點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)、滑滑滑!每天我們這些低頭族都在機(jī)械的刷屏微信，看來觸摸真的改變了人類的生活方式。然而你就不好奇為什么你在玻璃板上動(dòng)動(dòng)手指頭，機(jī)器就知道你要做什么嗎?好吧，我來為你揭秘觸控技術(shù)。
從手機(jī)功能的進(jìn)化開始，IT產(chǎn)品進(jìn)入了智能化時(shí)代。芯片、屏幕、攝像頭等都成為了推動(dòng)IT產(chǎn)品智能化進(jìn)程的主力。但是很多人都沒有注意到，觸控技術(shù)的不斷更新，是我們手中產(chǎn)品可以不斷變輕、變薄以及變得更加智能的主因。
人機(jī)交互最早通過按鍵、鼠標(biāo)等實(shí)體設(shè)備進(jìn)行，然后進(jìn)入了我們所處的觸控時(shí)代，實(shí)體按鍵不斷減少，甚至出現(xiàn)了所有操作都通過虛擬按鍵實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品?，F(xiàn)在觸控技術(shù)的不斷升級(jí)，讓用戶可以通過各種手勢(shì)、力度、多點(diǎn)觸控等方式，實(shí)現(xiàn)平時(shí)需要復(fù)雜操作才能實(shí)現(xiàn)的功能。
觸控面板也叫觸摸屏(Touch Panel, or Touch Screen, or Touch Pad, etc)，凡是電子設(shè)備都要用到屏幕，如果你不想讓你的屏幕被無聊的鍵盤占據(jù)一半面積，就必須要使用觸摸屏作為人機(jī)對(duì)話的媒介，觸摸屏作為一種最新的電腦輸入設(shè)備，它是目前最簡(jiǎn)單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式。
觸摸屏技術(shù)的發(fā)展歷史
觸摸屏的背景技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)40年代，但有很多證據(jù)表明至少直到1965年后觸摸屏才切實(shí)可行。
20世紀(jì)六十年代：第一個(gè)觸摸屏
歷史上通常認(rèn)為第一個(gè)手指式觸摸屏是由E.A.Johnson于1965年在位于英國(guó)馬爾文的皇家雷達(dá)研究院發(fā)明的。Johnson最初在《電子快報(bào)》上發(fā)表題為“觸摸顯示—一種新的計(jì)算機(jī)輸入/輸出設(shè)備”的論文中描述了他的工作。論文中一幅示意圖描述了我們今天許多智能手機(jī)使用的一種觸摸屏的機(jī)制---就是我們所知的電容式觸摸屏。
20世紀(jì)七十年代：電阻式觸摸屏的發(fā)明
雖然電容式觸摸屏先被發(fā)明，但在觸摸屏的早期卻被電阻式觸摸屏超越了。美國(guó)發(fā)明家G.Samuel Hurst博士偶然的發(fā)明了電阻式觸摸屏。
作為一類技術(shù)，電阻式觸摸屏的生產(chǎn)成本通常非常實(shí)惠。在餐館，工廠和醫(yī)院中的機(jī)器和設(shè)備大都使用的是這種觸摸技術(shù)，因?yàn)槠湓谶@些環(huán)境中足夠耐用。智能手機(jī)制造商過去也使用這種電阻式觸摸屏，但在今天的手機(jī)領(lǐng)域其僅僅存在于低端的手機(jī)中。
20世紀(jì)八十年代：觸摸技術(shù)的十年
1982年，多倫多大學(xué)的NimishMehta開發(fā)出了第一個(gè)可操作的多點(diǎn)觸摸設(shè)備。輸入研究團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)出了一個(gè)毛玻璃板，在其背部帶有能識(shí)別顯示在屏上的不同黑點(diǎn)，進(jìn)而能偵測(cè)到操作動(dòng)作的攝像頭。
