触摸屏行业技术特点分析.doc

触摸屏行业技术特点分析 2011-06-05 内部文件背景综述随着计算机技术的发展和普及，在20世纪90年代初，出现了一种全新的人机交互技术，利用这种技术用户只需要在显示屏上的图标或文字上轻轻一点，计算机就能按照我们的指示进行相关的各种操作，完全摆脱了键盘和鼠标的束缚，使人机交互更为直截了当。在我们的日常生活中，无论你是在商场购物，还是在银行存取款，触摸式的自动服务器能为你提供方便快捷的服务，这种技术就是日新月异的触摸屏技术。触摸屏起源于20世纪70年代，早期多被装于工控计算机、POS机终端等工业或商用设备之中。2007年iPhone手机的推出，成为触控行业发展的一个里程碑。苹果公司把一部至少需要20个按键的移动电话，设计得仅需三四个键就能搞定，剩余操作则全部交由触控屏幕完成。除赋予了使用者更加直接、便捷的操作体验之外，还使手机的外形变得更加时尚轻薄，增加了人机直接互动的亲切感，引发消费者的热烈追捧，同时也开启了触摸屏向主流操控界面迈进的征程。目前，触摸屏应用范围已变得越来越广泛，从工业用途的工厂设备的控制/操作系统、公共信息查询的电子查询设施、商业用途的提款机，到消费性电子的移动电话、PDA、数码相机等都可看到触控屏幕的身影。当然，这其中应用最为广泛的仍是手机。根据调研机构ABIResearch报告指出，2008年采用触控式屏幕的手机出货量将超过1亿部，预计2012年安装触控界面的手机出货量将超过5亿部。和PC从286、386发展到奔腾机一样，触摸屏的技术经历了从低端向高端发展的历程，从1974开始出现世界最早的电阻式触摸屏以来，随着科技的发展和应用需求的增长，各种触摸技术相继诞生以适应各种行业和层次的应用。如今，已经形成了各种商业化的触摸屏技术包括：电阻技术触摸屏、表面电容技术触摸屏、投射式电容技术触摸屏、红外线技术触摸屏、表面声波(SAW)技术触摸屏、光学触摸屏、弯曲波技术触摸屏和主动数字转换器技术触摸屏，等等。已应用到了零售业、公共信息查询、多媒体信息系统、医疗仪器、工业自动控制、娱乐与餐饮业、自动售票系统、仿真与培训系统、教育系统等众多领域。此外，一些新奇的触摸屏技术也不断产生，包括N-trig、索尼、夏普、TMD和三星几大厂商都在推出的新型触摸屏技术，这些技术包括像素光传感器(photo sensor in pixel)、聚合物波导(polymer waveguide)、分布光(distributed light)、应变仪(strain gauge)、多触点(multi-touch)、双重力触摸(dual-force touch)、激光点激发触摸(laser-point activated touch)和3D触摸等。 在2007年的SID展中，新型的触摸屏技术分别得到了充分展示，EloTouchSystems展示了其弯曲波（bending-wave）触摸屏技术；富士通元件美国分公司展示了其电阻式触摸屏技术，它不使用氧化铟锡而是利用导电聚合物；TouchInternational展示了投射式电容式技术（projected-capacity）和电阻式触摸屏技术方案，其中投射式电容技术在多点应用中已对现有的触摸技术产生了巨大的冲击力；NextWindow展示了多重触控（multi-touch）光学成像触摸技术；LG.Philips LCD公司展示了其47英寸的多重触控屏；RPO首度展示了DigitalWaveguideTouch(DWT)产品，它采用了聚合物光学波导；QSI则展示了其ForcePanelTechnology触摸屏技术。从这些新型的触摸技术展示可以看到，基础研究和新型的材料的诞生对新的触摸技术的带动作用，也反映了触摸屏技术的发展新思路。