浅谈触摸屏技术及其应用

南京工业职业技术学院航空工程学院 赵 婕

触摸屏技术随处可见，得到了非常广泛的应用。它是一种非常简单、直接、便捷的人机交互方式，本文简略描述了触摸屏的组成、安装方式和技术原理，并且介绍了触摸屏的类型，同时，在触摸屏的尖端应用领域——电子纸和多点触摸屏方面做了简要诠释。

一、前言

自1960年美国最早开启了研究触摸屏技术的大门，1972年美国PLATO（Programmed Logic for Automated Teaching Operations）项目首先推出一款触摸屏，用于计算机辅助教学，随着触摸屏的技术越来越进步，其应用也越来越广泛，银行、车站、学校处处可见其身影，中国已经成为触摸屏最为广泛的使用者。

二、触摸屏的主要组成部分和安装方式

触摸屏主要由两部分组成：前端检测和后台控制。

检测部分是手指或触摸笔所接触的屏幕部分，其根据触摸屏类型的不同而有所不同；控制部分是触摸屏的“大脑”，通过检测到的信号位置，判断其各项功能并发出指令。例如在工业机器人触摸屏控制面板上，需要先将其位置、手臂旋转角度、移动距离等等参数进行设置，而后这些数据传输到存储器内，当用户在触摸屏上进行操作时，各项指令通过屏幕上的位置判断其具体功能，由后台控制器逐项做出相应的操作。

图1 红外触摸屏

触摸屏的安装方式有外挂式触摸屏、内置式触摸屏和整体机三种。外挂式触摸屏应用在许多工业设备环境中，触摸屏单独安装在机器外，通过对功能进行设置，从而实现对机器的操作；内置式触摸屏的最典型代表是银行ATM机，把触摸检测装置安装于显示设备的外壳内，位于显像管之前；而我们现在最常用的手机、平板电脑则是小型的整体机，显示设备直接具有触摸功能。

三、触摸屏的类型

根据触摸屏的技术原理，其主要包含以下几个种类：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、红外光技术触摸屏、表面声波技术触摸屏。这些技术类型的触摸屏几乎涵盖了工业控制、手持电话以及客户终端查询等领域。

（1）电阻式触摸屏：电阻触摸屏（如图1所示）包括表面硬涂层、聚脂薄膜、ITO(氧化铟锡)陶瓷层、底层电路层、玻璃底层等，当手指或其他物体触摸到屏幕时，改变了双层膜之间的距离，电阻发生变化，X、Y两个方向同时产生信号，传输到控制器，计算出X和Y点的值。电阻式触摸屏的价格不高，灵敏度较好，应用比较广，但是其多层结构会导致光损失，耗电较多（王春锋.电阻式触摸屏在手机上的应用和发展[J].现代显示,2011(9):38-42）。

（2）电容式触摸屏：目前很多手机以及平板电脑使用这种技术，它具有清晰度高、耗电低、定位准确的特点。以手机触摸屏为例说明，通常手机的屏幕由多层复合玻璃屏构成,从外到内依次是矽土玻璃层、高透光学胶填充层、偏光片层、电容触摸层和液晶层，触摸层主要是指ITO涂层，其四个角引出四个电极，当手指触碰在屏幕表面时，改变了其中的电流值，通过计算电流与四角距离之比，就可以准确的得到触碰位置。

图2 电容式触摸屏

（3）红外光技术触摸屏：这一类的触摸屏需在显示器上加上光点距架框，不需要在屏幕表面加上涂层或接驳控制器（刘峻宏,崔唐杰,黄明泉.一种四线式红外光学触摸屏技术的研究[J].电子世界,2015,(24):36-36,39）。光点距架框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网，当有物体触摸屏幕时，将会遮挡纵向和横向的红外线网，通过接受的信号判断其位置。

图3 红外光技术触摸屏

（4）表面声波触摸屏：在这种触摸屏中，对于其屏幕的材质没有特别高的要求，可以是钢化玻璃，表面声波触摸屏的工作原理是在玻璃屏幕的左上角和右下角分别装上纵向和横向的超声波发射换能器，右上角和左下角则是安装超声波接收换能器，四周刻有非常精密的反射条纹，通过将超声波能量与电能之间的转换实现触摸屏功能。

