《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電阻式觸摸屏在手機上的應(yīng)用和發(fā)展
摘要: 文章介紹了電阻式觸摸屏技術(shù)在手機上的應(yīng)用,從傳統(tǒng)四線電阻式、純平電阻式到電阻式多點技術(shù),其中重點分析了目前最新的電阻式多點技術(shù),包括模擬矩陣電阻AMR、數(shù)字矩陣電阻DMR、五線多點電阻MF技術(shù)及Altera解決方案。
關(guān)鍵詞: 電阻式觸摸屏 觸摸屏 手機
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文章介紹了觸摸屏" title="電阻式觸摸屏">電阻式觸摸屏技術(shù)在手機上的應(yīng)用,從傳統(tǒng)四線電阻式、純平電阻式到電阻式多點技術(shù),其中重點分析了目前最新的電阻式多點技術(shù),包括模擬矩陣電阻AMR、數(shù)字矩陣電阻DMR、五線多點電阻MF 技術(shù)及Altera 解決方案。

1 傳統(tǒng)四線電阻式觸摸屏技術(shù)

早期手機觸摸屏技術(shù),如前面提到的摩托羅拉A6188 手機是采用傳統(tǒng)的"模擬四線電阻式觸摸屏"技術(shù),這種觸摸屏由兩層涂有透明導(dǎo)電物質(zhì)的玻璃和塑料構(gòu)成,手指觸摸的表面是一個硬涂層,用以保護下面的PET(聚脂薄膜)層,在表面保護硬涂層和玻璃底層之間有兩層透明導(dǎo)電層ITO(氧化銦,弱導(dǎo)電體),分別對應(yīng)X、Y 軸,它們之間用細微透明的絕緣顆粒絕緣,如圖1 所示。

觸摸產(chǎn)生的壓力會使兩導(dǎo)電層接通,按壓不同的點時,該點到輸出端的電阻值也不同,因此會輸出與該點位置相對應(yīng)的電壓信號(模擬量),經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后即可獲取X、Y 的坐標(biāo)值,如圖2 所示。這就是電阻技術(shù)觸摸屏的最基本原理,此類技術(shù)目前已經(jīng)成熟,因為價格低、易于生產(chǎn),現(xiàn)在還用于低端的手機中。

2 純平電阻式(TOUCH LENS)技術(shù)

傳統(tǒng)的手機電阻觸摸屏與手機機殼裝在一起,是有凹凸面的,結(jié)構(gòu)不密封。現(xiàn)在市場上具體應(yīng)用得比較前端的是采用TOUCH LENS 技術(shù)的一種觸摸屏,中文俗稱為"鏡面式觸摸屏"、"純平觸摸屏"等,現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用,以蘋果iPhone 為主要推動力量,它分為電阻式和電容式,iPhone 就是用電容式技術(shù)的,此前市場上應(yīng)用比較多的是電阻式,其工作原理同傳統(tǒng)電阻式觸摸屏一樣,結(jié)構(gòu)如圖3 所示,圖4所示為從手機屏幕面所看到的一個純平效果的例子。

TOUCH LENS 的主要特點:(1) 觸摸面板與手機機殼表面完全平整、結(jié)構(gòu)密封、防灰塵;(2)能加工不規(guī)則形狀,以將手機外觀設(shè)計得更美觀;(3)手寫順滑、手感舒服,屏面清潔、外觀漂亮,材質(zhì)過硬,不容易破碎;(4)因為上下電極層都是膜結(jié)構(gòu),厚度比傳統(tǒng)觸摸屏更薄,對于結(jié)構(gòu)設(shè)計頗具優(yōu)勢。

3 觸摸屏多點觸控技術(shù)的發(fā)展

3.1 電阻式多點觸摸屏(Multi -touchresiSTive screen)技術(shù)
不管是傳統(tǒng)的四線電阻式觸摸屏還是TOUCHLENS 結(jié)構(gòu),以上手機只能單點觸摸,不能滿足豐富的觸摸動作體驗,火熱的多點觸摸技術(shù)促使電阻式觸摸屏的進一步發(fā)展。在電容屏大行其道的今天,電阻式觸摸屏解決方案以其固有的簡單、低成本,支持多種輸入介質(zhì)(導(dǎo)體、非導(dǎo)體)的優(yōu)點仍然占據(jù)市場的一席之地,和電容式觸摸屏解決方案相比,耐久性和多點觸摸是電阻屏的兩大軟肋,但是目前其中的一個技術(shù)難題---多點觸摸,已經(jīng)有所突破,下面對目前電阻屏多點觸摸應(yīng)用進行闡述。