随着最近苹果公司支持强大触摸功能的iPhone手机的诞生和微软推出的概念性桌面电脑（Surface）及最新的windows7操作系统，一夜之间在整个触摸市场可谓是引起了轩然大波，其多点触控技术和触觉反馈技术的应用更是将触摸屏的技术带到了一种全新的高度，让所有人都感觉到了触摸技术的魔力。iPhone的出现表明多点触摸技术可以实现新一代的用户界面操作，以至于所有触摸屏的厂商都在为多点触摸技术摩拳擦掌，同时微软也宣布其下一代操作系统Vista的多个版本均提供对触摸屏的支持，也就是说触摸屏将会以一种标准的接口形式成为计算机的一个外围设备，从另一方面将会极大地推动着触摸屏市场的发展。根据DisplaySearch 最近发表的一份研究报告指出，全球触摸屏市场到2015年前预计将达到33亿美元，而2007年是12亿美元。这些数字都说明触摸屏市场的潜力巨大，但是所有的触摸屏生产商如何能更多地利用自身的技术和产品来瓜分更多的市场份额唯有稳定可靠的产品，符合多元化的应用和强大的技术支持。图1是iSupply公司对于2008-2013年触摸屏模块市场的预测走势图。图1 全球触摸屏模块市场预测 (出货量以百万个为单位，销售额以百万美元为单位)虽然触摸屏的市场潜力如此庞大，很多触摸屏技术却由于本身的技术壁垒和缺陷在激烈的竞争中逐渐淡出市场，如矢量压力传感技术触摸屏已经完全退出市场。又例如：红外触摸屏技术作为其中的一种触摸技术有自身的优势和不足。但是经过不懈的努力和持续的改进，转眼间，红外触摸技术已经从第一代进入了第五代，原本处于低端的触摸技术凭借其独有的优点和一些不可取代的应用环境如今已经可以与其他高端红外触摸屏产品一比高低，从该技术的新的性能和特性来看，如今的第五代红外触摸屏完全可以作为一个完整的人机界面系统进行设计，且通过内置的处理器和完善的驱动软件可以进一步实现产品概念的提升。新的技术需要大量的技术积累，目前，改善现有的技术仍是着重敌点。但应该注意到，任何一种技术的优势都不可能保持较长时间，国外厂商和一些有竞争能力的国内厂商的研发力度都不容忽视（图2是韩国DAHAN T&S 公司的120英寸多点红外触摸屏，其TView系列可以将尺寸宽度扩展到120220英寸，且响应时间仅需10ms），单一产品技术上的优势可能很快就不存在，所以从产品技术本身来确立永久的市场地位已经不太可能了，配合触摸屏的多功能应用和新的应用领域的开发将是以后触摸屏赖以生存的基础。且从市场的发展形式看，触摸屏应当是由单点向多点，由完成简单的触摸功能向专业化、多媒体化、立体化和大屏幕化的方向发展。被现在触摸界大为赞赏的“受抑内全反射”(Frustrated Total Internal Reflection；FTIR)技術的研发人纽约大学的Jefferson Y. Han可谓将触摸应用发挥到了极致，他的一些让人眼前一亮的展示表明了快速处理大量2维、3维信息将会是多点触摸屏的重要应用点，微软的Surface也将触摸功能融入了4大特性：1是采用触控式面板；2是具有多点输入功能；3是能多人同时进行互动；4是物体辨识功能(Object Recognition)。从这些我们可以看到多点触摸的发展方向，而且通过Jeff Han的一句话我们可以更加简洁地理解其中的市场定位，他说“多点触控概念的意义并非将设计好的硬件推给客户，而是以完全不同的方式为客户发展使用者接口”。图3为比尔盖茨展示的一款采用红外和激光技术识别触摸输入的超大尺寸触摸屏，被称为“触摸墙”。图2 DAHAN T&S 公司的120英寸多点红外触摸屏（触控反应时间10ms）图3 比尔盖茨(Bill Gates)展示的一款4英尺*6英尺的 “触摸墙” 通过把握市场的方向，不断拓展技术的应用方向，把目前单一产品的优势转换为技术和应用相结合的优势，相应的触摸技术仍将有其独有的生存发展空间。依照感应方式的不同，触摸屏大致可以分为电阻式、电容式、红外线式、超音波式等几类。