触摸屏技术原理详细介绍

一、触摸屏的几个概念
所谓触摸屏，从市场概念来讲，就是一种人人都会使用的计算机输入设备，或者说是人人都会使用的与计算机沟通的设备。不用学习，人人都会使用，是触摸屏最大的魔力，这一点无论是键盘还是鼠标，都无法与其相比。人人都会使用，也就标志着计算机应用普及时代的真正到来。这也是我们发展触摸屏，发展KIOSK，发展KIOSK网络，努力形成中国触摸产业的原因。
从技术原理角度讲，触摸屏是一套透明的绝对定位系统，首先它必须保证是透明的，因此它必须通过材料科技来解决透明问题，像数字化仪、写字板、电梯开关，它们都不是触摸屏；其次它是绝对坐标，手指摸哪就是哪，不需要第二个动作，不像鼠标，是相对定位的一套系统，我们可以注意到，触摸屏软件都不需要光标，有光标反倒影响用户的注意力，因为光标是给相对定位的设备用的，相对定位的设备要移动到一个地方首先要知道现在在何处，往哪个方向去，每时每刻还需要不停的给用户反馈当前的位置才不致于出现偏差。这些对采取绝对坐标定位的触摸屏来说都不需要；再其次就是能检测手指的触摸动作并且判断手指位置，各类触摸屏技术就是围绕“检测手指触摸”而八仙过海各显神通的。
1、触摸屏的第一个特征：
透明，它直接影响到触摸屏的视觉效果。 透明有透明的程度问题，红外线技术触摸屏和表面声波触摸屏只隔一层纯玻璃，透明可算佼佼者，其它触摸屏这点就要好好推敲一番，“透明”，在触摸屏行业里，只是个非常泛泛的概念，我们知道，很多触摸屏是多层的复合薄膜，仅用透明一点来概括它的视觉效果是不够的，它应该至少包括四个特性：透明度、色彩失真度、反光性和清晰度，还能再分，比如反光程度包括镜面反光程度和衍射反光程度，只不过我们的触摸屏表面衍射反光还没到达CD盘的程度，对用户而言，这四个度量已经基本够了。今天我尽量不结合具体的触摸屏去“排队”，技术是在前进的，今天也许是声波屏最理想，明天也许又是另一种，环星公司通过触摸屏的技术本质引申出一些触摸屏的概念，目的是让用户自己学会思考、学会判断，选购适用的触摸屏。先说透明度和色彩失真度，首先提醒大家，我们大家看到的彩色世界包含了可见光波段中的各种波长色，在没有完全解决透明材料科技之前，或者说还没有低成本的很好解决透明材料科技之前，多层复合薄膜的触摸屏在各波长下的透光性还不能达到理想的一致状态，下面是一个示意图：

