觸控螢幕原理介紹

一、觸控螢幕概述

觸控螢幕作為一種新的輸入設備，它是目前最簡單、方便、自然的一種人機互動方式。觸控螢幕又稱為「觸控屏」、「觸控面板」，是一種可接收觸頭等輸入訊號的感應式液晶顯示裝置；當接觸了屏幕上的圖形按鈕時，屏幕上的觸覺反饋系統可根據預先編程的程式驅動各種連結裝置，可用以取代機械式的按鈕面板，並藉由液晶顯示畫面製造出生動的影音效果，其主要應用領域為手機、平板電腦、收銀機、工業領域等。

二、常見觸控螢幕分類

目前市面上主要有幾種類型的觸控螢幕：電阻式，表面電容式和感應電容式觸控螢幕，表面聲波式，紅外式，以及彎曲波式、有源數字轉換器式和光學成像式觸控螢幕。其中又可以為兩類，一類需要ITO,比如前三種觸控螢幕，另一類的結構中不需要ITO, 比如後幾種屏。目前市場上，使用ITO材料的電阻式觸控螢幕和電容式觸控螢幕應用最為廣泛。下面以電阻和電容屏為主介紹觸控螢幕相關知識。

三、觸控螢幕結構組成

典型觸控螢幕結構一般由三部分組成：兩層透明的阻性導體層、兩層導體之間的隔離層、電極。阻性導體層：上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃，同時具有導電性的銦錫氧化物(ITO)塗在襯底上。從而形成了兩個ITO層，通過約千分之一英寸厚的一些隔離支點使兩層分開。電極：選用導電性能極好的材料(如銀粉墨)構成，其導電性能大約為ITO的1000倍。

隔離層：採用很薄的有彈性的聚脂薄膜PET，當表面被觸摸時它會向下彎曲，並使得下面具有兩層ITO塗層能夠相互接觸，從而連通電路，這也是觸控螢幕為什麼能實現觸摸的關鍵所在。

四、電阻式觸控螢幕

電阻觸控螢幕簡單來說就是個傳感器，利用壓力感應原理來實現實現觸摸。

電阻觸控螢幕原理：當人的手指按壓觸控螢幕表面時，彈性PET薄膜會向下彎曲，使上下ITO塗層能夠相互接觸形成觸摸點，採用ADC檢測該點的電壓，來計算出計算X、Y軸坐標值。

電阻觸控螢幕通常採用四線、五線、七線或八線來產生屏幕偏置電壓，回讀報點。在這裡主要以四線為例，原理如下：

1.在X+，X-兩電極加上一個電壓恆定電壓Vref，Y+接一個高阻抗的ADC。

2.兩電極間的電場呈均勻分布，方向為X+到X-。

3.手觸摸時，兩個導電層在觸摸點接觸，觸摸點X層的電位被導至 Y層所接的ADC，

 得到電壓Vx。

4.通過Lx/L=Vx/Vref，即可得到x點的坐標。

5.同理將Y+，Y-接上電壓Vref，Y軸的坐標可，然後X+電極接高阻抗ADC得到。同時四線電阻式觸控螢幕除了可以得到觸點的X/Y坐標，還可以測得觸點的壓力。

這是因為壓力越大，接觸越充分，電阻越小，通過測量這個電阻的大小可以量化壓力大小。而電壓值和坐標值成正比的，所以需要校準，通過計算(0, 0)坐標點的電壓值是否存在偏差。

電阻式觸控螢幕優缺點：

1.電阻式觸控屏幕每次工作只能判斷一個觸控點，如果觸控點在兩個以上，就無法正確判斷。

2.電阻屏需要保護膜以及相對更頻繁的校準，但電阻式觸控螢幕不受塵埃、水、汙物影響。

3.電阻式觸控螢幕的ITO塗層比較薄且容易脆斷，塗得太厚又會降低透光且形成內反射降低清晰度，ITO外雖多加了一層薄塑料保護層，但依然容易被銳利物件所破壞；且由於經常被觸動，表層ITO使用一定時間後會出現細小裂紋，甚至變型，如其中一點的外層ITO受破壞而斷裂，便失去作為導電體的作用，觸控螢幕的壽命並不長久。

五、電容式觸控螢幕

電阻式觸控螢幕不同，電容式觸摸不依靠手指按力創造、改變電壓值來檢測坐標，

它主要利用人體的電流感應進行工作。

電容式觸控螢幕原理：

電容屏通過任何持有電荷的物體包括人體皮膚工作。（人體所帶的電荷）電容式觸控螢幕是由諸如合金或是銦錫氧化物（ITO）這樣的材料構成，電荷存儲在一根根比頭髮還要細的微型靜電網中。當手指點擊屏幕，會從接觸點吸收小量電流，造成角落電極的壓降，利用感應人體微弱電流的方式來達到觸控的目的。這也是為什麼當我們帶上手套觸控螢幕幕時觸控卻無法響應。

