觸摸屏技術及其未來發展方向

鮑兆臣

（中國建材國際工程集團有限公司，上海 200063）

1 觸摸屏的概念

觸摸屏從市場概念來說，它是以直接觸碰方式發送指令代替鍵盤和鼠標與計算機建立溝通的輸入設備，是一種透明面板。從技術原理來說，觸摸屏是一套透明的絕對定位系統，所以需要通過材料科技來解決透明問題，它不需要光標，只需要在顯示屏上輕點圖標和文字，計算機就可以按照用戶指示工作，手指觸摸在哪里就是哪里，不需要繁瑣的動作。

2 觸摸屏技術分類

根據屏幕表面定位原理不同，觸摸屏技術可分為表面聲波技術、聲學脈沖識別技術、紅外線技術、電容式觸摸屏技術和電阻式觸摸屏技術。不同種類觸摸屏性能比較，見表1。

表1 不同種類觸摸屏的性能比較［1］

2.1 表面聲波（SAW）技術

表面聲波是超聲波的一種，在金屬、玻璃等剛性材料表面傳播的機械能量波，是利用聲波定位觸控技術，其性能穩定，在橫波傳遞中具有尖銳的頻率特性。表面聲波觸摸屏的觸碰部分是一塊玻璃平板，安裝在等離子顯示器屏幕前，沒有覆蓋層。表面聲波觸摸屏的工作原理如下：通過觸摸屏電纜送來的電信號發射換能器把控制器轉化為聲波能量向左方表面傳遞，隨后通過玻璃板下邊的一組精密反射條紋把聲波能量反射到往上的均勻面傳遞，聲波能量流經屏體表面，再通過上邊的反射條紋匯聚成向右的線傳播給X軸的接收換能器，接收換能器將返回的表面超聲波能量轉變為電信號［1］。

2.2 聲學脈沖識別（APR）技術

APR由一個玻璃顯示器涂層或其他堅硬的基板組成，背面安裝四個壓電傳感器。該傳感器安裝在可見區域的兩個對角上，通過一根彎曲的電纜連接到控制卡。用戶觸碰屏幕時，手指與玻璃之間拖動發生摩擦，就產生了聲波。波輻射傳向傳感器，按聲波比例產生電信號，然后轉換數據流來確定觸摸位置。APR設計能夠消除環境影響和外部聲音。

2.3 電容式觸摸屏技術

電容式觸摸屏可以分為表面電容式屏和投射式電容屏。

2.3.1 表面電容式觸摸屏

其工作原理是利用電場感應方式感測屏幕表面，其面板四角各有一條輸出線與控制器連接在一起，工作時接地的物體觸碰到帶有電場的觸摸屏表面，面板表面電場就會發生電荷轉移，通過測量表面電荷的變化來確定接觸點位置。表面電容式觸摸屏具有透光率高、壽命長、分辨率低等優點，目前主要用于服務平臺和公共信息大尺寸觸摸屏［2］。

2.3.2 投射電容式觸摸屏

可分為兩種：交互電容和自我電容。

交互電容又叫作跨越電容，它是通過相鄰電極耦合而成的電容。與自我電容的區別是，兩組電極構成電容的兩極，其交叉處形成電容，當用手指觸摸到電容屏時，改變了兩組電極間電容量。當檢測交互電容大小時，縱向電極接收信號，橫向電極發出激勵信號，便得到縱向和橫向電極交匯點的電容大小［3］。

自我電容又叫作絕對電容，將被感覺的物體作為電容的其中一個極板，此物體在被傳感電極與傳感電極之間感應出電荷，從而被感覺到，此原理是通過電極發射出的靜電場線來感應的。

2.4 電阻式觸摸屏技術

電阻屏是利用觸摸屏表面隨著所受壓力的變化，產生屏幕凹凸變形而引起的電阻變化實現精確定位的觸摸屏技術。按照其原理不同，電阻式觸摸屏分為四線與五線電阻觸摸屏。

2.4.1 四線電阻觸摸屏工作原理

四線電阻式觸摸屏是電阻式觸摸屏中應用最廣泛的一種。結構由上線路薄膜材料導電ITO層和下線路玻璃或薄膜材料導電ITO組成，中間有細微的絕緣點隔開。當觸摸屏表面沒有壓力時，上下線路是開路狀態；若有壓力在觸摸屏上，上下線路導通，控制器通過下線路導電ITO層在X坐標方向上施加驅動電壓，通過上線路導電ITO層的探針，偵測X方向上的電壓，由此算出觸點X坐標。通過控制器改變施加電壓方向，同理可測出觸點Y坐標，從而確定觸點位置。