其中电阻式与电容式的应用是目前市场上最为普遍的，其他技术短期内还存在差距。就技术原理来看，电阻式触摸屏只能算是一种“类触控”技术。它采用两层镀有导电功能的ITO（铟锡氧化物）PET塑料膜，PET本身具有一定的透明度与耐用性，两片ITO设有微粒支点，使屏幕在未被压按时两层ITO间有一定的空隙，处于未导电的状态。当操作者以指尖或笔尖压按屏幕（外层PET膜）时，压力将使PET膜内凹，因变形而使铟锡氧化物导电层接触导电，再通过侦测X轴、Y轴电压变化换算出对应的压力点，完成整个屏幕的触按处理机制。由于此种技术成本低廉，现已大量应用于电子产品之上。目前电阻式触摸屏有4线、5线、6线与8线等多种类型，线数越多，代表可侦测的精密度越高，但成本也会相对提高。不过，仔细考量电阻式触控技术的原理就会发现，通过触按屏幕触发ITO薄膜导电的侦测机制，在物理上有其局限性：电阻式技术想要增加侦测面积与分辨率，最直接的方法就是增加线数，但线数的提高也代表着处理运算信息量的增加，这对处理器将是一大负担，同时成本的提升也是问题。另外，PET膜再怎么强化，材质的耐压性、耐磨性、抗变形能力，毕竟有其极限，长时间运用一定会减低铟锡氧化物导电层接触导通效率，触按点也会因经常使用的就是那几处，造成特定区域过度使用磨损，而降低透明度。电容式触摸屏与电阻式比较，架构相对简单。由于电容式触摸屏中的投射电容式（电容式触摸屏主要分为投射电容式与表面电容式两种）可支持当前流行的多点触控功能，并拥有更高的屏幕透光率、更低的整体功耗、更长的使用寿命等优点，正不断挑战电阻式触摸屏的市场地位。一、 几种常规的触摸技术及应用简介1、 电阻式触摸屏技术11四线电阻式触摸屏技术四线电阻式触摸屏是是电阻式家族中应用最广、最普及的一种。其结构由下线路（玻璃或薄膜材料）导电ITO层和上线路（薄膜材料）导电ITO层组成。中间有细微绝缘点隔开，当触摸屏表面无压力时，上下线路成开路状态。一旦有压力施加到触摸屏上，上下线路导通，控制器通过下线路导电ITO层在X坐标方向上施加驱动电压，通过上线路导电ITO层上的探针，侦测X方向上的电压，由此推算出触点的X坐标。通过控制器改变施加电压的方向，同理可测出触点的Y坐标，从而明确触点的位置。工作原理： 触摸屏附着在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。电阻触摸屏是一块4层的透明的复合薄膜屏，如图4所示，最下面是玻璃或有机玻璃构成的基层，最上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层，中间是两层金属导电层，分别在基层之上和塑料层内表面，在两导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开。当手指触摸屏幕时，两导电层在触摸点处接触。 触摸屏的两个金属导电层是触摸屏的两个工作面，在每个工作面的两端各涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极，若在一个工作面的电极对上施加电压，则在该工作面上就会形成均匀连续的平行电压分布。当在X方向的电极对上施加一确定的电压，而Y方向电极对上不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以在Y+(或Y-)电极上反映出来，通过测量Y+电极对地的电压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对上加电压，而X电极对上不加电压时，通过测量X+电极的电压，便可得知触点的Y坐标。技术参数及电气特性： 适用安装于液晶显示模块之ANALOG电阻式Touch Panel。 