由于透光性与波长曲线图的存在，通过触摸屏看到的图象不可避免的与原图象产生了色彩失真，静态的图象感觉还只是色彩的失真，动态的多媒体图象感觉就不是很舒服了，色彩失真度也就是图中的最大色彩失真度自然是越小越好。平常所说的透明度也只能是图中的平均透明度，当然是越高越好。
反光性，主要是指由于镜面反射造成图象上重叠身后的光影，例如人影、窗户、灯光等。反光是触摸屏带来的负面效果，越小越好，它影响用户的浏览速度，严重时甚至无法辨认图象字符，反光性强的触摸屏使用环境受到限制，现场的灯光布置也被迫需要调整。大多数存在反光问题的触摸屏都提供另外一种经过表面处理的型号：磨砂面触摸屏，也叫防眩型，价格略高一些，防眩型反光性明显下降，适用于采光非常充足的大厅或展览场所，不过，防眩型的透光性和清晰度也随之有较大幅度的下降。
清晰度，有些触摸屏加装之后，字迹模糊，图象细节模糊，整个屏幕显得模模糊糊，看不太清楚，这就是清晰度太差。清晰度的问题主要是多层薄膜结构的触摸屏，由于薄膜层之间光反复反射折射而造成的，此外防眩型触摸屏由于表面磨砂也会造成清晰度下降。清晰度不好，眼睛容易疲劳，对眼睛也有一定伤害，选购触摸屏时要注意判别。
2、触摸屏的第二个特性：
触摸屏是绝对坐标系统，要选哪就直接点那，与鼠标这类相对定位系统的本质区别是一次到位的直观性。绝对坐标系的特点是每一次定位坐标与上一次定位坐标没有关系，触摸屏在物理上是一套独立的坐标定位系统，每次触摸的数据通过校准数据转为屏幕上的坐标，这样，就要求触摸屏这套坐标不管在什么情况下，同一点的输出数据是稳定的，如果不稳定，那么这触摸屏就不能保证绝对坐标定位，点不准，这就是触摸屏最怕的问题：漂移。技术原理上凡是不能保证同一点触摸每一次采样数据相同的触摸屏都免不了漂移这个问题，目前有漂移现象的只有电容触摸屏。
3、触摸屏的第三个特性：
检测触摸并定位， 各种触摸屏技术都是依靠各自的传感器来工作的，甚至有的触摸屏本身就是一套传感器。各自的定位原理和各自所用的传感器决定了触摸屏的反应速度、可靠性、稳定性和寿命。触摸屏的传感器方式还决定了触摸屏如何识别多点触摸的问题，也就是超过一点的同时触摸怎么办？有人触摸时接着旁边又有人触摸怎么办？这是触摸屏使用过程中经常出现的问题，我认为最理想的方式是：超过一点的同时触摸谁也不判断，一直等到多点触摸移走，有人触摸接着又有人触摸应该是分先后都判断，当然是技术上可能的话。
红外触摸屏靠多对红外发射和接收对管来工作，红外对管性能和寿命都比较可靠，任何阻挡光线的物体都可用来作触摸物，不过红外触摸屏使用传感器数目将近100对， 并且共用外围电路，这就要求传感器不仅本身性能好，还要求将近100对的红外二极管“光-电阻特性”和“结电容”都保持一致。实际应用中，万一有哪一对出现故障，可以在上电自检过程中发现并在此后加以忽略，靠邻近的红外线代替，由于每一对红外线只“监管”约6mm左右的窄带，而手指通常在15mm左右粗细，用户是察觉不到的。但如果生产过程没有对红外发射管进行老化测试，没有很好的质量管理体系，将近100对的传感器， 很快就不是一对两对“掉队”的问题了，总体寿命也就难以保证。因此，购买红外屏的用户应该了解厂家有没有严格的质量检测办法或是否通过ISO9000认证。
红外屏赖以工作的是红外线矩阵，矩阵上多点的x、y坐标能组合出平方倍多的触摸点， 见下图，A、B两点和C、D两点对红外屏来说是相同的效果，无法分辨，怎么处理呢？目前市场上的红外屏对多点触摸常见的处理不管连续否，要么不判断，要么判为左上角，即下图中不管是A、B还是C、D都判为C点。真正技术过得硬的红外屏应该是对坐标连续的多点触摸判断取中点，即判断为大物体（比如粗手指）的触摸，而对不连续的多点触摸不予判断，所以说它技术过硬是这种算法对产品的品质要求更严，不允许出现各种各样的故障情况。这种红外屏现在市场有，价格非常高。

电容触摸屏本身实际上是一套精密的漏电传感器，带手套的手不能触摸，由于使用电容方式，导致有漂移现象，在下节电容触摸屏有详细的介绍。超声波触摸屏有表面声波触摸屏和体波声波触摸屏，利用的都是电－声压电换能器作传感器，接收传感器和发射传感器所用的压电晶体不是一种型号，在制造时的掺杂材料略有不同，发射换能器功率大，接收换能器更加灵敏。压电换能器的寿命长，工作稳定，正常工作可以保证10年不出问题。触摸屏安装后，换能器是隐藏起来的，但是在运输和安装过程中需要小心谨慎，裸露的换能器晶体不能碰撞挤压。表面声波触摸屏有X、Y轴两对传感器，利用屏幕表面的声表面波来检测手指触摸，可以说，工作面是一层看不见、打不坏的声能，不怕暴力使用，最适合公共信息查询，是目前市场上最受欢迎的触摸屏产品。
以上谈了一些触摸屏技术领域的概念，当然，只是是纯技术原理的一些探讨，评判一种触摸屏，光是技术原理还只是其中的一部分，触摸屏要应用到各个领域，还要抵受千触万摸，选用材料的耐用性如何，反应速度如何 （使用要感觉顺畅反应速度须小于20ms），控制卡、驱动程序和校准程序怎么样，卡的设计水平和工艺水平，驱动程序跨操作系统平台、跨机种的通用性、计算机接口与技术趋势的紧跟程度，厂商的技术实力和服务承诺的可信任度，这些都是理性的评判一种触摸屏，更准确的说：一种产品的重要因素。
二、表面声波
表面声波，超声波的一种，在介质（例如玻璃或金属等刚性材料）表面浅层传播的机械能量波。通过楔形三角基座（根据表面波的波长严格设计），可以做到定向、小角度的表面声波能量发射。见下图。

