电容式触摸屏将引领市场潮流
屈伟平

摘要：本文比较了电容式触摸屏和电阻式触摸屏的原理，并对电容式触摸屏进行了分类介绍，总结了电容式触摸屏的优势和缺陷。预示了触摸屏电容式必将取代电阻式的发展趋势。

关键词：电容式触摸屏 电阻式触摸屏 替代趋势

    触摸屏广泛应用于我们日常生活各个领域，如手机、媒体播放器、导航系统、数码相机、数码相框、PDA、游戏设备、显示器、电器控制、医疗设备等等。主流的触摸屏分为电阻式触摸屏、电容式触摸屏、声表面波式触摸屏、红外线式触摸屏等。其中，红外线式和电容式触摸屏能够支持多点触控，前者由于尺寸限制和线性度不高，尚不能满足消费类产品的要求，而电容式触摸屏因其相对町接受的成本以及良好的线性度和可操作性，是目前主流的多点触控技术。在实际生活中我们接触最多的还是电阻式触摸屏，它已经被广泛地应用在手机和随身数码产品当ffi。但电容式触摸屏将成为发展趋势，替代电阻式触摸屏。

1 电容式和电阻式触摸屏原理比较

1．1 电容式触摸屏

    电容式触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的。电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层ITO，最外层是一薄层矽土玻璃保护层，夹层ITO涂层作为工作面，四个角上引出四个电极，内层ITO为屏蔽层以保证良好的：f=作环境。

    当手指触摸在金属层上时，由于人体电场，用户和触摸屏表面形成以一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是直接导体，于是手指从接触点吸走一个很小的电流。这个电流分从触摸屏的四角一1-_的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例的精确计算，得出触摸点的位置。电容式触摸屏示意图见图1。

图1 电容式触摸屏示意图
 

    电容式传感器的表面接收与用户相接触处的触摸信息发送到控制器板。控制器板处理触摸信号，再把信息传送给主机。然后，主机把手指位置和接触信息用于各种用户接口功能，比如输入字符、数据和屏幕滚动。

    ITO的透光度与表面阻抗成正比，即透光度越高，表面阻抗越大，但在透光度一定的情况下，IT0的图形没计也对阻抗有影响。由于这个特性，基于ITO的电容式触摸感应设计要面对不小的挑战，因为阻抗的存在，增加T电容充放电的时间，从而使感应时间变长，信噪比(SNR)也会相应降低。尽量减少感应电极的固有阻抗，是设计感应电容式触摸屏的关键因素。

1.2 电阻式触摸屏

    电阻触摸屏的主要部分是一块与显示器表面非常配合的电阻薄膜屏，这是一种多层的复合薄膜，它以一层玻璃或硬塑料平板作为基层，表面涂有一层透明氧化金属(透明的导电电阻)导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防擦的塑料层，它的内表面也涂有一层涂层，在他们之间有许多细小的(小于l／1000英寸)的透明隔离点把两层导电层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化，在X和Y两个方向上产生信号，然后送触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(X，Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。这就是电阻技术触摸屏的最基本的原理。

2 电容式触摸屏的分类

    电容式触摸屏主要有两种类型：表面式电容触摸屏和投射式电容触摸屏。

2．1 投射电容式触摸屏

    传感器利用触摸屏电极发射出静电场线，秣为投射电容式触摸屏。一般用于投射电容传感器类型有两种：自我电容和交互电容。

    交互电容又叫做跨越电容，它是通过_十lI邻I 橄的耦合产生的电容。当被感觉物体靠近从一个l 饭剑 j一个电极的电场线时，交互电容的改变被感觉剑，从而报告出位置。在汽车应用中交互电容传感器作为f导性传感器被广泛用作汽油调节。

    自我电容又称绝对电容，是最广为采用的一种力‘法。它把被感觉的物体作为电容的另一个极板 该物体在传感电极和被传感电极之间感应出电荷，从 被感觉到。所测量的电荷存储在结果电容耦合中。

    数百万种自我电容方法在人们日常生活的位置传感中被采用。例如当今的笔记本电脑匕触摸输入板到处存在。最典型的笔记本电脑触摸输入板采用XxY
的传感电极阵列形成一个传感格子。当手指靠近触摸输入板时，在手指和传感电极之间产生一个小量电荷。采用特定的运算法则处理来自行、列传感器的信号来确定被传感物体(此处指的就是手指)的佗置。

    在上述两种类型的投射电容式传感器中，传感电容可以按照一定方法设计，以便在任何给定时间内都可以探测到触摸，该触摸不仅局限于一根手指，也可以是多根手指。投射电容式传感器可以用在很多设备上，如触摸输入板和投射电容式触摸屏，其操作的基本原理是一样的。其不同之处在于传感器电极的材料、传感器衬底、制造方法，以及方法堆栈中的很多问题。触摸输入板可以用不透明材料制造，如采用金属或者传感领域的碳基电极。

    投射电容式触摸屏必须是透明的，因此，经常用与基于电阻式触摸屏的透明导体相同的材料来制造，例如ITO。

    但是，与电阻式触摸屏不同，投射电容式触摸屏不需要层与层之间的空气间隔，或者不需要令任何层变形，因此，传感器可以采用坚硬的玻璃或者塑料衬底。投射电容式和电阻式触摸屏构造的关键不同之处足有关ITO的要求，投射电容式触摸屏的ITO是作为后一层定型在前一层上，而不是像电阻式触摸屏一样采川连续的膜淀积。虽然增加了工艺复杂程度，但是考虑到采用投射电容式触摸屏的好处，还是非常值得的。

