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技术概述

介绍各种常见的触摸屏技术类型及其操作方法。还将讨论每种技术的优缺点，以更好地了解哪种类型最适合在任何给定应用中使用。

触摸屏技术都提供相同的功能，但不同的类型及其操作方法差异很大。它们都有特定的优点和缺点，除非您完全熟悉不同类型的技术及其操作注意事项，否则为特定应用选择正确的类型可能很困难。本文旨在概述触摸屏技术的常见类型及其优缺点。很抱歉缺少图形，但这些提交有大小限制。

这是当今最常用的触摸屏类型，主要是因为它具有良好的操作特性并且价格低廉。电阻式触摸有 4、5 和 8 线变体。术语“电线”用于表示有多少电路元件端接到电缆以连接到接口电子设备。4 线和 8 线电阻在操作上相似，8 线实际上只是 4 线变体。所有电阻技术都具有类似的结构。也就是说，它们是模拟开关。它们由透明基板构成 - 通常是玻璃，其顶部贴有导电涂层 - 通常是具有类似导电涂层的聚酯薄膜。这个周边固定的开关层用非常小的“间隔点”物理地远离基板。如果您将电阻式触摸传感器举到灯光下，通常可以看到它们。要激活传感器，请用手指或手写笔对开关层施加压力，以迫使间隔点之间的柔性聚酯与基材接触。在4线技术上，通过压降测量获得触摸的位置。基板层和开关层都具有透明的导电溅射涂层，通常是氧化铟锡（ITO），这是首选，因为它非常透明，同时提供通常为15 - 1000欧姆/平方的低薄层电阻。大多数电阻式触摸屏使用大约 300 欧姆/平方的 ITO 涂层，因为它在耐用性和光学透明度之间是一个很好的权衡。在这两层中的每一层之上都是边缘的导电母线，通常用导电银油墨屏蔽。一个图层的这些条形在 X 平面元素中垂直左右放置，另一个图层将这些条形放置在 Y 平面元素的顶部和底部。因此，4 根杆由 4 根电线连接。控制器接口将通过其中一个平面的条施加电流 - 例如 X 平面通过左侧条输入和向右输出。当该电流流过X平面基板上ITO涂层的300欧姆/平方薄层电阻时，2巴之间将出现压降。当施加压力将 X 层和 Y 层短接在一起时，Y 平面拾取电压并由控制器接口测量。您越接近 X 平面上的一个柱或另一个柱，电压就越高或越低，从而确定 X 坐标。为了获得 Y 坐标，依次执行相同的操作，但这次为 Y 平面供电，X 平面拾取电压测量值。4 Wire技术可以在非常低的功率下工作，因为它们是电压操作的并且不需要大量电流，因此它们非常适合用于便携式电池供电设备。它们还具有能够将传感器的大部分表面用作可以感应触摸的有效区域的好处。银色母线可以非常窄，以免在边缘占用太多空间。此外，银油墨的连接迹线可以通过UV电介质在顶部分层，从而形成非常紧凑的结构。在尺寸非常有限的手持设备等应用中，这也是一个重要的考虑因素。由于 4 线是电压操作的，因此导电层的电气特性不会发生变化，或者这些 X 层和 Y 层的电压读数会发生变化，从而导致接触点的位置漂移。有几个因素可能导致这种情况，最常见的因素是环境条件下传感器的加热和冷却。这只会在极端温度变化和大幅面尺寸（如 12.1 英寸或更大传感器）上成为一个明显的问题。在 6.4 英寸和更小的小格式上真的不明显。4线的真正问题是传感器寿命。没那么好。通常，通过手指操作，您可以期望在同一位置进行 400 万次或更少的触摸。使用手写笔，情况要糟糕得多。一个4线传感器只需用几个硬敲细点手写笔就可以破坏。这是因为聚酯开关层的ITO很脆。ITO是一种陶瓷，当弯曲太多时很容易破裂或“断裂”。这种开裂通常发生在聚酯开关层上，因为它反复弯曲到间隔点之间的基板层中以形成电接触。随着反复弯曲，特别是在应用上的输入按钮等频繁使用的光斑中，ITO将在该区域断裂，并且不会传导电流，从而导致该光斑的薄层电阻增加。如果使用手写笔，这种损坏发生得更快，因为手写笔的小点对开关层的弯曲要尖锐得多。如果发生这种情况，该点上方或周围的 X 和 Y 平面的电压测量值将高于应有的值，使接触点看起来好像离母线更远。