表面硬度：3H 透光率：80 % 操作温度：-10C 60C 耐久力打击：超过 1 百万次 操作电压： DC5V X、Y阻值：200 900(依不同尺寸而稍有变化) 线性 1.5% 表面处理：雾面及亮面 操作压力 ：1570g (依客户需求而定) 储存温度：-20C 70C 噪声：5 m sec 15 m sec 操作电流：5mA 25mA 绝缘阻抗：20M DC25V 外型尺寸 ： 代号代表意义A,DTOUCH PANEL外型B,E可视区C,F动作区图4光学的特性： 光透过率在波长550 nm的可视波下可达80%以上。 电气的特性： 导通阻抗200 X Axis 800 300 Y Axis 83% 雾面材料:78% 敲击寿命:敲击是100万次 笔划寿命:笔画10万次 触点抖动时间: 5ms操作温度：-10 +60 分辨率：4096*4096 储存温度：-28 +80 线性1.5% （特殊需求可1.0%） 玻璃厚度：0.5mm，0.7mm，1.1mm，1.8mm，3.0mm 操作压力：10g -100g 玻璃种类：普通玻璃，化学强化玻璃，防暴玻璃4线电阻模拟屏的应用图片应用车载产品 7”LCD(车载DVD) VideoPDA 掌上奔腾随身PC,采用WIN CE操作系统,具备丰富实用的个人事务处理功能.电子词典: 纤巧超薄,连笔手写,双语词库门禁系统: 可看图点击,操作简单方便Notebook Intel专业移动CPU,128M内存,Micro系统Mobile: PDA功能手机通用规格及价格：3.519.1吋（501200元） 再大规格从技术本身的限制来说很难实现！12五线电阻式触摸屏技术它是在四线电阻触摸屏的基础上创造出来的新的专利技术,克服了四线式寿命短、清晰度不高的缺点.。四线电阻技术是一块与显示屏紧贴的玻璃为基层其外表面涂有一薄层透明氧化铟InO，作为电阻层，其水平方向加有5V到0V的直流工作电压，形成均匀连续的电压分布.。在该导电层上再盖有一层外表面经防刮硬化处理而内表面也涂有相同氧化金属层的保护层，其垂直方向也加有5V到0V的直流连续分布电压.。两电阻层之间用约千分之一英寸的许多透明绝缘隔离点隔开(如图2).。按摸屏幕时，两电阻层在触点位置就有一个接通，经过模拟量电压模数(AfiD)转换，控制器就能计算出触点的x、y坐标值.。由于四线电阻触摸屏的外电阻涂层频繁受压，易造成裂损而改变涂层电压分布不均致使触点位置计算不准而报废的缺点，又创造了五线电阻技术。 五线电阻触摸屏的新特点是把外层电阻层只用作导体层，作为五线中其中一线,即使有裂损，只要不断裂开，对侦测计算不受影响，这无疑大大增强了使用寿命。而在内层电阻涂层中则把四线电阻技术中纵横电压分布场技术创造性巧妙的应用在同一涂层中，其结构分布如图3.。在由金属氧化物构成的细密条的x轴上形成正向电压差，经过中值点又形成反向电压差，构成同面四线模式.。内外涂层仍用绝缘透明隔离点隔开.，当按压时内外涂层间有一触点接通，致使左侧向下电压的上端某处有不同阻值的分压产生,，据此控制器计算出该触点的水平坐标值。内涂层上每一触点都有不同对应的x轴坐标值.，触点y轴方向的坐标则是由控制器测定从内涂层经触点流入外涂层(五线之一)的电流值确定出的.。五线电阻触摸屏除使用寿命大大超过四线式35倍，达3500万次外，其透光率和清晰度也很高。由于工作在与外界封闭隔离状态，不怕污染，环境适应性好。它的另一个突出特点是分辨率很高，能分辨很尖细触针的触动，但怕锐器的硬戳。五线触摸屏的结构与四线电阻式类似，也有下线路（玻璃或薄膜材料）导电ITO层和上线路（薄膜材料）导电ITO层。五线触摸屏的工作原理与四线电阻式不同的是：五线式的X和Y方向上的驱动电压均由下线路的ITO层产生，而上线路层仅仅扮演侦测电压探针的作用。