2．2 表面式电容触摸屏

    表面式电容触摸屏采用一层铟锡氧化物(ITO)，外围至少有四个电极。当一个接地的物体靠近时，例如手指，这电极能够感应表面电容的变化。3M微触公司(3MMicro-Touch)作为该技术的最主要供应商之一， 这种方法很长一段时间被用在信息亭触摸屏L电容式触摸屏有一些局限性，它只能识别一个手指或者一次触摸。另外，考虑到电极的尺寸，对于
小尺寸屏幕(如那些用在手持式平台上的屏幕)是不实际的，因此表面式电容触摸屏发展很慢。

3 电容式触摸屏的优势和缺陷

3．1 优势

(1)耐久性

    电容式传感器接口方案中使用的材料与RTS的相问，都是在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上再加一层氧化铟锡(ITO)。不过，电容式传感器不存在RTS的光学问题和耐久性问题，因为它是单层压板，没有降低光学性能的空气间隙，而且，前者是固态的，无移动部件，从而可获得很高的可靠性和耐久性。

    在电容式传感器中，嵌入式设计人员不受限于易弯曲表面材料，因为电容主要是通过非导电性材料米感测的。即使传感器被放置在聚碳酸酯或丙烯酸等耐用材料表面之下，也叮以进行电容式感测。在这些情况巾，电容式传感器仍具有刚性罩面的环境耐久性，这个特性让它在其他技术无法胜任的环境中也能够工作。机械上的简洁性是可靠性和光学性能提高的另一个主要原因。在电容式传感器模块中，各层之间在光学性能上都彼此匹配，并层压在一起，不存在任何空气间隙及它们引起的内部反射问题。由于采用了极薄的导电层，光吸收也被减至最小。

(2)支持多点触控

    电阻式触控屏幕在工作时每次只能判断一个触控点，如果触控点在两个以上，就不能做出正确的判断了，所以电阻式触摸屏仅适用于点击、拖拽等一些简单动作的判断。而电容式触摸屏的多点触控，则可以将用户的触摸分解为采集多点信号及判断信号意义两个工作，完成对复杂动作的判断。使用两根手指的拉伸、换位即可在屏幕上完成诸如放大、旋转这样趣味十足的操作，这在电容式触摸屏出现之前，几乎是不可想象的。

(3)稳定性

    因为它是固态传感器，没有移动部件，在传感器使用期间光学性能可保持稳定一致。相反地，电阻式触摸屏需要空气间隙和绝缘点(spacer dot)，而这两者都会产生内部反射和散射光。此外，在电阻式触摸屏工作期间，若顶层表面变形，就必须采取若_f=措施来使光学畸变(比如牛顿环)降至最少。

    电容式传感器的传感器层之问不需要临界间距，而电阻式传感器的弯曲或变形可能会影响层问间距。但电容式传感器可以通过弯曲表面进行感测，无功能性损失。鉴于以上差异，在采用RTS尤法奏效的心用中，设计人员可以利用电容式传感器来增加简单又具成本效益的触摸式感测。

    基于电容式传感器的设计为终端用户提供了出色的光学和手指感测能力。由于这种传感器的光学结构匹配，减少了内部反射，故 示文本和图形的承载屏幕鲜明清晰。

3.2 缺陷

    作为目前正当红的触摸屏技术，电容式触摸屏虽然具有界面华丽、多点触控、只对人体感应等优势，但与此同时，它也有以下几个缺点：

(1)精度不高

   由于电容值与极间距离成反比，与相对面积成正比，并且还与介质的绝缘系数有关。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，这种情况尤为严莺，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15cm以内就能引起电容屏的误动作。由于电容屏是靠感应人体电流来测定位置的，因
此当用戴手套等绝缘物体的手或手持不导电的物体触摸时没有反应。

(2)容易出现漂移

    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，却比手指头面积大得多，他们直接影Ⅱ向了触摸位置的测定。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。

    电容技术的四层复合触摸屏对各波长光的透光率不均匀及光线在各层问的反射，造成色彩失真和图像字符模糊的问题。此外，当前电容式触控屏在触控板贴附到LCD面板的步骤中还存在一定的技术困难，良品率并不高，所以无形中也增加了电容式触控屏的成本

4 触摸屏电容式将取代电阻式

    根据当前电容式触摸屏的发展状况，我们认为其对电阻式触摸屏(RTS)的大规模替代将拉开序幕。根据国际权威机构的对手机、消费电子等触摸屏产品未来产能的预测，和我们对触摸屏在这些产品中渗透率的判断，未来五年触摸屏出货量高速增长非常确定。

    电阻式触摸屏是大批量应用、经过验证、低成本的技术。嵌入式设计人员在RTS上面临的两大挑战是：(1)承载显示屏的光学结构严重受损；(2)耐久性很差。电阻式触摸屏是物理式开关，必须弯曲，需要摩擦使用，这些都缩短了它们的使用寿命，常常会发生故障。

    一旦RTS平板破裂，设备的主要硬件输入就没有了，设备也就无用了。对此，设计人员也有一些有限
的预防措施可供选择。比如，在RTS表面加一个玻璃框以期保护屏幕的边角。而因此需要的开槽及玻璃框本身的成本可能是设备成本的两倍。而且，RTS必须安装在平坦表面上，不能在塑料材料之下。

    此外，RTS的静电放电(ESD)阻抗很差。这一点往往使设备更受湿度损害，同时温度和湿度的变化也会严重影响性能。RTS还让脆弱的LCD暴露在更大风险之中。至于有限的性能，RTS需要一个精度测头；这些测头在大多数滚动条和图标所在的边缘处是不准确的，它们需要用户经常性地进行校准。

    电阻式在透光性、寿命、耗电量、多点触摸屏t的劣势是由它的感应原理和结构决定的，是先天性的，无法改进。因此，当电子产品对触摸屏的品质有更高要求时，它被替代是必然的。