触摸屏与传感器的应用

触摸屏与传感器的应用

班级：应用物理01班作者：张续猛学号：201041803028

郑孟201041803029

周辉辉201041803030

摘要：触摸屏作为一种最新的电脑输入设备,他是现在最简单、方便、自然的一种人机交互方式。本文介绍了传感器在触摸屏中的原理应用以及电阻式触摸屏和电容式触摸屏的优缺点。

关键词：触摸屏、电阻式触摸屏、电容式触摸屏、传感器

前言

随着使用电脑作为信息来源的和日俱增,人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏以其易于使用、坚固耐用、反应速度快、节省空间等长处,使得系统设计师们越来越多的感到使用触摸屏的确具备具备相当大的优越性。利用这种技术,我们用户只要用手指轻轻地碰电脑显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作,从而使人机交互更为直截了当,这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。触摸屏出现在中国市场上至今只有短短的几年时间,这个新的多媒体设备还没有为许多人接触和了解,包括一些正打算使用触摸屏的系统设计师,还都把触摸屏当作可有可无的设备,从发达国家触摸屏的普及历程和我国多媒体信息业正处在的阶段来看,这种观念还具备一定的普遍性。事实上,触摸屏是个使多媒体信息或控制改头换面的设备,他赋予多媒体系统以崭新的面貌,是极富吸引力的全新多媒体交互设备。发达国家的系统设计师们和我国率先使用触摸屏的系统设计师们已清楚的知道,触摸屏对于各种应用领域的电脑已不再是可有可无的东西,而是必不可少的设备。他极大的简化了电脑的使用,即使是对电脑一无所知的人,也照样能够信手拈来,使电脑展现出更大的魅力。解决了公共信息市场上电脑所无法解决的问题。

随着城市向信息化方向发展和电脑网络在国民生活中的渗透,信息查询都已用触摸屏实现--显示内容可触摸的形式出现。

一、触摸屏的工作原理

为了操作上的方便,人们用触摸屏来代替鼠标或键盘。工作时,我们必须首先用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏,然后系统根据手指触摸的图标或菜单位置来定位选择信息输入。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成;触摸检测部件安装在显示器屏幕前面,用于检测用户触摸位置,接受后送触摸屏控制器;而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,并将他转换成触点坐标,再送给CPU,他同时能接收CPU发来的命令并加以执行。

二、触摸屏的主要类型

按照触摸屏的工作原理和传输信息的介质,我们把触摸屏分为四种,他们分别为电阻式、电容感应式、红外线式连同表面声波式。每一类触摸屏都有其各自的优缺点,要了解那种触摸屏适用于那种场合,关键就在于要懂得每一类触摸屏技术的工作原理和特点。本文主要对电阻式和电容感应式类型的触摸屏进行简要介绍：

1、电阻式触摸屏（电阻式触摸屏工作原理图）

1.1元件简介

电阻式触摸屏是一种传感器，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电阻式触摸屏

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。

1.2工作原理

电阻触摸屏的工作原理主要是通过压力感应原理来实现对屏幕内容的操作和控制的，这种触摸

电阻式触摸屏

屏屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，其中第一层为玻璃或有机玻璃底层，第二层为隔层，第三层为多元树脂表层，表面还涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面经硬化处理、光滑防刮的塑料层。在多元脂表层表面的传导层及玻璃层感应器是被许多微小的隔层所分隔电流通过表层，轻触表层压下时，接触到底层，控制器同时从四个角读出相称的电流及计算手指位置的距离。这种触摸屏利用两层高透明的导电层组成触摸屏，两层之间距离仅为2.5微米。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。

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摸点到接地边之间的距离成正比。

1.3元件优缺点

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。

电阻式触摸屏的优缺点可以归类为：

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。

5. 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。

6. 电阻式触控屏较易因为划伤等导致屏幕触控部分受损。

元件应用

多点触摸技术的操作方式把我们带进了一个人机交互的新纪元，尤其是手机的操作理念正经历着一场革命。新的触摸屏技术正向着更简单、更直观、更人性化的方向发展，用触控式的屏幕虚拟键盘替代传统实体键盘可以节约手持设备宝贵的体积空间，并且可以在不需要使用键盘应用（如电影播放）时获得更大的可视空间。同时，省去了键盘也可以大大简化厂家的生产工艺，减少材料的浪费。未来是一个触摸的时代，多点触摸技术将会带给人更多的欣喜和体验。

2、电容式传感器

2.1元件简介

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，负责触控点位置的检测。

电容式触摸屏

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。

2.1触摸技术

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，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。

2.2电容触摸屏的缺陷

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。

电容式触摸屏的缺点可以归类为以下原因：

1、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。

2、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。

3、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。

2.3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，与电阻屏相比电容触屏比较容易实现多点触摸技术，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。

三、总结

电阻式﹠电容式触摸屏的特点及功能比较

类别项目多点触

摸

触笔类

型

操作压

力

精确度校准透明度

表面硬

度

使用寿

命

成本

电阻式不支持触笔式需要低需要低低短低电容式支持手指不需要高不需要高高长高

2013—06—16