1. 電容屏感應類型分類

按感應類型可分為表面式電容和投射式電容。投射電容屏可分為自電容屏和互電容屏兩種類型，較常見的互電容屏為例，內部由驅動電極與接收電極組成。

表面式電容觸控螢幕：

表面電容式有一個普通的ITO層和一個金屬邊框，利用位於四個角落的傳感器以及均勻分布整個表面的薄膜。當指點擊屏幕，人體手指和觸控螢幕作為兩個帶電的導體，互相靠近形成一個耦合電容，對於高頻電流來說電容是直接導體，於是手指從接觸點吸走一個很小的電流。該電流由觸控螢幕四個角上的電極中流出，電流的強弱與手指到電極的距離成正比，觸摸控制器通過計算從而得出觸摸點的位置。

投射式電容觸控螢幕：

採用一個或多個精心設計蝕燭的ITO,這些 ITO層通過蛀蝕形成多個水平和垂直電極，採用成行/列交錯同時帶有傳感功能的獨立晶片，形成投射電容的軸坐標式感應單元矩陣 ：X Y軸作為坐標式感應單元分立的行和列，來檢測每一格感應單元的電容。

2. 電容屏基本參數

通道數：從晶片上連接到觸控螢幕上的通道線數。通道越多，成本越高，走線越複雜。  傳統自容：M+N（或M*2，N*2）；互容：M+N；incell互容：M*N。 

節點數 ：採樣可獲得有效數據個數。 節點越多，可以獲取的數據越多，計算的坐標更精細，可以支持的接觸面積也更小。 自容：和通道數相同，互容：M*N。 

通道間隔：相鄰通道中心距離。 節點越多，相應的pitch就會越小。 

碼長：僅互容需要為了節省採樣時間，增加採樣信號。互容方案可能會在同一時刻有多條驅動線有信號。有多少條通道有信號，碼長就是多少（一般4個碼居多）。 因為需要解碼，當碼長過大時，對快滑有一定的影響。

3. 投射式電容屏原理

（1）電容式觸控螢幕 ：水平和垂直電極都通過單端感應方法來驅動。

自生電容式觸控螢幕玻璃表面採用ITO形成水平和垂直電極陣列，這些水平和垂直的電極分別與地構成電容，這個電容就是通常所說的自電容。當手指觸摸到電容屏時，手指的電容將會疊加到屏體電容量上，此時自電容屏通過檢測橫向與縱向電極陣列，根據觸摸前後電容的變化，分別確定橫向坐標和縱向坐標，然後組合成平面的觸摸坐標。

手指觸摸時寄生電容增加：Cp『=Cp + Cfinger，其中Cp－為寄生電容。

通過檢測寄生電容的變化量，確定手指觸摸的位置。

雙層自電容結構為例：兩層ITO，水平和垂直電極分別接地構成自電容，M+N條控制通道。

對於自容屏，如果是單點觸摸，則在X軸和Y軸方向的投影都是唯一的，組合出的坐標也是唯一的。如果觸控螢幕出現兩點觸摸並且這兩點在不同的XY軸方向，則會出現出4個坐標。但顯然，只有兩個坐標是真實的，另外兩個就是俗稱的」鬼點」。

因此，自電容屏的原理特性決定了它只能單點觸摸，而無法實現真正的多點觸摸。

（2）互電容式觸控螢幕 ：發送端和接收端不同，呈垂直交叉。

用ITO製作橫向電極與縱向電極，它與自電容區別是兩組電極交叉的地方將會形成電容，也即這兩組電極分別構成電容的兩極。當手指觸摸到電容屏時，影響了觸摸點附件兩個電極間的耦合，從而改變了這兩個電極間的電容量。檢測互電容大小時，橫向的電極依次發出激勵信號，縱向的所有電極同時接收信號，這樣可以得到所有橫向和縱向電極交匯點的電容值即整個觸控螢幕二維平面的電容大小，從而可實現可以實現多點觸控。通過檢測耦合電容的變化量，確定手指觸摸的位置。CM－耦合電容。