表面声波性能稳定、易于分析，并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性，近年来在无损探伤、造影和滤波器方向上应用发展很快，表面声波相关的理论研究、半导体材料、声导材料、检测技术等技术都已经相当成熟。
表面声波触摸屏表面声波触摸屏的触摸屏部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板， 安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于别类触摸屏技术是没有任何贴膜和覆盖层。
玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器。玻璃屏的四个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。见下图。

工作原理：
以右下角的X-轴发射换能器为例：

发射换能器把控制器通过触摸屏电缆送来的电信号转化为声波能量向左方表面传递，然后由玻璃板下边的一组精密反射条纹把声波能量反射成向上的均匀面传递，声波能量经过屏体表面，再由上边的反射条纹聚成向右的线传播给X-轴的接收换能器，接收换能器将返回的表面声波能量变为电信号。
当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。

发射信号与接收信号波形在没有触摸的时候，接收信号的波形与参照波形完全一样。 当手指或其它能吸收或阻挡声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口。

接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，计算缺口位置即得触摸坐标控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴同样的过程判定出触摸点的Y坐标。 除了一般触摸屏都能响应的X、Y坐标外，表面声波触摸屏还响应第三轴Z轴坐标，也就是能感知用户触摸压力大小值。其原理是由接收信号衰减处的衰减量计算得到。

三轴一旦确定，控制器就把它们传给主机。表面声波触摸屏特点：表面声波触摸屏第一大特点是抗暴，因为触摸屏的工作面是一层看不见、打不坏的声波能量，触摸屏的基层玻璃没有任何夹层和结构应力（表面声波触摸屏可以发展到直接做在CRT表面从而没有任何“屏幕”），因此非常抗暴力使用，适合公共场所。表面声波第二大特点是清晰美观，因为结构少，只有一层普通玻璃，透光率和清晰度都比电容电阻触摸屏好得多。反应速度快，是所有触摸屏中反应速度最快的，使用时感觉很顺畅。表面声波第四大特点是性能稳定，因为表面声波技术原理稳定，而表面声波触摸屏的控制器靠测量衰减时刻在时间轴上的位置来计算触摸位置，所以表面声波触摸屏非常稳定，精度也非常高，目前表面声波技术触摸屏的精度通常是4096×4096×256级力度。
表面声波触摸屏的缺点是触摸屏表面的灰尘和水滴也阻挡表面声波的传递，虽然聪明的控制卡能分辨出来，但尘土积累到一定程度，信号也就衰减得非常厉害，此时表面声波触摸屏变得迟钝甚至不工作，因此，表面声波触摸屏一方面推出防尘型触摸屏，一方面建议别忘了每年定期清洁触摸屏。
表面声波触摸屏能聪明的知道什么是尘土和水滴，什么是手指，有多少在触摸。因为：我们的手指触摸在4096×4096×256级力度的精度下，每秒48次的触摸数据不可能是纹丝不变的，而尘土或水滴就一点都不变，控制器发现一个“触摸”出现后纹丝不变超过三秒钟即自动识别为干扰物。
表面声波触摸屏还具有第三轴Z轴， 也就是压力轴响应，这是因为用户触摸屏幕的力量越大，接收信号波形上的衰减缺口也就越宽越深。目前在所有触摸屏中只有声波触摸屏具有能感知触摸压力这个性能，有了这个功能，每个触摸点就不仅仅是有触摸和无触摸的两个简单状态，而是成为能感知力的一个模拟量值的开关了。这个功能非常有用，比如在多媒体信息查询软件中，一个按钮就能控制动画或者影像的播放速度。
电容技术的触摸屏是一块四层复合玻璃屏，如下图所示。玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO导电层，最外层是只有0.0015毫米厚的矽土玻璃保护层。内层ITO作为屏蔽层，以保证良好的工作环境，夹层ITO涂层作为检测定位的工作层，在四个角或四条边上引出四个电极。

电容屏基本工作原理的最初想法是：人是假象的接地物（零电势体），给工作面通上一个很低的电压，当用户触摸屏幕时，手指头吸收走一个很小的电流，这个电流分从触摸屏四个角或四条边上的电极中流出，并且理论上流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成比例，控制器通过对这四个电流比例的精密计算，得出触摸点的位置。

