坐标。显然，只有两个坐标是真实的，另外两个就是俗称的“鬼点”。因此，自电容屏无法实现真正的多点触摸。

互电容屏也是在玻璃表面用ITO制作横向电极与纵向电极，它与自电容屏的区别在于，两组电极交叉的地方将会形成电容，也即这两组电极分别构成了电容的两极。当手指触摸到电容屏时，影响了触摸点附近两个电极之间的耦合，从而改变了这两个电极之间的电容量。检测互电容大小时，横向的电极依次发出激励信号，纵向的所有电极同时接收信号，这样可以得到所有横向和纵向电极交汇点的电容值大小，即整个触摸屏的二维平面的电容大小。根据触摸屏二维电容变化量数据，可以计算出每一个触摸点的坐标。因此，屏上即使有多个触摸点，也能计算出每个触摸点的真实坐标。

电容屏结构

虽然不同结构类型的电容屏采用了不同的材料和设计，但总的来说，所有的电容屏都必须有两个结构层：Cover层和Sensor层。Cover层在电容屏表面起保护作用，Sensor层则是触摸功能部件，二者都可以采用玻璃或者PET薄膜材质。根据Cover层和Sensor层采用材质的不同，电容屏通常可以分为以下三类：

PG：Cover和Sensor层分别采用PET薄膜和玻璃材质，通过光学级透明胶将二者粘合起来。由于PET材质强度不高的缘故，PG电容屏的表面硬度只能达到2H～3H，而且在耐腐蚀、透光率和手感方面有所不足。不过，它的成本较低，而且厚度可以控制在1.3mm～1.5mm，相对较薄。

GM：结构与PG相反，Cover和Sensor层分别采用玻璃和PET薄膜，同样具备厚度薄和成本低的优势，而且玻璃表面更耐磨。不过它只能以单点操作为主（可虚拟两点手势，但准确度差），而且手写较差。

GG：厚度一般为1.8mm～2mm，Cover和Sensor层都采用玻璃材质，硬度高，准确度高，透光性好，手写效果好，支持真实多点触摸操作。但它的成本相对较高，而且受撞击后的底面Glass Sensor容易破坏。

除了以上三种结构电容屏之外，目前又兴起了另外两种更薄更先进的电容屏：

In-cell：采用显示屏内嵌式设计，即将触摸屏模组直接整合在显示面板之内，使得显示面板本身就具备触控功能，不需另外进行与触控面板的贴合与组装。In-cell电容屏利用TFT彩色滤光片作为触摸屏的感应ITO层，在彩色滤光片玻璃的另一面蚀刻驱动ITO层。由于将触摸屏功能整合在显示模组内，减少了ITO导电玻璃的层数，因此In-cell电容屏的整体厚度低于传统的触摸屏+显示屏模式，具备超薄机身的苹果iPhone 5就采用了这样的技术。不过由于技术新颖，使得面板制程在整合上也存在很高的门槛及挑战，相关技术通常都是由液晶面板厂把持，而且现阶段良率和成本方面，都还无法满足消费市场的要求。

In-cell电容屏结构

OGS：One Glass Solution的缩写，即在一块玻璃上集成Cover和Sensor两种功能，同时起到保护玻璃和触摸传感器的双重作用。相对目前主流电容屏来说，OGS电容屏结构简单,轻、薄、透光性好，而且利于降低生产成本、提高产品良率。目前OGS面临感应线路的制程选择、兼做表面玻璃时该有的强度维持与质量稳定性、控制芯片的调校等问题，但综合来看，OGS仍然是目前具性价比的超薄触摸屏解决方案。

OGS电容屏结构

写在后：

种种迹象已经充分证明，触摸操作正在成为重要的人机交流方式，即使是PC电脑这样已经具备足够成熟操作方式的产品，也没法回避正汹涌而至的触控大潮——不论是软件端，还是硬件端，触摸操作都成为了厂商和消费者共同关注的热点。很明显，触摸操作会越来越密切地与大家的生活相联系，手机、平板、电脑以及各种各样的公共查询设备都会集成触摸操作功能，而这也确实会为我们带来真正的便捷。