2.4.2 五線電阻觸摸屏工作原理

五線電阻式觸摸屏的結構與四線電阻式有些相似，也有上線路薄膜材料導電ITO層和下線路玻璃或薄膜材料導電ITO層。五線電阻式觸摸屏的工作原理和四線電阻式所不同的是，五線電阻式X及Y方向上的驅動電壓都通過下線路ITO層產生，而上線路層僅僅起到偵測電壓探針的作用，即便上線路薄膜層被損壞或刮傷，觸摸屏也可以繼續正常工作，所以五線電阻式觸摸屏的使用壽命要比四線式的長很多。

2.5 紅外線式觸摸屏技術

紅外觸摸基本原理是光束阻斷技術，在顯示器上添加光點距框架，光點距框架的四邊排列了接收管和紅外線發射管，在屏幕表面形成紅外線網。當手指在觸摸屏幕時，就會遮擋住經過該位置的橫豎方向的紅外線，光信號的改變就會輸出變化的電信號，通過電信號的處理來定位觸摸點的位置。

之前紅外觸摸屏分辨率是由框架中的紅外對管數目來決定，因此其分辨率很低。國內市場上主要產品是40×32、32×32，在光照變化較大時造成影響較大。此后在第三代和第四代提升分辨率上有所改進，但是綜合性能沒有突破。最新的第五代紅外屏分辨率取決于差值算法、紅外對管數目以及掃描頻率，分辨率達到1 000×720，能長時間在惡劣環境下使用，真正實現高分辨率和高穩定性能［3］。

3 觸摸屏技術應用現狀

觸摸屏作為一種新的計算機輸入設備，具有反應靈敏、堅固耐用、節省空間、易于交流等優點，是目前最方便、簡單的一種人機交互方式。觸摸屏在我國應用領域非常廣闊，特別是在電子產品中，如手機、便攜式播放器/MP3、筆記本電腦、一體機電腦、車載顯示器、數碼相機、便攜式導航、便攜式游戲機、公共信息、教育與培訓等。此外，還廣泛應用于辦公、醫療設備、軍事指揮、工業控制等，西門子、海爾將觸摸屏技術應用到了電磁爐、洗衣機、冰箱、空調等家電領域，觸摸屏技術已經滲入家庭、娛樂、辦公的每個角落。

由表2可看出，手機是觸摸屏的最大應用領域，2009年市場份額是62%，到2015年將達到73.35%［4］。目前，中國國內手機用戶超過十億人次。以往功能性手機將會迅速被智能觸摸屏手機取代，在全球應用和體驗式消費驅動下，智能手機和平板電腦將出現快速增長，僅在中國內地，未來三年就將產生近五億部智能終端的國內消費市場。智能終端產業的變革迫使絕大多數傳統的手機廠商都在研發生產觸摸屏智能終端，其中對關鍵性器件——觸摸屏的需求，已出現井噴之勢，一些LCD廠商、按鍵廠商、規模較大的模具廠商等紛紛介入觸摸屏產業。目前，中國國內近三百家觸摸屏企業集中在“珠三角”和“長三角”地區。預計兩年內，上千家企業將涌至這個產業。

表2 觸摸屏在不同應用領域的市場份額變化趨勢（2009～2015） /%

4 觸摸屏技術發展方向

4.1 中大尺寸多點觸摸技術

發展多點觸控可以多點、多人同時使用，尤其在一些工程設計、繪圖、影像處理等大尺寸上，利用電容筆可以進行標記、簽名、繪圖等，可大大拓寬觸摸屏的應用領域。2007年蘋果公司通過投射式電容技術實現的多點觸控功能，體現了當時與其他觸控技術的不同，使多點觸控技術成為市場的新潮流。目前，多點觸控技術已經從開始的兩指縮放三指滾動和四指撥移，發展到五點的觸控識別，今后多點觸控技術將向實現更具有自由度的方向發展。

小尺寸觸控屏出貨量巨大，面板廠商很難介入，當中大尺寸觸摸屏市場越來越成熟，特別是內嵌式觸摸屏技術的持續發展，面板廠商參與度就越來越高。在OGS觸摸屏領域，2013年7月，京東方投資53.97億元建設合肥鑫晟觸摸屏生產線項目。該項目將采用OGS技術，生產工序包括Sensor工程、貼合工程兩部分，玻璃基板尺寸為1 500mm×1 850mm，設計產能為60k/月，主要產品包括手機、平板電腦等用觸摸屏。