这种精度损失是非线性的，无法通过重新校准来恢复，因为可能会出现漂移问题。笔基ITO聚酯薄膜等新技术首先将ITO涂在聚酯上的不规则表面上，以避免光滑的扁平ITO涂层更容易破裂。这改善了问题，但不能解决问题。4线的变体是8线，它声称“基于4线电阻技术，每个边缘提供一条额外的传感线作为触摸屏控制器的稳定电压梯度。附加4条线的功能是获得驱动电压产生的实际电压，因此触摸屏控制器可以自动纠正因恶劣环境暴露或长时间使用而导致的漂移问题。我必须承认，我对这种操作理论是如何运作的有点不确定。从来没有以任何有意义的方式向我解释过，但我相信它确实有效。在我看来，5线类型是ITO断裂问题的真正解决方案。它不依靠电压来获得它的X和Y位置，而是依靠电流。5 线由 4 线的相同开关层构成，但不是相反的 X 和 Y 母线对，而是利用放置在基板层四个角上的电极，代表 5 线中的 4 根。顶部ITO聚酯开关层是代表第5根线的单个接地层 - 因此是5根线。控制器接口对 4 个角电极施加低电压。直到接地开关层压入基板，然后电流开始从 4 个角流出，则不会发生任何事情。如果直接触摸传感器中间，则从每个角获得相同的电流，因为触摸点与每个角的距离相同，因此从角落到触摸点的ITO涂层上的电阻将是相同的。离拐角越近，随着距离和从接触点到拐角的电阻减小，电流就越高。与其他三个角的距离和电阻增加，导致电流随着接触点的移开而减少。根据从每个角落流出的电流，控制器接口可以确定接触点的位置。5线不受ITO压裂的影响，因为它不需要保持电流的实际值来保持线性。例如，如果我们的触摸点直接在屏幕中间，我们可能会看到通过每个角电极的电流为50 mA。总共为 200 mA，每个角占总数的 25%。如果电流在所有四个角处相等，则接触点必须在中间。如果ITO在屏幕中间断裂并失去90%的传导电流能力怎么办？那么只有20 mA的电流流过四个角，每个角流过5 mA，这仍然是流过每个角的总电流的25%，因此线性度保持不变。5 线将角电流值视为彼此之间的关系，而不是文字值作为 4 线中的电压读数，因此 ITO 可能会断裂，但它不会对 5 线的线性度产生任何影响。当开关层被按下时，ITO必须断裂到控制器接口无法检测到电流的程度。典型的 5 线电阻器可以通过手指激活在同一点实现 3500 万次触摸。同样，使用手写笔更少。加拿大的D Metro提供铠装电阻技术，用比聚酯更硬的玻璃/聚酯层压开关层代替聚酯开关层。除了明显的表面耐久性外，较硬的玻璃/聚乙烯开关层不能急剧弯曲以引起开关层的ITO破裂，从而使该类型的持续时间比常规5线类型长10倍。由于电阻技术需要两层ITO的透明度不如其他类型的触摸屏。电阻的光传输通常在82%左右。电阻可能不适用于某些恶劣环境，因为聚酯开关层可能会被尖锐物体损坏。此外，聚酯开关层不是防潮的，而是防潮的，这意味着在反复加热和冷却的高湿度下，水分会穿过聚酯开关层并在开关层和基板层之间的空隙内冷凝，从而导致故障。一些大幅面电阻式传感器存在“枕头”问题。这是当聚酯开关层相对于玻璃基板膨胀并且变形或膨胀并且不平放在玻璃基板上时。这通常只是外观缺陷，但如果开关层足够变形，可能会导致错误激活。这个问题通常是由于加热和冷却引起的，其中聚酯与玻璃基板相比具有更高的膨胀和收缩系数，并且在加热时会比玻璃膨胀更多。除了较低的透光率外，A D Metro的铠装电阻技术解决了上述所有缺陷。电阻技术是压力激活的，这意味着它可以与手指、重型手套、手写笔或任何其他非常理想的功能一起使用。它只需要很少的功率，并且高度可靠和快速。它具有Z轴功能，这意味着它可以检测何时对触摸点施加各种压力，如果您有一个应用程序，您希望通过对触摸按钮施加更大的压力来加速操作，例如在过程控制应用程序中快速或缓慢地打开阀门。它不受污垢任何污染的影响，并且具有隐蔽的电动操作特性，使其成为军事应用的最爱。