不久之后，一名美國(guó)計(jì)算機(jī)能手，Myron Krueger設(shè)計(jì)出了手勢(shì)交互技術(shù)，他開發(fā)出了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)以跟蹤紀(jì)錄手的移動(dòng)?？唆敻裨O(shè)計(jì)的視頻地帶(video place)后來被稱之為視頻臺(tái)(video Desk)。
該研究工作比該觸摸技術(shù)出現(xiàn)的時(shí)間，早十多年，并且形成巨大影響?？唆敻裨谒穆殬I(yè)生涯的后期，成為虛擬現(xiàn)實(shí)及交互操作藝術(shù)的先驅(qū)。
觸摸屏在二十世紀(jì)八十年代早期，被大量進(jìn)行商用化。惠普在1983年9月，以其HP-150為其商用化開端。該計(jì)算機(jī)采用MS-DOS操作系統(tǒng)，并且?guī)в幸粋€(gè)9英寸索尼CRT顯示器，該顯示器被能夠識(shí)別，屏上的用戶手指下移的紅外發(fā)光器和探測(cè)器所包圍，如戳向屏幕，將阻擋相應(yīng)紅外射線，以使計(jì)算機(jī)判定手指所指位置。
20世紀(jì)九十年代：大眾化的觸摸屏
在1993年，IBM和貝爾南方共同開發(fā)了Simon通信設(shè)備，很可能是世界上第一款智能手機(jī)，盡管當(dāng)時(shí)還沒有這個(gè)名詞。它能翻頁，收發(fā)e-mail，帶有日歷，預(yù)約計(jì)劃，電話簿，計(jì)算器，及筆寫式畫板。它還有一個(gè)電阻性觸摸屏，因此要用手寫筆來操作菜單條及輸入數(shù)據(jù)。
那一年蘋果公司也開始了它的個(gè)人數(shù)字助理(PDA)--Newton PDA。MessagePad 100帶有手寫識(shí)別軟件，通過手寫筆來進(jìn)行操作。
21世紀(jì)第一個(gè)十年及其超越
由于之前的技術(shù)積累，二十一世紀(jì)的頭十年就成為觸摸屏技術(shù)真正興盛的時(shí)期，觸摸屏技術(shù)也越來越為大眾所接受和喜愛。
當(dāng)新千年到來之際，各公司都注入更多的資源以將觸摸屏技術(shù)整合進(jìn)日常處理中。2001年，PortfolioWall首次亮相。該產(chǎn)品由通用汽車與Alias|Wavefront公司的人員共同完成，用戶僅用手勢(shì)就可以操作圖像、動(dòng)畫、3D模型。
2002年，索尼推出了一款名為SmartSkin的輸入系統(tǒng)，能夠同時(shí)識(shí)別多只手定位及多觸點(diǎn)。該技術(shù)通過電容性感應(yīng)器及網(wǎng)狀天線，計(jì)算手與表面之間的距離，既使在昏暗的光線條件下，也不會(huì)出現(xiàn)故障。
真正引爆觸摸屏手機(jī)的還是蘋果公司在2007推出具有高分辨率、多點(diǎn)觸控功能的第一臺(tái)iPhone。真正確立了觸摸屏的標(biāo)準(zhǔn)。而在今天，電容觸摸屏已經(jīng)成為一種智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配備。
觸摸屏技術(shù)的種類
觸摸屏的本質(zhì)是傳感器，目前，根據(jù)傳感器的類型，觸摸屏大致被分為紅外線式、電阻式、表面聲波式和電容式觸摸屏四種。
紅外線式觸摸屏
紅外線式觸摸屏在顯示器的前面安裝一個(gè)電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對(duì)應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時(shí)，手指就會(huì)擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點(diǎn)上的紅外線而實(shí)現(xiàn)觸摸屏操作。紅外觸摸屏不受電流、電壓和靜電干擾，適宜某些惡劣的環(huán)境條件。其主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、安裝方便、不需要卡或其它任何控制器，可以在各檔次的計(jì)算機(jī)上應(yīng)用。
