科普文:觸控螢幕手套為什麼可以「隔空操作」?

2020-12-01 愛搞機

又降溫了，對於許多不得不帶上手套禦寒的機友來說，這勢必會給玩機帶來很多不便。像Lumia 920這種彪悍到爆、戴手套也可以用的神機自然沒有壓力，對於木有用上Lumia 920的機友們，也可以通過購買觸屏手套和愛搞機之前介紹的AnyGlove滴液來解決這一問題。但是，你有否想過，為什麼需要戴特製的觸屏手套才能玩機呢？

首先我們要從觸控螢幕說起。常見的觸控螢幕有兩種，一種是電阻屏，通過屏幕壓力感應產生的電流變化實現觸摸感應，電阻屏是不存在戴手套無法操作的問題的，有這一問題的是大多數機型使用的電容屏，其原理為，當電容屏工作時當中的導電夾層內形成一個交流電場，當人體觸摸到屏幕時，在手指和導體層之間就會形成一個電容並產生放電現象，會有一定數量的電荷轉移到人體上，從而導致屏幕邊緣的電極電壓改變，依此計算出觸摸的準確位置。而戴上手套相當於加入了一層絕緣物質，使得電容屏無法對其作出反應。

理科的童鞋們，下面是檢驗你有沒有把中學課本還給老師的時刻：

【電容器】：是儲存電荷的裝置，由兩個彼此絕緣（或有電介質填充）又相隔很近的導體（兩極板）構成。最簡單的電容器叫平行板電容器，如下圖所示：

如果你對中學物理還有印象，你或許會記得，電容器所帶電荷量Q與電容器兩極板之間的電勢差U之比叫做電容器的電容，即：

C=Q/U。

這一公式被稱為電容的定義式，它告訴我們，一個既定的電容器多帶的電荷量Q與電容器兩極板之間的電勢差U成正比，其比值是一個常量。之前有報導稱Lumia 920的屏幕之所以更為靈敏，是因為Lumia 920通過加大了電極的電壓導致觸控螢幕中網狀電場的電荷數量增加，但由上式得知，電容器的電容與Q、U無關，而是由電容器本身的結構決定。Lumia 920的觸控螢幕為什麼更靈敏呢？讓我們來看看有關平行板電容器的第二個決定式（其中k為靜電力常量）：

這一公式解釋了影響平行板電容器電容大小的因素，即兩極板之間的正對面積S、兩極板間距D、介電常數εr。兩極板之間的正對面積越大、間距越小、介電常數常數越大，電容C的數值就越大，電容屏也更靈敏。

從中我們也可以對這三個因素進行具體分析：

1. 正對面積S

從以下的視頻看出，在墊上名片後（改變了介電常數，降低靈敏度）如果我們僅僅是以手指尖很小的一點面積去觸摸iPad，觸控螢幕是沒有反應的；但如果我們增大手指與觸控螢幕的面積，C的數值發生了變化，電容屏也可以根據我們的操作作出相應的反應；

2. 間距D

Lumia 920比更靈敏的原因是減小了手指與導體電場之間的間距：Lumia 920採用的超敏感觸控螢幕將顯示屏和傳感器集成在了一起，這使得讓超敏感觸控螢幕的厚度比普通觸控螢幕薄了整整1毫米（如下圖所示）。同時原來都在顯示屏上方的感應器和傳送器的位置發生了變化，傳送器變成了顯示器的背部，而感應器變成了顯示器的正面，這一調整帶來了信噪比的提升，讓傳感器能夠捕捉到更弱的觸摸信號；

 3. 介電常數εr

不同的電介質具有不同的介電常數εr。例如空氣的εr約等於1，煤油的εr等於2，陶瓷的εr等於6，雲母的εr等於81。（順便提一下，介電常數是用來形容絕緣性的，而金屬是導體，電流可以通過但很難留下，關於金屬的介電常數有專門的論文，此處不再討論。）

一般的手套之所以無法讓觸控螢幕作出反應，主要原因就是因為手套是絕緣物質，介電參數很低，而所謂的觸控螢幕手套實際上是在手套的指尖位置植入了非常細的金屬線，從而增強了傳導電荷的能力；同樣，之前提到的AnyGlove滴液實質上就是一種電介質，通過改變了人體與觸控螢幕形成的「耦合電容」介電參數，使得電容C的數值變大，從而讓我們可以戴著手套也可以進行操作。

了解了觸控螢幕手套的原理，接下來愛搞機也會試著進行DIY觸控螢幕手套的製作，敬請關注後續文章。

【參考資料】

1. 《物理》高二分冊

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