以雙層自電容結構為例：兩層ITO互相重疊,構成M*N個電容，M+N條控制通道。

多點觸摸技術就是以互容觸控螢幕為基礎，分為Multi-TouchGesture和Multi-Touch All-Point技術，也就是多點觸摸識別手勢方向和識別手指觸摸位置，廣泛應用於手機手勢識別和十指觸控等場景中。不僅可以識別手勢和多指識別，也允許其他非手指觸摸形式，也可以手掌，甚至手戴手套等方式進行識別。Multi-Touch All-Point的掃描方式對觸控螢幕每行和每列交叉點都需單獨掃描檢測，掃描次數是行數和列數的乘積，例如一個觸控螢幕由M行，N列組成，則需要掃描的交叉點為M*N次，這樣就可以檢測到每個互電容的變化量。當存在手指觸摸時，該互電容減小從而判斷出每個觸摸點的位置。

（3）電容觸控螢幕結構類型

屏幕的基本結構從上到下分為三層，保護玻璃，觸控層，顯示面板。手機屏幕在生產過程中需要對保護玻璃，觸控螢幕、顯示屏著三部分進行兩次貼合。

由於保護玻璃、觸控螢幕、顯示屏間每經過一道貼合製作程序，良品率就會大打折扣，如果能夠降低貼合的次數，無疑也將提高全貼合的良品率。目前較有實力的顯示面板廠商傾向推動On-Cell或In-Cell的方案，即傾向於將觸摸層製作在顯示屏；而觸控模組廠商或上遊材料廠商則傾向於OGS，即將觸控層製作在保護玻璃上。

In-Cell ：指將觸摸面板功能嵌入到液晶像素中的方法，即在顯示屏內部嵌入觸摸傳感器功能，這樣能使屏幕變得更加輕薄。同時In-Cell屏幕還要嵌入配套的觸控IC，否則很容易導致錯誤的觸控感測訊號或者過大的噪音。因此，In-Cell屏都是純自容。

On-Cell：指將觸控螢幕嵌入到顯示屏的彩色濾光片基板和偏光片之間的方法，即在液晶面板上配觸摸傳感器，相比In Cell技術難度降低不少。因此目前市面使用頻率最高觸控螢幕的為Oncell屏。

OGS（One Glass Solution）：OGS技術就是把觸控屏與保護玻璃集成在一起，在保護玻璃內側鍍上ITO導電層，直接在保護玻璃上進行鍍膜和光刻。由於OGS保護玻璃和觸控螢幕是集成在一起的，通常需要先強化，然後鍍膜、蝕刻，最後切割。這樣在強化玻璃上切割是非常麻煩的，成本高、良率低，並且造成玻璃邊沿形成一些毛細裂縫，這些裂縫降低了玻璃的強度。

(4) 電容觸控螢幕優缺點比較：1、屏幕的通透程度和視覺效果方面，OGS是最好的，In-Cell和On-Cell則次之。2、輕薄程度，一般來說In-Cell最輕最薄，OGS則次之，On-Cell比前兩者稍差。

3、屏幕強度（抗衝擊、抗摔），On-Cell最好，OGS次之，In-Cell最差。需要指出的是，OGS則因為直接將康寧保護玻璃與觸控層整合在一起，加工過程削弱了玻璃的強度，屏幕也很脆弱。

4、觸控方面， OGS的觸控靈敏度比On-Cell/In-Cell屏幕都要好，對多點觸控、手指、Stylus觸控筆的支持上，其實OGS也是好於In-Cell/On-Cell的。另外，還是因為In-Cell屏幕直接將觸控層和液晶層融合在一起，感測雜訊較大，需要有專門的觸控晶片進行過濾和校正處理。OGS屏幕對於觸控晶片的依賴則沒那麼高。

5、技術要求，In-Cell/On-Cell都比OGS要複雜，生產控制上，難度也更高。

六、觸控螢幕現狀及發展趨勢

隨著科技的不斷發展，觸控螢幕從過去最初使用電阻屏到現在廣泛使用的電容屏。現如今Incell 和 Incell觸控螢幕早已佔據主流市場，被廣泛應用於手機、平板、汽車等各個領域。而以ITO薄膜材質的傳統電容屏的局限性也愈加明顯，如阻值高、易折斷，難搬運等，尤其是在曲面或曲面或是可撓式場景中，電容屏導電性和透光性較差。為了滿足市場等對於大尺寸觸控螢幕，滿足用戶對觸控螢幕更輕更薄更好握持度的需求，曲面、摺疊柔性觸控螢幕應運而生，並逐步地應用於手機、車載觸摸，教育市場，視頻會議等場景。曲面摺疊柔性觸摸正在成為未來的發展趨勢。

參考：

《朱老師嵌入式Linux開發\1.ARM裸機全集\1.15.ARM裸機第十五部分-觸控螢幕TouchScreen》

http://bbs.51touch.com/thread-95527-1-1.html

https://www.cnblogs.com/deng-tao/p/6122142.html

https://blog.csdn.net/xubin341719/article/details/7820492

https://mp.ofweek.com/display/a645693529436

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