電阻式觸摸屏
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，在強(qiáng)化玻璃表面分別涂上兩層OTI透明氧化金屬導(dǎo)電層。利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制。當(dāng)手指觸摸屏幕時(shí)。兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化。在X和Y兩個(gè)方向上產(chǎn)生信號(hào)，然后傳送到觸摸屏控制器。控制器偵測(cè)到這一接觸并計(jì)算出(X，Y)的位置，再根據(jù)模擬鼠標(biāo)的方式運(yùn)作。電阻式觸摸屏不怕塵埃、水及污垢影響，能在惡劣環(huán)境下工作。但由于復(fù)合薄膜的外層采用塑膠材料，抗爆性較差，使用壽命受到一定影響。
表面聲波式觸摸屏
表面聲波是一種沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械波。該種觸摸屏的角上裝有超聲波換能器。能發(fā)送一種高頻聲波跨越屏幕表面，當(dāng)手指觸及屏幕時(shí)，觸點(diǎn)上的聲波即被阻止，由此確定坐標(biāo)位置。表面聲波觸摸屏不受溫度、濕度等環(huán)境因素影響，分辨率極高，有極好的防刮性，壽命長(zhǎng)，透光率高，能保持清晰透亮的圖像質(zhì)量，最適合公共場(chǎng)所使用。但塵埃、水及污垢會(huì)嚴(yán)重影響其性能，需要經(jīng)常維護(hù)，保持屏面的光潔。
電容式觸摸屏
這種觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的，在玻璃表面貼上一層透明的特殊金屬導(dǎo)電物質(zhì)，當(dāng)有導(dǎo)電物體觸碰時(shí)，就會(huì)改變觸點(diǎn)的電容，從而可以探測(cè)出觸摸的位置。但用戴手套的手或手持不導(dǎo)電的物體觸摸時(shí)沒有反應(yīng)，這是因?yàn)樵黾恿烁鼮榻^緣的介質(zhì)。電容觸摸屏能很好地感應(yīng)輕微及快速觸摸、防刮擦、不怕塵埃、水及污垢影響，適合惡劣環(huán)境下使用。但由于電容隨溫度、濕度或環(huán)境電場(chǎng)的不同而變化，故其穩(wěn)定性較差，分辨率低，易漂移。
詳解電阻式、電容式觸摸屏工作原理
電阻式觸摸屏工作原理
電阻式觸控板主要由兩片單面鍍有ITO(氧化銦錫)的薄膜基板組成，上板與下板之間需要填充透光的彈性絕緣隔離物(spacer dot)來分開，如圖所示，下極板必須是剛性的厚玻璃防止變形，而上極板則需要感應(yīng)外力產(chǎn)生形變所以需要爆玻璃或者塑膠。
正常工作時(shí)，上下極板接電壓并且處于斷開狀態(tài)，當(dāng)外力按下時(shí)上極板發(fā)生形變與下極板接觸導(dǎo)通，此時(shí)產(chǎn)生電壓變化，通過此電壓變化可以精確測(cè)量觸摸點(diǎn)坐標(biāo)(因?yàn)橛|摸上下極板接觸后則上下極板由原來的整體電阻變成了一分為二的電阻，而電阻值分壓值與它到邊緣的距離成比例推算X、Y坐標(biāo)的)。所以電阻式觸摸屏的精度主要取決于這個(gè)坐標(biāo)電壓的轉(zhuǎn)換精度，所以非常依賴于A/D轉(zhuǎn)換器的精度(力度大小的電壓敏感性)。
