手机电阻式触摸屏的应用和发展

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引言
　　近几年来手机技术的发展日新月异，随着手机触摸屏技术的不断发展，使我们在操作手机方面的体验产生诸多变化。早期触摸屏是以一个高端的形态出现，1999 年摩托罗拉A6188 机型的出现彻底改变了大家对手机操作的观念，更重要的是手写技术被引入手机领域，触摸屏越来越多地被用在手机上。苹果的iPhONe 出现后，又打破了这一传统观念，多指触摸技术的发展，让触摸屏的应用一下子被拉到了一个全新的领域。
　　1 传统四线电阻式触摸屏技术
　　早期手机触摸屏技术，如前面提到的摩托罗拉A6188 手机是采用传统的“模拟四线电阻式触摸屏”技术，这种触摸屏由两层涂有透明导电物质的玻璃和塑料构成，手指触摸的表面是一个硬涂层，用以保护下面的PET（聚脂薄膜）层，在表面保护硬涂层和玻璃底层之间有两层透明导电层ITO（氧化铟，弱导电体），分别对应X、Y 轴，它们之间用细微透明的绝缘颗粒绝缘，如图1 所示。
　　



　　触摸产生的压力会使两导电层接通，按压不同的点时，该点到输出端的电阻值也不同，因此会输出与该点位置相对应的电压信号（模拟量），经A/D转换后即可获取X、Y 的坐标值，如图2 所示。这就是电阻技术触摸屏的最基本原理，此类技术目前已经成熟，因为价格低、易于生产，现在还用于低端的手机中。
　　


　　2 纯平电阻式（TOUCH LENS）技术
　　传统的手机电阻触摸屏与手机机壳装在一起，是有凹凸面的，结构不密封。现在市场上具体应用得比较前端的是采用TOUCH LENS 技术的一种触摸屏，中文俗称为“镜面式触摸屏”、“纯平触摸屏”等，现在已经得到广泛认可和应用，以苹果iPhone 为主要推动力量，它分为电阻式和电容式，iPhone 就是用电容式技术的，此前市场上应用比较多的是电阻式，其工作原理同传统电阻式触摸屏一样，结构如图3 所示，图4所示为从手机屏幕面所看到的一个纯平效果的例子。

　　



　　



　　TOUCH LENS 的主要特点：（1） 触摸面板与手机机壳表面完全平整、结构密封、防灰尘；（2）能加工不规则形状，以将手机外观设计得更美观；（3）手写顺滑、手感舒服，屏面清洁、外观漂亮，材质过硬，不容易破碎；（4）因为上下电极层都是膜结构，厚度比传统触摸屏更薄，对于结构设计颇具优势。
　　3 触摸屏多点触控技术的发展
　　3.1 电阻式多点触摸屏（Multi -touchresiSTive screen）技术
　　不管是传统的四线电阻式触摸屏还是TOUCHLENS 结构，以上手机只能单点触摸，不能满足丰富的触摸动作体验，火热的多点触摸技术促使电阻式触摸屏的进一步发展。在电容屏大行其道的今天，电阻式触摸屏解决方案以其固有的简单、低成本，支持多种输入介质（导体、非导体）的优点仍然占据市场的一席之地，和电容式触摸屏解决方案相比，耐久性和多点触摸是电阻屏的两大软肋，但是目前其中的一个技术难题---多点触摸，已经有所突破，下面对目前电阻屏多点触摸应用进行阐述。
　　当前电阻式多点触摸技术可大致分为数字矩阵电阻DMR、模拟矩阵电阻AMR 及五线多点电阻MF 三类。
　　3.2 模拟矩阵电阻AMR 技术
　　如图5 所示，AMR 是沿X 与Y 两个方向在ITO层蚀刻出一条一条平行排列的区块，相当于将整个触摸屏划分成很多小矩阵区块，每个小矩阵相当于一个小的模拟四线电阻式触摸屏，各个区块彼此独立。如图6 所示，当手指按压到对应的区块时，区块就会传出对应比例的电压，控制器接收到电压后再将其翻译成坐标信息。
　　



　　


　　图5 给出了利用四线式电阻触摸屏实现多点触摸技术的方法：第一个时刻，在X1 电极上加上电压，由Y1、Y2、Y3 电极读取A、b、C 触摸单元所探测到的X 坐标；同理，在以后的各个时刻依次读取剩余触摸单元的X 坐标。获得所有触摸单元的X 坐标后，再依次给Y 电极加上电压，以获得各个触摸单元的Y 坐标。
　　模拟矩阵电阻AMR 与纯数字的DMR 技术多点触摸屏系统不同，AMR 是一个数字模拟混合系统，因此，在扫描电路、AD 转换电路、控制电路的基础上，还需添加各种辅助元件来减小外界噪声对模拟电路的干扰。特别是对于AD 转换，为了提高转换的精准度，有必要在硬件电路上添加下拉电阻，以避免无触摸发生时AD 输入端浮接的现象。
　　控制电路将控制扫描电路生成恰当的扫描信号，并使得AD 转换电路在恰当的时候进行数据采样和转换。对于AD 转换电路，可以在串行转换和并行转换间做取舍。串行转换结构简单，需要的AD 模块数量少，但是总的转换频率低；并行转换需要的AD 模块数量稍多，但总的转换频率可以得到提高。
　　于是基本电路构架便可以分为串行和并行两种，如图7 所示。值得注意的是，图6 仅表现了坐标采集转换电路的基本原理和结构，并没有画出为减小各种电器噪声而添加的元件，如AD 的下拉电阻、滤波电容等。

