觸摸屏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

張子敬

（天津工業(yè)大學(xué) 中國 天津 300387）

如果說1964年鼠標(biāo)的發(fā)明，把電腦操作帶入了一個新的時代，那么觸摸屏的出現(xiàn)，則使圖形化的人機(jī)交互界面變得更為直觀易用。從此，觸摸屏技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于公共服務(wù)領(lǐng)域和個人娛樂設(shè)備。人們逐漸習(xí)慣用“摸”的方式，在電子售貨機(jī)上選購商品，在卡拉OK機(jī)上點(diǎn)播歌曲，在銀行、醫(yī)院、圖書館、機(jī)場查詢自己需要的信息。

1 觸摸屏技術(shù)的起源

1971年，美國人SamHurst發(fā)明了世界上第一個觸摸傳感器。雖然這個儀器和我們今天看到的觸摸屏并不一樣，卻被視為觸摸屏技術(shù)研發(fā)的開端。

當(dāng)年，SamHurst在肯尼迪大學(xué)當(dāng)教師，因?yàn)槊刻煲幚泶罅康膱D形數(shù)據(jù)而不勝其煩，就開始琢磨怎樣提高工作效率，用最簡單的方法搞定這些該死的圖形。他把自己的三間地下室改造成了車間，一間用來加工木材，一間制造電子元件，一間用來裝配這些零件，并最終制造出了最早的觸摸屏。這種最早的觸摸屏被命名為“AccuTouch”，由于是手工組裝，一天生產(chǎn)幾臺設(shè)備。1973年，這項(xiàng)技術(shù)被美國《工業(yè)研究》雜志評選為當(dāng)年100項(xiàng)最重要的新技術(shù)產(chǎn)品之一。不久，SamHurst成立了自己的公司，并和西門子公司合作，不斷完善這項(xiàng)技術(shù)。這個時期的觸摸屏技術(shù)主要被美國軍方采用，直到1982年，Sam Hurst的公司在美國一次科技展會上展出了33臺安裝了觸摸屏的電視機(jī)，平民百姓才第一次親手“摸”到神奇的觸摸屏。

1991年，觸摸屏正式進(jìn)入中國。1996年中國自主研發(fā)的觸摸自助一體機(jī)投入生產(chǎn)。

2 觸摸屏的結(jié)構(gòu)和工作原理

按照觸摸屏的工作原理和傳輸信息的介質(zhì)，我們把觸摸屏分為四種，它們分別為電阻式、電容感應(yīng)式、紅外線式以及表面聲波式。每一類觸摸屏都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，下面對上述的各種類型的觸摸屏進(jìn)行簡要介紹一下：

2.1 電阻式觸摸屏利用壓力感應(yīng)進(jìn)行控制。電阻觸摸屏的主要部分是一塊與顯示器表面非常配合的電阻薄膜屏，這是一種多層的復(fù)合薄膜，它以一層玻璃或硬塑料平板作為基層，表面涂有一層透明氧化金屬(透明的導(dǎo)電電阻)導(dǎo)電層，上面再蓋有一層外表面硬化處理、光滑防擦的塑料層、它的內(nèi)表面也涂有一層涂層、在他們之間有許多細(xì)小的 (小于1/1000英寸)的透明隔離點(diǎn)把兩層導(dǎo)電層隔開絕緣。 當(dāng)手指觸摸屏幕時，兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置就有了接觸，電阻發(fā)生變化，在X和Y兩個方向上產(chǎn)生信號，然后送觸摸屏控制器?？刂破鱾蓽y到這一接觸并計(jì)算出(X，Y)的位置，再根據(jù)模擬鼠標(biāo)的方式運(yùn)作。

