今天的触屏手机

今天的触屏手机 应用物理选讲研究性论文 今天的触屏手机 专业:物理学 学院:物理科学与技术学院 【摘要】今天的触屏手机已走遍千家万户，触屏已不再是什么稀奇事，触屏机带给广大用户的便捷和新奇早已深入人心，但触屏机的触屏原理是什么，触屏机的缺陷是什么，使用触屏机的时候你该注意哪些注意事项呢,你会为触屏机诊断故障吗,视乎这些还没有像手机本身那样为人所知，为人所熟。本篇将阐述今天的触屏手机中的电容屏和电阻屏的工作原理及其区别，电容屏和电阻屏的构造，它们存在的缺陷以及电容式触屏与电阻式触摸屏的对比。 【关键词】电容屏 电阻屏 原理构造 缺陷 对比 导论: 随着世界上第一台触屏手机MOTOROLA C6188的问世，开启了21世纪的触屏手机时代。你可能买不起iphone,但你用得起华为;你可能玩不起超薄，但你随时可以用得上触屏;你可能厌倦了按键机的冷硬，而却抵制不了触屏手机带来的新奇和便捷的诱惑。 触屏手机，何为触屏，触屏的原理和构造是什么, 触摸屏系统一般包括两个部分:触摸检测装置和触摸屏控制器。触摸检测装置安装在显示器屏幕前面，用于检测用户触摸位置，接收后送触摸屏控制器;触摸屏控制器的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU发来的命令并加以执行。根据其工作原理，其目前一般被分为四大类:电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外线式触摸屏和面声波触摸屏。在这里，我们只将电阻式触摸屏和电容式触摸屏展开叙述。 正文: 一、电阻式触摸屏 电阻式触摸屏是一种传感器，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。很多 LCD模块都采用了电阻式触摸屏，这 种屏幕可以用四线、五线、七线或八 线来产生屏幕偏置电压，同时读回触 摸点的电压。电阻式触摸屏基本上是 薄膜加上玻璃的结构，薄膜和玻璃相邻的一面上均涂有ITO(纳米铟锡金属氧化物)涂层，ITO具有很好的导电性和透明性。当触摸操作时，薄膜下层的ITO会接触到玻璃上层的ITO，经由感应器传出相应的电信号，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的X、Y值，而完成点选的动作，并呈现在屏幕上。 原理 触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力(如通过笔尖或手指进行按压)足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X坐标和Y坐标的电压。如图3，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻(R1)连接正参考电压(VREF)，下面的电阻(R2)接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。 为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层 进行偏置:将它的一边接VREF，另一边接地。同时， 将未偏置的那一层连接到一个ADC的高阻抗输入端。 当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时， 电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点 到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触 [1] 摸点到接地边之间的距离成正比。 优缺点 电阻式触摸屏的优点是它的屏和控制系统都比较便宜，反应灵敏度也 很好，而且不管是四线电阻触摸屏还是五线电 阻触摸屏，它们都是一种对外界完全隔离的工 作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的 环境。它可以用任何物体来触摸，稳定性能较好。缺点是电阻触摸屏的外层薄膜容易被划伤导致触摸屏不可用，多层结构会导致很大的光损失，对于手持设备通常需要加大背光源来弥补透光性不好的问题，但这样也会增加电池的消耗。 