當(dāng)前電阻式多點觸摸技術(shù)可大致分為數(shù)字矩陣電阻DMR、模擬矩陣電阻AMR 及五線多點電阻MF 三類。

3.2 模擬矩陣電阻AMR 技術(shù)
如圖5 所示,AMR 是沿X 與Y 兩個方向在ITO層蝕刻出一條一條平行排列的區(qū)塊,相當(dāng)于將整個觸摸屏劃分成很多小矩陣區(qū)塊,每個小矩陣相當(dāng)于一個小的模擬四線電阻式觸摸屏,各個區(qū)塊彼此獨立。如圖6 所示,當(dāng)手指按壓到對應(yīng)的區(qū)塊時,區(qū)塊就會傳出對應(yīng)比例的電壓,控制器接收到電壓后再將其翻譯成坐標(biāo)信息。

圖5 給出了利用四線式電阻觸摸屏實現(xiàn)多點觸摸技術(shù)的方法:第一個時刻,在X1 電極上加上電壓,由Y1、Y2、Y3 電極讀取A、B、C 觸摸單元所探測到的X 坐標(biāo);同理,在以后的各個時刻依次讀取剩余觸摸單元的X 坐標(biāo)。獲得所有觸摸單元的X 坐標(biāo)后,再依次給Y 電極加上電壓,以獲得各個觸摸單元的Y 坐標(biāo)。

模擬矩陣電阻AMR 與純數(shù)字的DMR 技術(shù)多點觸摸屏系統(tǒng)不同,AMR 是一個數(shù)字模擬混合系統(tǒng),因此,在掃描電路、AD 轉(zhuǎn)換電路、控制電路的基礎(chǔ)上,還需添加各種輔助元件來減小外界噪聲對模擬電路的干擾。特別是對于AD 轉(zhuǎn)換,為了提高轉(zhuǎn)換的精準(zhǔn)度,有必要在硬件電路上添加下拉電阻,以避免無觸摸發(fā)生時AD 輸入端浮接的現(xiàn)象。

控制電路將控制掃描電路生成恰當(dāng)?shù)膾呙栊盘?,并使得AD 轉(zhuǎn)換電路在恰當(dāng)?shù)臅r候進行數(shù)據(jù)采樣和轉(zhuǎn)換。對于AD 轉(zhuǎn)換電路,可以在串行轉(zhuǎn)換和并行轉(zhuǎn)換間做取舍。串行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)簡單,需要的AD 模塊數(shù)量少,但是總的轉(zhuǎn)換頻率低;并行轉(zhuǎn)換需要的AD 模塊數(shù)量稍多,但總的轉(zhuǎn)換頻率可以得到提高。

于是基本電路構(gòu)架便可以分為串行和并行兩種,如圖7 所示。值得注意的是,圖6 僅表現(xiàn)了坐標(biāo)采集轉(zhuǎn)換電路的基本原理和結(jié)構(gòu),并沒有畫出為減小各種電器噪聲而添加的元件,如AD 的下拉電阻、濾波電容等。

3.3 數(shù)字矩陣電阻DMR 技術(shù)
原理上,DMR 是將觸控面板上下層劃分成許多很小的區(qū)塊,當(dāng)某一區(qū)塊被碰觸,這一區(qū)塊就會被啟動開關(guān),此時線路會發(fā)出指示開關(guān)的數(shù)字訊號傳給控制器,控制器便能計算出觸碰位置的坐標(biāo)。

如圖8 所示,8×8 數(shù)字電阻觸摸屏, 基于Altera 解決方案[1]:它采用兩層ITO 分別作為水平的sensing line(觸摸感測線)和垂直的driving line(加電驅(qū)動線),driving line 和sensing line 之間的觸點就相當(dāng)于一個開關(guān),在未接觸時,它們之間是絕緣的,而接觸發(fā)生后,兩者發(fā)生短路,相當(dāng)于開關(guān)閉合。驅(qū)動的時候,其中sensing line 通常由一個上拉電阻施加高電平,同時在driving line 上以一定頻率依次在各列中施加負脈沖電壓,這樣當(dāng)掃描到觸點所在的那一列時,由于觸點開關(guān)閉合,形成直流通路,使得觸點所在行的電壓被拉低,形成一個負脈沖,這樣就檢測到了觸點的位置。由于driving line 是依次掃描,所以可以檢測到多個觸點的位置。