隨著全球各行各業對于信息化水平的不斷提高，觸摸屏技術已廣泛應用于電信、公共信息、服務平臺、交通監控、娛樂等領域。但這些領域要求采用10.4英尺以上的中大尺寸觸摸屏，所以發展中大尺寸多點觸摸屏是未來觸摸技術的一大挑戰。

4.2 內嵌式投射電容屏

當前觸摸屏基本都是外掛式結構，外掛式結構簡單，易于規模化生產，但是外掛式結構在厚度上難以做到輕薄，不符合觸摸屏越來越輕便的觀念。

內嵌式In－cell構造利用TFT彩色濾光片作為觸摸屏的感應ITO層，在彩色濾光片玻璃的另一面鍍刻驅動ITO層，與外掛式On－cell相比，內嵌式In－cell構造將觸摸屏功能整合在TFT模組中，減少了ITO導電玻璃的層數［5］。

內嵌式構造的優勢主要體現在ITO導電玻璃層數從34層減少至2層，進而提高了觸控面板的透光率，降低材料成本，減少面板厚度。但內嵌式構造仍存在一些問題，特別是目前產品良率不及外掛式構造，平均要低5%。但是單從技術角度分析，目前內嵌式投射電容屏存在的問題并非長期制約因素，內嵌式產品的良率正在不斷提高，其內嵌式結構帶來的高透光率、低材料成本、輕薄化等優勢符合消費電子產品的發展趨勢，一定會替代外掛式構造而成為技術主流。In－cell觸摸屏技術因在顯示屏內部與ITO形成一體，因而在減少顯示屏的厚度及提高穿透率方面擁有顯著的優勢。內嵌式的概念最先在2003年由TMD提出，隨后LG、Sharp、AUO、Samsung等公司相繼提出此概念，并相繼公布了一些研究成果，IPhone5即使用了具有穿透率好、窄邊框、輕薄的內嵌式In－cell技術而備受關注，LG顯示、Sharp與Japan顯示、三星顯示（SDC）及大中華區LCD面板制造商在In－cell觸摸屏市場的發展也備受期待。

4.3 混合式觸控技術

隨著用戶對觸控技術要求的提高，單一的觸控技術已經無法滿足人們的需要。近年來有人提出了混合式觸控技術的概念，在一塊觸控面上采用兩種或者兩種以上的觸控技術，以實現多種觸控技術間互補優劣的目的。2013年11月份美國專利和商標局通過了一項來自蘋果申請的名為“雙級別觸摸感應按鍵”的專利，根據專利描述顯示，這種可感知多級別壓力的按鍵不僅對觸摸操作有反應，同時還能夠感應不同等級的壓力輸入。這種全新的壓力感應輸入要比現存的所有輸入方式都更加高級。蘋果混合型觸控輸入技術是一種可以偵測按壓級別的可低壓按鍵，該組件的頂部是一種觸控敏感的材料，可以檢測到輸入信號。當頭兩個級別的閥值檢測到后，按鍵的觸控敏感部分就會激活，或者進入低能耗模式。這種技術允許組件根據按壓力度的不同完成多個功能，比如說用戶點擊按鍵的右側與左側會得到不同的結果。同時，用戶還可以連續實現不同壓力等級的功能。例如用戶可以首先按壓屏幕激活觸控功能，這時系統將會繼續跟蹤用戶手勢，用戶可以繼續按壓實現進一步功能，例如像一個觸控鼠標，所以混合式觸控技術必定會成為未來觸控技術的發展方向之一。

［1］ 王 祥.觸摸屏技術發展趨勢及市場分析報告［EB/OL］.百度文庫，2012－07－10.

［2］ 劉 瑞.觸摸屏技術及其性能分析［J］.裝備制造技術，2010，36（3）：56－60.

［3］ 伍華林，呂 延，呂 明.觸摸屏技術現狀和市場前景［J］.信息技術，2010，18（6）：275－276.

［4］ 楊玉琴，李亞寧.觸摸屏技術研究及市場進展［J］.信息記錄材料，2012，13（1）：8－9.

［5］ 張子敬.觸摸屏技術應用現狀和未來發展趨勢［J］.科技視界，2012，4（12）：65－66.