电阻式触摸屏的优点归类为: 1.电阻式触控屏的精确度高，可到像素点的级别，适用的最大分辨率可达4096x4096。 2. 屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响，可以在较低或较高温度的环境下使用。 3. 电阻式触控屏使用的是压力感应，可以用任何物体来触摸，即便是带着手套也可以操作，并可以用来进行手写识别。 4. 电阻式触控屏由于成熟的技术和较低的门槛，成本较为廉价。 缺陷: 1. 电阻式触控屏能够设计成多点触控，但当两点同时受压时，屏幕的压力变得不平衡，导致触控出现误差，因而多点触控的实现程度较难。 2.电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。 3.检测接触误差大，不稳定。所有的触摸屏都能检测到是否有触摸发生，其方法是用一个弱上拉电阻将 其中一层上拉，而用一个强下 拉电阻来将另一层下拉。如果 上拉层的测量电压大于某个逻 辑阈值，就表明没有触摸，反 之则有触摸。这种方法存在的 问题在于触摸屏是一个巨大的电容器，此外还可能需要增加触摸屏引线的电容，以便滤除LCD引入的噪声。弱上拉电阻与大电容器相连会使上升时间变长，可能导致检测到虚假的触摸。 四线和八线触摸屏可以测量出接触电阻，即图5中的RTOUCH。RTOUCH与触摸压力近似成正比。要测量触摸压力，需要知道触摸屏中一层或两层的电阻。图6中的公式给出了计算方法。需要注意的是，如果Z1的测量值接近或等于0(在测量过程中当触摸点靠近接地的X总线时)，计算将出现一些问题，通过采用弱上拉方法可以有效改善这个问题。 二、电容式触摸屏 电容式触摸屏是在玻璃表面贴上一层 透明的特殊金属导电物质。当手指触摸在金 属层上时，触点的电容就会发生变化，使得 与之相连的振荡器频率发生变化，通过测量 频率变化可以确定触摸位置获得信息。 电容技术触摸屏CTP(Capacity Touch Panel)是利用人体的电流感应进行工作的。电容屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO(纳米铟锡金属氧化物)，最外层是只有0.0015mm厚的矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作工作面，四个角引出四个电极，内层ITO为屏层以保证工作环境。 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。可以达到99%的精确度，具备小于3ms的响应速度。 电容屏主要有自电容屏与互电容屏两种，以现在较常见的互电容屏为例，内部由驱动电极与接收电极组成，驱动电极发出低电压高频信号投射到接收电极形成稳定的电流，当人体接触到电容屏时，由于人体接地，手指与电容屏就形成一个等效电容，而高频信号可以通过这一等效电容流入 地线，这样，接收端所接收的电荷量减小，而当手指越靠近发射端时，电荷减小越明显，最后根据接收端所接收的电流强度来确定所触碰的点。 电容屏要实现多点触控，靠的就是增加互电容的电极，简单地说，就是将屏幕分块，在每一个区域里设置一组互电容模块都是独立工作，所以电容屏就可以独立检测到各区域的触控情况，进行处理后，简单地实现多点触控。 苹果iPad2 电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底保护导体层及感应器，同时透光率更高。 原理 电容式触摸屏的构造主要是在玻璃屏 幕上镀一层透明的薄膜体层，再在导体层 外加上一块保护玻璃，双玻璃设计能彻底 保护导体层及感应器。电容式触控屏可以 简单地看成是由四层复合屏构成的屏体: 最外层是玻璃保护层，接着是导电层，第 三层是不导电的玻璃屏，最内的第四层也是导电层。最内导电层是屏蔽层，起到屏蔽内部电气信号的作用，中间的导电层是整个触控屏的关键部分，四个角或四条边上有直接的引线，负责 [1]触控点位置的检测。 电容式触摸屏在触摸屏四边均镀上狭长的电极，在导电体内形成一个低电压交流电场。在触摸屏幕时，由于人体电场，手指与导体层间会形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的控制器便会计算电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。