因?yàn)殡娮枋轿災(zāi)煌高^壓力操控，所以不一定要用手來控制，筆、信用卡等都可以操作，即使戴套也沒關(guān)系，而且它和外界是隔離的所以它具有防塵防污的優(yōu)勢(shì);不過如果「摸」得太輕，電阻式螢?zāi)徊粫?huì)有反應(yīng)，要用輕戳才行。電阻式螢?zāi)怀杀镜土?、技術(shù)門檻低，而且，操作電阻式觸控螢?zāi)粫r(shí)需要輕敲，所以容易壞，而且靈敏度也不太好，畫畫、寫字并不流暢。
電容式觸摸屏工作原理
然而，真正帶來智能手機(jī)風(fēng)潮的是電容式觸摸屏，它是由一片雙面鍍有導(dǎo)電膜的玻璃基板組成，并在上極板上覆蓋一層薄的SiO2介質(zhì)層。如圖所示，其中上電極是用來與人體(接地)構(gòu)成平板電容感測(cè)電容變化的，而下極板用來屏蔽外界信號(hào)干擾的。
工作時(shí)，上透明電極需要接電壓并在四個(gè)角上引出四個(gè)電極，所以當(dāng)手指觸碰上面的SiO2層時(shí)，因人體是導(dǎo)電的，所以人體與上透明電極之間產(chǎn)生足夠的耦合電容，并且根據(jù)與四個(gè)角(或周邊)測(cè)量的電容值變化來計(jì)算出觸控位置坐標(biāo)(離觸控位置越近則電容越大)。但是這種表面電容式觸控(Surface Capacitive)還是無法滿足現(xiàn)在流行的多點(diǎn)觸控，如果要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控必須要使用新技術(shù)叫做Projected-Capacitive Touch，它主要改變?cè)谟趯⒈砻娴母袘?yīng)電極鋪設(shè)成一層或兩層并且進(jìn)行圖案化(主要是菱形)，一層負(fù)責(zé)X方向，一層負(fù)責(zé)Y方向。然后通過X方向和Y方向電極電容的變化來定位。
由于現(xiàn)在主流都是多點(diǎn)觸控(Multi-Touch)，所以我稍微多講一點(diǎn)他的演變過程，多點(diǎn)觸控的Projected Capacitive主要有兩種：自電容(Self-Capacitive)和互電容(Mutual Capacitive)。
自電容它是直接掃描每個(gè)X和Y的電極電容，所以當(dāng)兩個(gè)觸摸點(diǎn)的時(shí)候會(huì)額外產(chǎn)生兩個(gè)虛擬點(diǎn)(Ghost Points)，如圖所示，左邊為兩層電極圖形化示意圖(多為菱形)，它只需要一層ITO層即可，通過光刻形成X和Y電極。右邊為原理圖，從原理圖上看，當(dāng)同時(shí)觸摸(X2, Y0)和(X1, Y3)時(shí)，由于量測(cè)四個(gè)電極的電容，所以會(huì)額外多出兩個(gè)點(diǎn)(X1, Y0)和(X2, Y3)，這就是Ghost Points，只能靠軟件解決了。雖然自電容有Ghost-Points的問題，但是自電容位置精準(zhǔn)靈敏度高，最大的好處是它可以做Single layer ITO膜，但是到大尺寸(>15寸)的時(shí)候點(diǎn)數(shù)增加導(dǎo)致管腳增多，成本會(huì)很高，而且點(diǎn)數(shù)多了之后中間的線路會(huì)走不出來，必須要把ITO變細(xì)，所以電阻增大，而且點(diǎn)數(shù)多掃描時(shí)間也會(huì)增長(zhǎng)，看似沒有優(yōu)勢(shì)，但是現(xiàn)在蘋果手機(jī)貌似就是在走自電容觸控技術(shù)，這些技術(shù)應(yīng)該都突破了。
而互電容(Mutual-Cpacitiveor Trans-Capacitive)它需要兩層ITO膜層，通過特殊的結(jié)構(gòu)把X和Y電極在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分隔開，這樣它掃描的就是節(jié)點(diǎn)(Intersection)電容，而不是電極電容了。只是這兩層ITO在交點(diǎn)處的接觸必須隔開，需要用到MEMS技術(shù)將它類似立交橋架起來。