2.2 電容式觸摸屏是利用人體的電流感應(yīng)進(jìn)行工作的。電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂有一層ITO，最外層是一薄層矽土玻璃保護(hù)層,夾層ITO涂層作為工作面,四個角上引出四個電極，內(nèi)層ITO為屏蔽層以保證良好的工作環(huán)境。 當(dāng)手指觸摸在金屬層上時，由于人體電場，用戶和觸摸屏表面形成以一個耦合電容，對于高頻電流來說，電容是直接導(dǎo)體，于是手指從接觸點(diǎn)吸走一個很小的電流。這個電流分從觸摸屏的四角上的電極中流出，并且流經(jīng)這四個電極的電流與手指到四角的距離成正比，控制器通過對這四個電流比例的精確計(jì)算，得出觸摸點(diǎn)的位置。

2.3 紅外觸摸屏是利用X、Y方向上密布的紅外線矩陣來檢測并定位用戶的觸摸。紅外觸摸屏在顯示器的前面安裝一個電路板外框，電路板在屏幕四邊排布紅外發(fā)射管和紅外接收管，一一對應(yīng)形成橫豎交叉的紅外線矩陣。用戶在觸摸屏幕時，手指就會擋住經(jīng)過該位置的橫豎兩條紅外線，因而可以判斷出觸摸點(diǎn)在屏幕的位置。任何觸摸物體都可改變觸點(diǎn)上的紅外線而實(shí)現(xiàn)觸摸屏操作。

2.4 表面聲波是超聲波的一種，它是在介質(zhì)（例如玻璃、金屬等剛性材料）表面淺層傳播的機(jī)械能量波。通過楔形三角基座（根據(jù)表面聲波的波長嚴(yán)格設(shè)計(jì)），可以做到定向、小角度的表面聲波能量發(fā)射。表面聲波性能穩(wěn)定、易于分析，并且在橫波傳遞過程中具有非常尖銳的頻率特性，近年來在無損探傷、造影和退波器等應(yīng)用中發(fā)展很快。

得益于表面聲波的特性，表面聲波觸摸屏的觸摸屏可以是一塊平面、球面甚至是柱面的玻璃屏（或有機(jī)玻璃屏），安裝在CRT、LED、LCD或PDP的前面，甚至是直接做在CRT表面。有別于其它觸摸屏技術(shù)，玻璃屏只是一塊純粹的玻璃，里面不含有導(dǎo)電薄膜等介質(zhì)。玻璃屏的左上角和右下角各固定了豎直和水平方向的超聲波發(fā)射換能器，左下腳和右上角則固定了兩個相應(yīng)的超聲波接收換能器。玻璃屏的四個周邊則刻有45°角由疏到密間隔非常精密的反射條紋。當(dāng)物體碰觸顯示屏?xí)r，由于吸收了部分聲波能量，使接收波形發(fā)生變化，即某一時刻波形有一個衰減缺口，控制器依據(jù)衰減的信號即可計(jì)算出觸摸點(diǎn)位置。

3 觸摸屏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

觸摸屏作為一種新型的人機(jī)交互界面，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品上，小型產(chǎn)品如手機(jī)、PDA、數(shù)碼產(chǎn)品、e-Book,到中型產(chǎn)品如車載導(dǎo)航儀、游戲機(jī)、家用電器，工控儀器，再到大型產(chǎn)品如POS系統(tǒng)、公共查詢系統(tǒng)、便攜電腦、醫(yī)療儀器以及電視新聞節(jié)目中常用的觸摸式PDP上都可以看到觸摸屏產(chǎn)品。

近年來，觸摸屏在消費(fèi)類電子產(chǎn)品應(yīng)用越來越廣泛，觸摸屏在如手機(jī)、媒體播放器與導(dǎo)航儀等手持式裝置滲透率增長相當(dāng)快速，觸摸屏在較大尺寸應(yīng)用如一體式電腦、上網(wǎng)本/平板電腦、教育與培訓(xùn)、公共信息廣告牌與自主登機(jī)等方面增長很快。觸摸屏已成為數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)，而且仍處于高度成長中，這也是大家關(guān)注觸摸產(chǎn)業(yè)的主要因素。