这个想法本来是很好的。但是，按照这种思路进行下去，却碰到了难以逾越的障碍：目前的透明导电材料ITO--氧化金属非常脆弱，触摸几下就会损坏，还不能直接用来作工作层。材料的问题一时还难以解决，只好委曲求全：在外部增加一层非常薄的坚硬玻璃。
这层玻璃显然是不导电的，直流导电是不行了，改用高频交流信号，靠人的手指头（隔着薄玻璃）与工作面形成的耦合电容来吸走一个交流电流，这就是电容屏“电容”名字的由来：靠耦合电容来工作。
问题解决了，但代价是很大的：首先是“漂移”，因为耦合电容的方式是不稳定的，它直接受温度、湿度、手指湿润程度、人体体重、地面干燥程度影响，受外界大面积物体的干扰也非常大，带来了不稳定的结果，这些都直接违背了作为触摸屏这种绝对坐标系统的基本要求，不可避免的要产生漂移，有的电容触摸屏欲求通过25点校准法甚至96点校准法来解决漂移问题，其实是不可能的，漂移是电容工作的这种方式决定的，即使是在控制器的单片机程序上利用动态计算和经验值查表，也只能是治标不治本。多点校准法最早是大屏幕投影触摸板使用的方法，目的是消除坐标对应的线性失真，电容触摸屏的线性失真也非常厉害，主要是因为电容屏的计算建立在四个电流量与触摸点到四电极的距离成比例的理想状态上，实际由于受环境电容、线路寄生电容和不同人使用的影响，这种比例关系不可能是完全线性的，多点校准法只能解决局域分配的线性问题，解决不了整体的漂移。
电容方式的另一个代价是：最外这层极薄的玻璃，正常情况下防刮擦性能非常好，但工艺上要求在真空下制造，因为它害怕氢，哪怕有一点氢也会结合成易脆碎的玻璃，使用中轻轻一敲就成个小破洞，这对电容触摸屏来说是要命的：破洞周围直径5cm大小的区域不能使用。实际的真空是不可能有的，这层极薄的玻璃有5%的概率碰上有破洞的产品。
电容触摸屏的透光率和清晰度优于四线电阻屏，尤其是一些新的产品。
电阻技术触摸屏基本原理：
电阻触摸屏的屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，表面涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料层，它的内表面也涂有一层透明导电层，在两层导电层之间有许多细小（小于千分之一英寸）的透明隔离点把它们隔开绝缘。

电阻触摸屏剖面结构

当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通Y轴方向的 5V均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行A/D转换，并将得到的电压值与5V相比即可得触摸点的Y轴坐标，同理得出X轴的坐标，这就是所有电阻技术触摸屏共同的最基本原理。
电阻类触摸屏的关键在于材料科技。常用的透明导电涂层材料有：
①ITO，氧化铟，弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃＝10-10米）以下时会突然变得透明，透光率为80％，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80％。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。
②镍金涂层，五线电阻触摸屏的外层导电层使用的是延展性好的镍金涂层材料，外导电层由于频繁触摸，使用延展性好的镍金材料目的是为了延长使用寿命，但是工艺成本较为高昂。镍金导电层虽然延展性好，但是只能作透明导体，不适合作为电阻触摸屏的工作面，因为它导电率高，而且金属不易做到厚度非常均匀，不宜作电压分布层，只能作为探层。
五线电阻触摸屏：
五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上，而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层ITO接触点X轴和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。 五线电阻触摸屏内层 ITO需四条引线，外层只作导体仅仅一条，触摸屏得引出线共有5条。

四线电阻触摸屏的缺陷：
电阻触摸屏的B面要经常被触动，四线电阻触摸屏的B面采用ITO，我们知道， ITO是极薄的氧化金属，在使用过程中，很快就会产生细小的裂纹，而裂纹一旦产生，原流经该处的电流被迫绕裂纹而行，本该均匀分布的电压随之遭到破坏，触摸屏就有了损伤，表现为裂纹处点不准。
随着裂纹的加剧和增多，触摸屏慢慢就会失效，因此使用寿命不长是四线电阻触摸屏的主要问题。