圖8 觸摸解碼的工作模式

數(shù)字矩陣電阻DMR 其實就是一個開關(guān)網(wǎng)格,由于各個開關(guān)節(jié)點彼此獨立識別,所以互不干擾,可以實現(xiàn)真正意義上任意多點的多點觸摸。橫向數(shù)據(jù)的并行寫入以及不需要AD 轉(zhuǎn)換,極大地提高了觸摸屏的工作速度。但是,數(shù)字矩陣電阻DMR 需要眾多的電極和端口,導(dǎo)致其成本遠高于模擬矩陣電阻AMR,故僅適用于對系統(tǒng)可靠性和工作速度有特別要求的應(yīng)用場合。

3.4 五線多點電阻MF 技術(shù)
無論是AMR 還是DMR,只要上層的導(dǎo)電薄膜被劃傷,整個觸摸屏就會無法正常使用。傳統(tǒng)五線電阻屏,只有下導(dǎo)電層是電壓分布層,上導(dǎo)電層只是電壓檢測層,所以對上導(dǎo)電層的電阻均勻性沒有嚴(yán)格的要求,不存在真實坐標(biāo),耐受性較高。工作時在下導(dǎo)電層的四個角上加電壓,這樣就可以在下導(dǎo)電層X 和Y 兩個方向產(chǎn)生均勻電壓場分布,如圖9(a)所示,當(dāng)有觸摸時,通過上導(dǎo)電層檢測接觸點電壓,然后傳送給控制器轉(zhuǎn)換為觸摸點X 和Y方向的坐標(biāo)。

傳統(tǒng)五線電阻屏的優(yōu)點:(1)上導(dǎo)電層電阻均勻性要求較低;(2)上導(dǎo)電層只做檢測作用,損傷后只要導(dǎo)通即可使用,點擊、劃線壽命大大優(yōu)于四線屏(例如:點擊:四線100 萬次,五線500 萬次;劃線:

四線10 萬次,五線50 萬次);(3)只在下導(dǎo)電層完成X、Y 坐標(biāo)的檢測,定位更加準(zhǔn)確。缺點:(1)從四角加電壓,容易產(chǎn)生枕形失真;(2)由于補償電極的設(shè)計,邊框不可能做得很窄,因此目前一般只在中大尺寸屏上應(yīng)用,在手機上應(yīng)用很少。

MF 除了具有傳統(tǒng)五線屏的所有優(yōu)點之外,還有本身的一些特點,如圖9(b)所示:(1)采用分段電極設(shè)計,取代原來的補償電極設(shè)計,使用金屬走線代替印刷銀線,邊框可以做得較窄,適合在各種尺寸上應(yīng)用;(2) 通過在上導(dǎo)電層進行分塊可以實現(xiàn)多點觸摸,支持手寫輸入;(3)具有和四線電阻屏同樣優(yōu)秀的線性。

MF 需要在Glass 上進行一次ITO 和金屬的濺射和蝕刻(Metal sputtering and etching),因此價格比四線電阻屏要高。電容屏(Cypress)需要濺射兩層二氧化硅、兩層ITO 和一層金屬,然后蝕刻,后續(xù)都要進行一定的加工,因此電容屏的價格要比多點觸摸電阻屏高出30~40%.MF 因為是多電極引出,邊框不可能非常窄,現(xiàn)階段可以做到最內(nèi)側(cè)金屬電極到屏邊界2.3mm,還可進一步窄化。另外,其上導(dǎo)電層分塊之間的間隙會影響外觀,目前已經(jīng)可以將間隙做到30μm 以下,只有特殊角度才可以看得到,并且該間隙對使用沒有任何影響。

目前致力于電阻式多點觸摸解決方案的公司除了Altera,還有Stantum、Touchco、Samsung等,成本低是它的最大優(yōu)勢,如果能在精確度和可靠性上更進一步,相信電阻式觸摸屏?xí)芮嗖A。

4 結(jié)論

多點觸摸技術(shù)的操作方式把我們帶進了一個人機交互的新紀(jì)元,尤其是手機的操作理念正經(jīng)歷著一場革命。新的觸摸屏技術(shù)正向著更簡單、更直觀、更人性化的方向發(fā)展,用觸控式的屏幕虛擬鍵盤替代傳統(tǒng)實體鍵盤可以節(jié)約手持設(shè)備寶貴的體積空間,并且可以在不需要使用鍵盤應(yīng)用(如電影播放)時獲得更大的可視空間。同時,省去了鍵盤也可以大大簡化廠家的生產(chǎn)工藝,減少材料的浪費。未來是一個觸摸的時代,多點觸摸技術(shù)將會帶給人更多的欣喜和體驗。

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