图4 表面声波触摸屏

四、触摸屏的未来发展趋势

目前触摸屏技术的发展呈以下几个趋势：

（1）屏幕的柔性将更好、清晰度将进一步提高

人们对于触摸屏的要求越来越高，从低分辨率到高分辨率，从透光性差到透光性良好。美国E-Ink公司在触摸屏行业中一直处于“领头羊”位置，其研发的电子纸作为新型的触摸屏材料，为许多研究机构所青睐。

电子纸技术包括三个方面，即胆固醇液晶显示技术、电泳显示技术和电润湿显示技术。电子纸所用的材料为电子墨水（E-ink），许多微胶囊悬浮于电子墨水中，这些微胶囊的直径大约在10-4米宽，在1平方英寸内，其数量可达10万个。微胶囊的内部是由染料和颜料芯片的混合物构成，当它们通电时会发生相应变化，其工作原理如图5所示。

如图5所示，白色为正极颜料芯片，黑色为负极颜料芯片，当微胶囊在受到正电场的作用时，黑色的正极颜料芯片移动到电场正极，肉眼可见为黑色，而在微胶囊底部的则是带有正电荷的白色颜料芯片；与其相邻的微胶囊则受到负电场的作用，受此影响，白色粒子移动到微胶囊的顶部使表面呈现白色，带负电荷的黑色粒子移动到微胶囊的底部。正是由于这些白色颜料芯片和黑色颜料芯片构成了屏幕上显示的文字和图像。

图5 微胶囊工作原理

由于电子纸柔性良好、耗电极低，许多公司也在致力于这方面的研发和生产，如柯达、东芝、摩托罗拉、佳能、爱普生、广州奥示等等。人们把电子纸技术应用于电子报纸、电子书、电子表等等领域（张子敬.触摸屏技术应用现状和未来发展趋[J].科技视界,2012(12):65-66），使用户越来越体会到电子产品的便携性和趣味性。

（2）屏幕材料的发展日新月异

电阻触摸屏和电容触摸屏中均会用到ITO材料，这种传统材料渐渐被金属网格、纳米银丝、碳纳米管、导电高分子、石墨烯等材料替代（吕明,吕延.触摸屏的技术现状、发展趋势及市场前景[J].机床电器,2012(3):4-7），其中金属网格和纳米银丝的导电性都优于ITO，因此为人们提供更多的选择。

（3）多点触摸技术

多点触摸是触摸屏的另一个发展方向。大家所熟悉的手机图片放大与缩小，便可以利用两点触摸来实现。目前主要有以下几种多点触摸技术，Jefferson Han于2006年提出受抑全内反射多点触摸技术，这种技术利用光的全反射原理，将红外光保存于亚克力板之中，如果屏幕的表面发生变化，则红外光也随之变化，形成触摸点（Jefferson Y.Han.Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection,Proceedings of the 18th annual ACM symposium on user interface software and technology.2005.October 23-26;T.Kitade,W Yamada,H Manabe.FTIR-based touch pad for smartphone-based HMD Enhancement,The 31st annual ACM symposium on user interface software and technology.2018.October 174-175）；散射光照明多点触摸技术由微软公司研发，将光线均匀分布于玻璃屏幕表面，当手指触摸屏幕使光线发生变化，由此得知触摸点的位置；激光平面照明、散射光平面照明、发光二极管平面多点触摸技术是三种利用不同光线来形成触摸屏的表面，其原理与前两种类似，不再赘述。

目前多点触摸屏最多可达到500点同时被触碰，这对于处理器的速度和精度提出了很高的要求，因此造价比较昂贵。多点触摸应用非常广泛，在学校、医院、工厂中处处都有用武之地，随着技术壁垒被打破，价格也将会越来越人性化。

五、结论

我国作为触摸屏最大消费者，在这个领域虽然起步略晚，但发展势头迅猛，目前深圳有许多触摸屏生产商，如欧菲光、伯恩、深越、业际等等，这些公司成为国内触摸屏行业的中坚力量，于此同时，触摸屏的处理器和驱动软件也日益发展，为国内自主产品在世界舞台增添了强大的竞争力。