五线电阻触摸屏的改进：
首先五线电阻触摸屏的A面是导电玻璃而不是导电涂覆层，导电玻璃的工艺使得A面的寿命得到极大的提高，并且可以提高透光率。
其次五线电阻触摸屏把工作面的任务都交给寿命长的A面，而B面只用来作为导体，并且采用了延展性好、电阻率低的镍金透明导电层，因此，B面的寿命也极大的提高。
五线电阻触摸屏的另一个专有技术是通过精密的电阻网络来校正A面 的线性问题：由于工艺工程不可避免的有可能厚薄不均而造成电压场不均匀分布，精密电阻网络在工作时流过绝大部分电流，因此可以补偿工作面有可能的线性失真。
五线电阻触摸屏是目前最好的电阻技术触摸屏，最适合于军事、医疗、工业控制领域使用。
红外线探测技术
利用同一波长的红外发射管、红外接收管（简称红外对管）就能得到简单的红外线探测方法：
只要有物体阻挡住红外对管之间的连线，接收信号就急剧下降，因此红外线可以探测物体的阻挡，在防盗系统、自动感应系统、计数器等系统上广泛应用。
红外线若是短距离应用，根据接收信号的衰减程度还可以探知阻挡程度，这就是所谓的模拟方式，模拟方式在接收端采用密集的接收管阵列，还可用于造影成像；为防止干扰，红外探测还可采用脉冲方式，即红外发射管发射一个固定频率的信号，而接收方只对这一频率进行检测，脉冲方式抗干扰能力非常强。脉冲方式如果在工作频率上调制信号，还可用于数字通信，这就是大名鼎鼎的红外线通讯，家用电器的遥控、电脑的红外通信、甚至是当今最快的光纤通信，都缘于此。红外通信对人体没有影响，兼又发射距离短没有空间污染，当今备受亲睐。本章立意触摸屏，不神游其它，但是从这一家族兴旺，也可以看出红外触摸屏前途远大。
红外线检测技术用于触摸屏技术主要有3个技术难点：
环境光因素，红外接收管俱有最小灵敏度和最大光照度之间的工作范围，但是触摸屏产品却不能限制使用范围，从黑暗的歌厅包房到海南岛高强度阳光下的户外使用，作为产品，它必须适应。
快速检测，红外触摸屏一般尺寸最少也有64套红外对管，也就是说至少要求在0.4毫秒内就要完成一条红外线的检测。
周围的反射、折射、干扰，红外发射管有一个发射角，接收管有较大范围的接收角，如果周围反射到一定程度，你会发现手指放在什么地方也阻挡不住信号。
要解决这些问题，选择模拟方式最大的好处是可以分析提高触摸屏的分辨率，但是抗干扰能力比不上脉冲方式；选择脉冲方式虽然抗干扰能力强，但是存在脉冲方式在接收方需要一个响应过程时间的问题，而触摸屏却要求极快的速度，因此要在自适应电路、单片机软件、模具设计、透光材料选择等几个方面要有技术突破。
红外线触摸屏
红外触摸屏是在紧贴屏幕前密布X、Y方向上的红外线矩阵，通过不停的扫描是否有红外线被物体阻挡检测并定位用户的触摸。
这种触摸屏是在显示器的前面安装一个外框，外框里设计有电路板，从而在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。
每扫描完一圈，如果所有的红外对管通达，绿灯亮，表示一切正常。
当有触摸时，手指或其它物就会挡住经过该位置的横竖红外线，触摸屏扫描时发现并确信有一条红外线受阻后，红灯亮，表示有红外线受阻，可能有触摸，同时立刻换到另一坐标再扫描，如果再发现另外一轴也有一条红外线受阻，黄灯亮，表示发现触摸，并将两个发现阻隔的红外对管位置报告给主机，经过计算判断出触摸点在屏幕的位置。
红外触摸屏产品分外挂式和内置式两种。外挂式安装方法非常简单，是所有触摸屏中安装最方便的，只要用胶或双面胶将框架固定在显示器前面即可。缺点是影响外观。
内置式红外触摸屏性能更加稳定，影响外观程度小。适合KIOSK使用。
特点：
红外触摸屏的优点是可用手指、笔或任何可阻挡光线的物体来触摸。
红外触摸屏缺点是在球面显示器上使用时感觉不好，这是因为赖以工作的红外光栅矩阵显然要求保证在同一平面上，因此，真正感应触摸的工作平面距离弧形的显示器屏幕有较大的间隔，尤其在边角，但是这个缺点在平面显示器上不存在，比如液晶显示器。可以说在平面显示器上使用，红外触摸屏具有相当的优势。