　　



　　3.3 数字矩阵电阻DMR 技术
　　原理上，DMR 是将触控面板上下层划分成许多很小的区块，当某一区块被碰触，这一区块就会被启动开关，此时线路会发出指示开关的数字讯号传给控制器，控制器便能计算出触碰位置的坐标。
　　如图8 所示，8×8 数字电阻触摸屏， 基于Altera 解决方案［1］：它采用两层ITO 分别作为水平的sensing line（触摸感测线）和垂直的driving line（加电驱动线），driving line 和sensing line 之间的触点就相当于一个开关，在未接触时，它们之间是绝缘的，而接触发生后，两者发生短路，相当于开关闭合。驱动的时候，其中sensing line 通常由一个上拉电阻施加高电平，同时在driving line 上以一定频率依次在各列中施加负脉冲电压，这样当扫描到触点所在的那一列时，由于触点开关闭合，形成直流通路，使得触点所在行的电压被拉低，形成一个负脉冲，这样就检测到了触点的位置。由于driving line 是依次扫描，所以可以检测到多个触点的位置。
　　


　　图8 触摸解码的工作模式
　　数字矩阵电阻DMR 其实就是一个开关网格，由于各个开关节点彼此独立识别，所以互不干扰，可以实现真正意义上任意多点的多点触摸。横向数据的并行写入以及不需要AD 转换，极大地提高了触摸屏的工作速度。但是，数字矩阵电阻DMR 需要众多的电极和端口，导致其成本远高于模拟矩阵电阻AMR，故仅适用于对系统可靠性和工作速度有特别要求的应用场合。
　　3.4 五线多点电阻MF 技术
　　无论是AMR 还是DMR，只要上层的导电薄膜被划伤，整个触摸屏就会无法正常使用。传统五线电阻屏，只有下导电层是电压分布层，上导电层只是电压检测层，所以对上导电层的电阻均匀性没有严格的要求，不存在真实坐标，耐受性较高。工作时在下导电层的四个角上加电压，这样就可以在下导电层X 和Y 两个方向产生均匀电压场分布，如图9（a）所示，当有触摸时，通过上导电层检测接触点电压，然后传送给控制器转换为触摸点X 和Y方向的坐标。
　　


　　传统五线电阻屏的优点：（1）上导电层电阻均匀性要求较低；（2）上导电层只做检测作用，损伤后只要导通即可使用，点击、划线寿命大大优于四线屏（例如：点击：四线100 万次，五线500 万次；划线：
　　四线10 万次，五线50 万次）；（3）只在下导电层完成X、Y 坐标的检测，定位更加准确。缺点：（1）从四角加电压，容易产生枕形失真；（2）由于补偿电极的设计，边框不可能做得很窄，因此目前一般只在中大尺寸屏上应用，在手机上应用很少。
　　MF 除了具有传统五线屏的所有优点之外，还有本身的一些特点，如图9（b）所示：（1）采用分段电极设计，取代原来的补偿电极设计，使用金属走线代替印刷银线，边框可以做得较窄，适合在各种尺寸上应用；（2） 通过在上导电层进行分块可以实现多点触摸，支持手写输入；（3）具有和四线电阻屏同样优秀的线性。
　　MF 需要在Glass 上进行一次ITO 和金属的溅射和蚀刻（Metal sputtering and etching），因此价格比四线电阻屏要高。电容屏（Cypress）需要溅射两层二氧化硅、两层ITO 和一层金属，然后蚀刻，后续都要进行一定的加工，因此电容屏的价格要比多点触摸电阻屏高出30"40%.MF 因为是多电极引出，边框不可能非常窄，现阶段可以做到最内侧金属电极到屏边界2.3mm，还可进一步窄化。另外，其上导电层分块之间的间隙会影响外观，目前已经可以将间隙做到30μm 以下，只有特殊角度才可以看得到，并且该间隙对使用没有任何影响。
　　目前致力于电阻式多点触摸解决方案的公司除了Altera，还有Stantum、Touchco、Samsung等，成本低是它的最大优势，如果能在精确度和可靠性上更进一步，相信电阻式触摸屏会更受青睐。
　　4 结论
　　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。