电容的结构有点类似于5线电阻，但没有开关层。只有一个导电涂层基板，具有类似于 5 线的 4 个角电极。使用的导电涂层通常不是ITO，而是氧化锑锡（ATO），它具有更高的薄层电阻，约为2，000欧姆/平方，更适合电容技术。ATO涂层通常具有约50埃厚的硅酸盐外涂层，以保护其在使用过程中不被摩擦。控制器电子设备将射频频率施加到四个角电极上。激活是通过将手指触摸到屏幕表面来实现的，手指表面与下方的ATO表面耦合，形成射频可以流过的电容耦合。您的身体像天线一样将射频消散到大气中。你越靠近一个角落，流经它的射频就越多。通过查看每个角落的无线电活动，控制器可以计算出手指触摸的位置。由于周围电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）来自该地区的其他无线电和电气设备，因此必须进行大量信号处理以滤除周围的RF噪声，从而使控制器接口更加复杂，需要更多功耗。尽管如此，电容式仍然相对较快。它具有非常轻巧的触感，非常适合拖放应用。由于表面是玻璃，因此具有防破坏能力，广泛用于包括游戏机在内的信息亭应用。它的光传输率约为90%。它不受污垢或污染的影响，除非严重到会干扰手指的电容耦合。它不能与厚手套或任何手写笔或指向工具一起使用，除非系紧并连接到控制器。如果您的手指太干燥，它可能无法工作，因为良好的电容耦合需要皮肤水分。如果表面被划伤，则可能导致传感器在划痕区域失效，或者在划痕足够长的情况下完全失效。EMI和RFI可能导致其超出校准范围。它不支持 Z 轴。它不适合移动操作，因为周围的EMI和RFI变化太频繁，这会混淆控制器接口。它不适合需要隐身操作的军事应用，因为它会发出射频。它需要特定的安装注意事项，因为外壳和金属边框会干扰其操作。投射电容：包括近场成像（NFI）在内的投射电容由具有ITO或ATO涂层的玻璃基板构成，该涂层被蚀刻以留下由X和Y线元素组成的网格图案。一些设计使用嵌入的金属丝，这些金属丝不明显地获得相同的网格。网格图案基板具有粘合到网格基板表面的保护玻璃板。应用于电网的交流场。当手指或导电手写笔接触传感器表面时，它会干扰磁场，从而使控制器接口能够精确定位磁场在网格上受到干扰最大的位置。然后，控制器界面可以计算触摸的位置。该技术非常耐用，除非基板网格破裂，否则不会损坏到无法正常工作的程度。它可以通过窗户感知触摸。它可以在室外操作。它不受污垢的影响。它可以戴手套使用。然而，它很昂贵。它的分辨率相对较低。它可以通过静电放电轻松敲击。它没有真正的触觉，这意味着它可以在你触摸它之前激活。它对EMI和RFI干扰敏感，因此其可靠性存在问题。

该技术不需要在传感器表面处理电信号，并且不使用导电涂层。它利用超声波来感知触摸。SAW传感器由传感器基板组成，该基板在其周边固定了一个压电发射器以及2或3个接收器。沿着传感器边缘的整个周边延伸的还有反射脊，用于在传感器表面来回反射超声波。为了检测触摸，压电换能器发出超声波突发，这些声音由周边脊在传感器的整个表面上来回反射。由于声速在某种程度上是恒定的，因此知道原始声爆发以及来自周边脊的所有反射脉冲群何时到达每个接收器。如果手指或其他吸音手写笔与传感器表面接触，则一些产生或反射的声音将被吸收，并且当控制器希望听到它们到达接收器时将丢失。这些缺失的事件允许控制器接口确定触摸必须在传感器表面上的位置，以阻止这些声音事件在预期时到达接收器。该技术提供97%的透光率，因为传感器基板只是裸露的玻璃。它还提供了非常轻巧的触摸，非常适合拖放功能。它具有高度耐用且不易破坏的玻璃表面。它将用戴着厚手套的手操作，但不能用硬手写笔或任何无法吸收声音的工具进行操作。但是，如果您划伤它足够深，超声波可能会落入凿子的山谷并反弹到太空中，从而在划痕的一侧造成死点。它容易受到污垢和灰尘的影响，从而减慢或阻挡超声波。水滴会干扰其运行 - 昆虫也会被显示器的光线吸引。它不能有效地密封，防止灰尘或湿气，因为这样的垫圈会堵塞 超声波。开孔泡沫垫圈不能密封水分，最终仍会被污垢堵塞，导致超声波阻塞。