即便上线路薄膜层被刮伤或损坏，触摸屏也能正常工作，所以五线电阻式的使用寿命远比四线式的长。工作原理： 五线电阻技术触摸屏的基层把两个方向的电压场通过精密电阻网络都加在玻璃的导电工作面上，我们可以简单的理解为两个方向的电压场分时工作加在同一工作面上、而外层镍金导电层只仅仅用来当作纯导体，有触摸后分时检测内层ITO接触点X和Y轴电压值的方法测得触摸点的位置。五线电阻触摸屏内层ITO需四条引线，外层只作导体仅仅一条，触摸屏的引出线共有5条。五线电阻触摸屏的另一个专有技术是通过精密的电阻网络来校正内层ITO的线性问题：由于导电镀膜有可能厚薄不均匀而造成电压不均匀分布。电阻屏性能特点它们都是一种对外界完全隔离的工作环境，不怕灰尘、水汽和油污可以用任何物体来触摸，可以用来写字画画，这是它们比较大的优势电阻触摸屏的精度只取决于A/D转换的精度，因此都能轻松达到4096*4096 比较而言，五线电阻比四线电阻在保证分辨率精度上还要优越，但是成本代价大，因此售价非常高。 技术参数及电气特性： 适用安装于液晶显示模块之ANALOG电阻式Touch Panel。 产品特色： 无四线电阻式因快速切换所造成之干扰,噪声小. 即使上层导电膜因外力破裂,仍可正常工作,且线性误差仍为1.5%. 五线式使用寿命较四线式长五倍相关性能： 表面硬度：3H 透光率：80 % 操作温度：-10C 60C 耐久力打击：超过 一仟万次 操作电压： DC5V X、Y阻值：30 300 线性 1.5% 表面处理：雾面及亮面 操作压力 ：1570g (依客户需求而定) 储存温度：-20C 70C 噪声：5 m sec 15 m sec 操作电流：5mA 25mA 绝缘阻抗：20M DC25V 总厚度：1.4mm or 2.1mm 外型尺寸： 代号代表意义A,DTOUCH PANEL外型B,E可视区C,F动作区 光学的特性： 光透过率在波长550 nm的可视波下可达80%以上。 电气的特性： 导通阻抗200 X Axis 800 300 Y Axis 83% 雾面材料:78% 敲击寿命：敲击是100万次笔划寿命：笔画10万次触点抖动时间：5ms 操作温度：20 +70 分辨率：4096*4096 储存温度：-28 +80 线性1.5% （特殊需求可 92%, 最高可达 100% 触摸分辨率 4096 X 4096 扫描速率 30scans/s 最小触摸体 4mm 响应速度 承受超过60,000,000次以上的单点触摸 抗暴性 直径为65.5mm（质量约为1040g）表面光滑的钢球，1米的高度自由落下试样不破 电气部分：工作电压 DC 5V +/-5% 供电方式 USB 接口, 或PS/2接口 功率 1W (工作电流200mA) 电磁兼容性 CE, FCC认证 噪音 无 适用操作系统 Windows2000XP2003CELinux 通信方式 USB 或 RS-232 环境部分：温度 工作: 20C to 70C 存放: 50C to 80C 湿度 工作: 0 to 85% 存放: 0 to 95% 海拔高度 3,000米 抗光性 全角度抗强光照射 防水性 IP65防护等级 漂移 无漂移，不随环境产生变化 使用年限 7年通用规格及价格：15.1”1900.0017.1”:2300.0019.1”:2600.0032”:9000.0040”:14000.0042”:18000.0046”:26000.0050”:30000.0055”:32000.0060”:37000.0063”:50000.0065”:68000.0084”:160000.00103”:250000.00最大可达150英寸，造价更为昂贵4、电容触摸屏技术其结构最为简单.，它是在紧贴显示屏前的双夹层玻璃中涂有一层透明的氧化、金属导体层，四角引出四个电极受控于控制器.。