不管是自電容還是互電容，都是依賴于將電容從人體電容中導(dǎo)到電極上，所以這兩種技術(shù)都叫做電荷轉(zhuǎn)移型電容觸控(Charge-Transfer)。
電容式觸控優(yōu)勢(shì)在于速度快，可以滑而不用再用戳的。然而它只能用導(dǎo)電物體操控，它還有個(gè)缺點(diǎn)是如果觸控面積比較大(手掌)，可能你還沒碰到就有動(dòng)作了，因?yàn)槊娣e大耦合電容大，所以觸發(fā)了屏幕，所以它對(duì)外界電場(chǎng)或溫濕度導(dǎo)致的電場(chǎng)變化比較敏感。但是它是一層玻璃板結(jié)構(gòu)所以透光率比電阻式高可達(dá)90%以上。
然而不管是電阻式還是電容式觸摸屏都很難做到均勻電場(chǎng)，所以只能用于20幾寸以下的面板尺寸。如果要做大屏幕觸控必須要使用波動(dòng)式觸控技術(shù)(主要有表面聲波或紅外線波兩種)，它主要在四角或邊緣安裝紅外線或聲波發(fā)射器/接收器，當(dāng)觸控阻斷聲波或紅外線時(shí)，對(duì)應(yīng)的接收器接收不到信號(hào)則可以斷定坐標(biāo)，這種觸控屏怕臟怕灰怕油，太嬌氣了，而且很容易受環(huán)境波動(dòng)影響。
觸控技術(shù)的電路部分
上面花了大部分篇幅介紹觸控面板的感應(yīng)模塊原理及結(jié)構(gòu)，但是有傳感部分就一定有電路部分，而觸控的電路部分主要負(fù)責(zé)的事情就是：信號(hào)探測(cè)、坐標(biāo)定位、以及手勢(shì)識(shí)別(滑動(dòng)/放大/點(diǎn)擊)。
而對(duì)于MCU電路來說，主要需要哪些電路單元，首先最重要的就是ADC(這是所有Sensor必須的)，其次是Scan Control和DSP(信號(hào)處理)，而掃描電路一定需要時(shí)鐘信號(hào)，所以需要Timer。而手勢(shì)識(shí)別是靠一個(gè)叫Finger Tracking的單元實(shí)現(xiàn)，最后就是User configure的代碼保存需要用到EEPROM或Flash。
而在設(shè)計(jì)上的主要難點(diǎn)有兩個(gè)：1) 高電阻加大電容問題，2) 噪聲耦合(Noise Coupling)。前者主要是由于屏幕越來越大導(dǎo)致ITO的電極越來越長(zhǎng)所以電阻越來越大，另外電極越來越長(zhǎng)導(dǎo)致電容面積越來越大所以電容也變大，最后的問題是RC-delay延長(zhǎng)，而解法要么是通過加大電壓來加速scan，要么是換金屬布線(Ag)。后者(Noise coupling)主要是由于面板越來越大，很容易接收到環(huán)境噪聲的干擾主要靠shielding來避免，而另外的干擾來自開關(guān)電源的干擾，這只能通過在ADC之前增加Noise Cancellation來實(shí)現(xiàn)。
觸摸屏技術(shù)已經(jīng)成了繼鍵盤、鼠標(biāo)、手寫板、語音輸入后最為普通百姓所易接受的計(jì)算機(jī)輸入方式。因?yàn)槔眠@種技術(shù)，用戶只要用手指輕輕地觸碰計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖符或文字就能實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)操作，從而使人機(jī)交互更為直截了當(dāng)，這種技術(shù)極大方便了用戶，非常適合多媒體信息查詢。它賦予了多媒體以嶄新的面貌，是極富吸引力的全新多媒體交互設(shè)備。