电容触摸屏的双玻璃不但能保护导体及感应器，更有效地防止外在环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，电容式触摸屏依然能准确算出触摸位置。 由于电容随接触面积、介质的介电的不同而变化，故其稳定性较差， 往往会产生漂移现象。该种触摸屏适用于系统开发的调试阶段。 电容式触摸屏的缺陷 光:电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏，当然还不能和表面声波屏和五线电阻屏相比。电容屏反光严重，而且，电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀，存在色彩失真的问题，由于光线在各层间的反射，还造成图像字符的模糊。 电流:电容屏在原理上把人体当作一个电容器元件的一个电极使用，当有导体靠近与夹层ITO工作面之间耦合出足够量容值的电容时，流走的电流就足够引起电容屏的误动作。 我们知道，电容值虽然与极间距离成反比，却与相对面积成正比，并且还与介质的的绝缘系数有关。因此，当较大面积的手掌或手持的导体物靠近电容屏而不是触摸时就能引起电容屏的误动作，在潮湿的天气，这种情况尤为严重，手扶住显示器、手掌靠近显示器7厘米以内或身体靠近显示器15厘米以内就能引起电容屏的误动作。 电容屏的另一个缺点用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。 漂移:电容屏更主要的缺点是漂移:当环境温度、湿度改变时，环境电场发生改变时，都会引起电容屏的漂移，造成不准确。例如:开机后显示器温度上升会造成漂移:用户触摸屏幕的同时另一只手或身体一侧靠近显示器会漂移;电容触摸屏附近较大的物体搬移后会漂移，你触摸时如果有人围过来观看也会引起漂移;电容屏的漂移原因属于技术上的先天不足，环境电势面(包括用户的身体)虽然与电容触摸屏离得较远，却比手指头面积大的多，他们直接影响了触摸位置的测定。 其他:此外，理论上许多应该线性的关系实际上却是非线性，如:体重不同或者手指湿润程度不同的人吸走的总电流量是不同的，而总电流量的变化和四个分电流量的变化是非线性的关系，电容触摸屏采用的这种四个角的自定义极坐标系还没有坐标上的原点，漂移后控制器不能察觉和恢复，而且，4个A/D完成后，由四个分流量的值到触摸点在直角坐标系上的 X、Y坐标值的计算过程复杂。由于没有原点，电容屏的漂移是累积的，在工作现场也经常需要校准。 电容触摸屏最外面的矽土保护玻璃防刮擦性很好，但是怕指甲或硬物的敲击，敲出一个小洞就会伤及夹层ITO，不管是伤及夹层ITO还是安装运输过程中伤及内表面ITO层，电容屏就不能正常工作了。 电容式触摸屏与电阻式触摸屏的比较 电容屏能更好支持多点触控 多点触摸屏有别于传统的单点触摸屏，多点触摸屏的最大特点在于可以两只手，多个手指，甚至多个人，同时操作屏幕的内容，更加方便与人性化。多点触摸技术也叫多点触控技术。与电阻屏相比电容触屏比较容易实现多点触摸技术，目前多点触控技术已在电容屏上基本实现。 电容屏造价更高 虽然电容屏拥有诸多优点，但是因为其材料特殊、工艺精湛、其造价较高。当然这也跟厂商的不同而不同，一般来说电容屏的价格也会比电阻屏贵15%到40%。这些额外成本对旗舰级产品可能影响较小，但是对于中、低等价位智能手机确实高门槛，所以目前市场上的多数智能手机价格不菲，其中很多一部分原因是其使用了电容屏的缘故。 随着技术和应用上的发展，电容屏的造价已经下降，自2008年后在中低端智能手机上已经大部分使用电容屏，所以现如今，电容屏在手持终端上已经被广泛使用，而电阻屏在此方面的应用已经越来越少，因为价格成本相对于用户体验来说已经被忽略。 从以上对电阻触摸屏和电容触摸屏的充分阐述，相信大家已经对当今触屏手机用得最多的两种触摸屏有了全新的、较完整的认识和了解了。每一种新技术的革新必然需要克服很多各种各样的困难，当然不是每一个困难都是那么容易就能解决的，从上面的阐述我们看到了电阻式触摸屏和电容式触摸屏存在的缺陷，这些缺陷是否可以用其他材料或其他技术弥补之呢,请大家打开自己思想的阀门，将自己的思维活跃起来，想不定你将会是这一领域的工程师或解惑者呢。