通过引线，夹层导体中有高频电流流动(如图5).。由于人体电场的存在,，触摸点手指与屏幕内涂层构成一个微小的耦合电容，而高频电流对于通过小电容是很容易的.。这样,，对称四电极上的高频电流通过触点小电容被分流.。这个被破坏了对称的变化量由控制器侦测到.，由于流入四电极的电流与手指触点到四角的距离成反比，故可计算出触点坐标值。电容技术触摸屏灵敏度极高，能感知轻微快速的触碰(响应时间最快为3ms)，所以它不怕污染和带手套触摸等，但它怕外界强电场干扰。5、“互动投影”方式 （很多厂商也称其为“摄像头捕捉方式”）实现原理与地面互动投影相同，只是把地面投影方式立起来而已。互动投影系统的运作原理首先是通过捕捉设备（感应器）对目标影像（如参与者）进行捕捉拍摄，然后由影像分析系统分析，从而产生被捕捉物体的动作，该动作数据结合实时影像互动系统，使参与者与屏幕之间产生紧密结合的互动效果。6、“全息纳米触摸膜”方式GMG是全新一代触摸屏技术。全息纳米触摸膜这种最新型的技术是由许多纵横分布的纳米级导线组成的感应矩阵组成。与其相连的控制器有效地将这些矩阵组成的平面分成像素大小的传感单元，在LCD面板或照亮的背投幕前这种传感介质完全透明。每一条交错的纳米级导线都会产生一定的频场效应，当人手通过玻璃在上触摸时，频场会发生相应变化，控制器会将触摸的位置信息传给计算机从而模仿鼠标点击的动作。GMG 彩炫互动膜 相关技术参数：常规尺寸30-100 的 16:9 比例触摸膜30- 80 的 4:3 比例触摸膜定制尺寸100 以下任意长宽比的触摸膜安装方式粘贴。可选择永久固定或者可拆卸方式。薄膜厚度0.2mm透光率99.7%触摸力度不需要触摸力度定位准确性约1mm (相对位置), 3mm (绝对位置),无漂移响应速度依据玻璃厚度不同而有所差异，在 0.01秒 至 0.05秒 之间供应电压DC 5V +/- 5%功率2W电磁兼容性CE, FCC噪音无工作温度-20 至 +70C工作湿度0% 至 95%输出接口RS232C / USB敏感度软件调整。可按玻璃厚度进例调整，带上手套也能使用。可调整为零触摸力度。密闭性复合NEMA4和IP64标准抗光性全角度抗强光照射，无错误触摸识别软件兼容性提供 Windows 操作系统驱动程序抗破坏性表面可以附合20mm厚的钢化玻璃，所有部件保护在玻璃内侧。非接触式操作。抗化学性触摸有效区域可抵抗不影响玻璃的化学物质的影响，例如：丙酮，甲苯，甲基乙醛酮，异丙基酒精，甲基酒精，汽油煤油，玻璃清洁剂，醋等使用寿命9年灵活性 可附于任何介质之上，如透明的玻璃、液晶显示设备、LED显示设备、等等时尚性触摸膜为透明的,肉眼几乎不可见技术性能够穿透玻璃或其它介质,实现手指动作感知震撼性可以实现30100英寸的大尺寸交互， 下表对当前几种主要的触摸屏应用技术进行基本的对比：项目互动投影(摄像头捕捉式)红外框纳米全息触摸膜表面声波电阻式主要局限性定位准确性较差；施工难度大；调试非常复杂；运行稳定性较差；红外框外置，视觉效果不佳，且易受损；精度有限；无法用于室外，易受暴力破坏和暴雨损伤；无局限视觉不好不能实现大尺寸；设备磨损较大；寿命有限；透光性能不佳；适用性不好【只能和投影仪配合】好【可以与LCD或投影仪配合使用。】好【可以与LCD或投影仪配合使用。】不好不好【只能和LCD配合】安装难度很难需要吊装难【需要在触摸表面固定红外框。如果与投影仪配合，需要在触摸表面上打孔穿过数据线】易【只需粘贴即可，无需任何损伤】难难【需要和LCD集成在一起】调试校准难度难【需要非常专业的人士才能调试校准，所需时间也比较长】易【调试校准简单】易【调试校准简单】易易【调试校准简单】寿命一般【红外光源超过1年会有明显衰竭，影响效果】一般长【所有部件保护在屏幕内侧。非接触式操作，零磨损。】一般短【接触式操作，磨