電阻壓力觸摸屏因其本身特性，定位特別準(zhǔn)確，不受工作環(huán)境、污穢、塵埃、油漬的影響，任何物品觸摸都能產(chǎn)生反應(yīng)，基材采用防暴、高透光性鋼化玻璃，完全適合在公眾場所使用，其分辨率為4096×4096，單點(diǎn)觸摸次數(shù)高達(dá)3000萬次，滿足特殊軟件環(huán)境的使用，電阻壓力觸摸屏觸摸感應(yīng)靈敏，能在8ms-15ms內(nèi)作出反應(yīng)，控制器提供了RS232接口，可與RS232口鼠標(biāo)或PS/2鼠標(biāo)同時使用，節(jié)省PC機(jī)資源，屏幕本身還具有防輻射、防磁功能。從目前的推廣應(yīng)用來看，電阻式觸摸屏是占主導(dǎo)地位的觸摸技術(shù)。

電容式觸摸屏與傳統(tǒng)的電阻式觸摸屏有很大區(qū)別。電阻式觸控屏幕在工作時每次只能判斷一個觸控點(diǎn)，如果觸控點(diǎn)在兩個以上，就不能做出正確的判斷了，所以電阻式觸摸屏僅適用于點(diǎn)擊、拖拽等一些簡單動作的判斷。而電容式觸摸屏的多點(diǎn)觸控，則可以將用戶的觸摸分解為采集多點(diǎn)信號及判斷信號意義兩個工作，完成對復(fù)雜動作的判斷。

使用兩根手指的拉伸、換位即可在屏幕上完成諸如放大、旋轉(zhuǎn)這樣趣味十足的操作，這在電容式觸摸屏出現(xiàn)之前，幾乎是不可想象的。作為目前正當(dāng)紅的觸摸屏技術(shù)，電容式觸摸屏具有界面華麗、多點(diǎn)觸控、只對人體感應(yīng)等優(yōu)勢，隨著市場競爭的不斷升級，電容式觸摸屏已經(jīng)有了很大的發(fā)展。

4 觸摸屏技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

觸摸屏技術(shù)未來有兩個主要發(fā)展方向。在應(yīng)用層面上，發(fā)展多點(diǎn)觸摸、接近感應(yīng)以及支持電容筆的技術(shù)，可以多點(diǎn)、多人同時應(yīng)用，尤其在一些大尺寸屏幕上，能夠讓多人在同一塊屏幕上共同完成一些協(xié)同工作，如游戲、繪圖、工程設(shè)計(jì)、影像處理等。利用電容筆還可以進(jìn)行簽名、畫圖、標(biāo)記等，可以大大拓寬觸摸屏的應(yīng)用領(lǐng)域，提高使用效率，改善用戶使用環(huán)境。

在技術(shù)層面上，觸摸屏和LCD顯示屏的進(jìn)一步結(jié)合成為必然。目前已經(jīng)有多家面板廠開始進(jìn)行內(nèi)嵌入式觸摸屏產(chǎn)品的研發(fā)，從而降低成本、降低產(chǎn)品厚度等。這種觸摸屏技術(shù)也將成為未來的一個趨勢，對面板的設(shè)計(jì)和制造必將帶來很大的變革。

而在不久的將來，還將有更先進(jìn)的“力反饋觸摸屏”走進(jìn)我們的生活。不少人會抱怨觸摸屏雖然方便好用，可手指在冷冰冰的玻璃表面摸來按去，總不如傳統(tǒng)鍵盤的手感好，“力反饋觸摸屏”解決的就是這個問題。這項(xiàng)技術(shù)可以給觸摸屏添加震動功能，當(dāng)手指接觸屏幕時將受到一個反作用力的震動，感覺就像是按下了一個真實(shí)的按鍵一樣。