湿度和温度的变化会导致空气密度的变化，影响超声波的传播速度，从而导致精度问题。红外矩阵：这是有史以来最早开发的触摸技术之一。它操作非常简单，并且由于更适合平板显示器，因此已成为触摸的可行解决方案。IR 矩阵由一个框架组成，其中沿一侧安装一排 30 至 40 个红外光发射器，顶部或底部与沿对侧和顶部或底部对齐的红外光接收器匹配。控制器接口在 X 和 Y 平面上对红外发射器进行频闪，以提供光束网格，这些光束可以通过手指或任何触摸工具打破。当通过手指或触摸工具进行触摸时，矩阵中的一束或多束光将被破坏，控制器接口可以告诉触摸的位置以阻挡这些特定光束。此外，触摸一侧或另一侧的光束部分阻挡允许控制器界面解析为相当高的分辨率，但手写笔直径必须足够大以阻挡至少一个光发射器光束以及相邻光束的一部分，以便控制器界面看到位置的变化。随着其他技术类型的上线，该技术失宠了，因为几年前的显示器是半径曲率为22.5英寸或更小的球形CRT。当尝试在曲面CRT显示器上使用具有直光束和平面光束的红外矩阵时，存在相当大的视差问题。红外矩阵触摸屏会在您的手指到达 CRT 表面之前激活，尤其是在角落，使用起来很麻烦。当然，这不再是当今平板显示器的普遍性的问题，这也是红外矩阵卷土重来的原因。它提供了非常轻巧的触摸，适用于拖放应用程序。如果使用没有保护玻璃基板的框架版本，则光传输率为100%，这在任何应用中都是可取的。它具有良好的分辨率并且非常快。它不受温度或湿度快速变化的影响。它非常线性和准确。然而，该技术没有触觉，并且会在您的手指接触屏幕表面之前激活。它需要大量的空间来容纳厚度和框架宽度，因此可能需要显示器的特殊外壳设计来容纳框架。它具有许多组件元素，这些元素会带来更高的组件故障风险。它受到可能阻挡光束的污垢的影响。被显示光吸引的飞虫可能会错误地激活传感器。

这里还应该涉及强化玻璃基板，因为它是许多应用中的关键因素，许多人不太了解。常用的强化玻璃有两种类型。第一种也是最常见的是热钢化玻璃，通常称为安全玻璃。这种玻璃是通过将普通钠钙玻璃等玻璃引入炉子中制成的，在那里将其加热到接近熔化，然后从炉子中取出并快速鼓射以冷却外表面，同时内芯保持热。这会将玻璃的外表面张力收缩到内芯，使其非常坚固，就像加压气球一样。当外表面破裂时，张力被释放，玻璃爆炸成无害的小块，因此称为安全玻璃。这种类型的玻璃不适合显示器，因为钢化过程会使玻璃有点翘曲，从而损害其光学性能。化学强化玻璃更适合用于展示目的，因为该过程不会扭曲玻璃。将普通钠钙玻璃浸入约500摄氏度的硝酸钾浴中8至16小时。盐分子与钾分子的交换发生在玻璃表面。浴时间越长，交换越深。分子交换产生的表面导致表面张力为20，000至50，000 PSI，或高达普通退火钠钙玻璃强度的6倍。与热钢化玻璃不同，您可以切割化学强化玻璃，但您会从边缘约1-1.5英寸处失去强化性能，使其对小型传感器毫无用处。如果您想要小尺寸的强化玻璃传感器基板，则必须首先将玻璃切割成合适的尺寸，然后进行化学强化以处理边缘。与热回火不同，化学强化也没有厚度限制。使用热回火时，如果厚度低于 3 mm，如果没有核心冷却，就很难足够快地冷却外表面，因此在 3 mm 厚度以下通常无法获得适当的表面张力。您可以在 4 或 8 线电阻式传感器上使用热钢化或化学强化玻璃作为基板，因为这些传感器是用银油墨和电介质加工的，在制作基板层时不需要加热。您不能将热钢化或化学强化玻璃用于 5 线或电容技术，因为银图案和走线方式的加工由银金属制成，这为 5 线和电容的正常运行提供了所需的低内阻。银必须在烧制过程中熔化到ITO玻璃上。这种烧制会释放热钢化玻璃的表面张力，并大大降低化学强化玻璃的表面张力。如果要在 5 线或电容上使用适当的强化基板，则必须将热回火或化学强化的背玻璃板层压到传感器基板上，以便为 5 线传感器提供强化载体。虽然我们无法讨论所有触摸屏技术及其优缺点，但希望已经提供了有关更常用类型的足够信息，以便您指定最适合您需求的类型。