四线电阻触摸屏技术原理

1、目录目录 11概述 21.1组成 2基本结构 2常见结构形式 21.2材料选择 3上层线路材料 3下层线路材料 3材料价格及供应商 31.3基本工艺流程 31.4区域定义及装配 5区域定义及特点 5装配问题 61.5技术参数及供应商 7主要技术参数 7供应商及价格 72基本工作原理 93驱动电路 93.1概述 93.2驱动IC概述 103.2驱动IC原理 11SARADC原理 11控制逻辑 13串行接口 14设计注意的问题 14主要技术指标和选用原则 164附录 161概述1.1组成基本结构四线电阻触摸屏由带ITO的上部基板、电极、透明间隔点、带ITO的下部基板和FPC组成。带ITO的上部基板

2、：表面镀有透明导电膜(ITO的PET胶片.电极：是让外部电压信号输入后在ITO工作面形成平行均匀的电压场，并起连接ITO工作面与外部输入电压信号的作用。透明绝缘间隔点：是起隔离上下透明导电膜（ITO）的作用。带ITO的下部基板：表面镀有透明导电膜(ITO的PET胶片、表面镀有透明导电膜(ITO的玻璃或表面镀有透明导电膜(ITO的PET胶片加塑料基板。FPC：连接电极与外部输入电压信号的引线。四线电阻触摸屏的基本结构如图1.1：图1.1：四线电阻触摸屏的基本结构常见结构形式触摸屏的结构形式是根据上下基板使用的材料来划分，如表1.1：构造特性机械强度厚度重量透光率价格其它FILM/FILM好薄轻较

3、好高直接有力作用在LCD上影响显示效果FILM/PLASTIC较好较厚较轻差较高纯屏触摸屏的结构形式FILM/FILM/PLASTIC较好厚较轻差高纯屏触摸屏的结构形式FILM/GLASS易碎较薄重好低现在手机上主要使用这种结构形式GLASS/GLASS易碎较薄重好较低主要应用在车载上表1.1:触摸屏常见的结构形式到目前为止,上面的这些结构形式都有相应的产品,我们手机上现在主要使用FILM/GLASS的结构形式,市场上也有一小部分使用FILM/PLASTIC和FILM/FILM/PLASTIC的形式（即是纯屏触摸屏的结构形式）。1.2材料选择上层线路材料上层线路材料主要有以下材料：1）表面硬化

4、处理（全透明）材料：7mil ；2）表面防眩处理（半透明）材料：7mil ；3）防牛顿环材料 ：7mil；下层线路材料下层线路材料主要有以下材料：1）ITO Film ：表面硬化处理（全透明）材料：7mil ；表面防眩处理（半透明）材料：7mil；2）普通ITO玻璃：0.55mm，0.7mm , 1.1mm , 1.6mm, 2.0mm；3）化学涂层强化玻璃：1.1mm , 1.6mm；4）PC（塑胶材料）：0.8mm或更高；主要原材料的价格及供应商见表1.2材料占材料成本比例供应渠道ITO膜40%日本日东电工、TOYOBO、OLIKE、韩国HANSUNGITO玻璃25%国产化，但是0.41.

5、1mm玻璃基材的供应乃然是进口油墨胶材10%日本软性印刷电路板（FPC）15%国产化表1.2：原材料价格及供应渠道1.3基本工艺流程 四线电阻触摸屏的基本工艺流程见图1.2，关键材料和流程描述如下：1）ITO（Indium Tin Oxide氧化铟锡）：弱导电体，特性是当厚度降到1800个埃（埃10-10米）以下时会突然变得透明，透光率为80，再薄下去透光率反而下降，到300埃厚度时又上升到80。ITO是所有电阻技术触摸屏及电容技术触摸屏都用到的主要材料，实际上电阻和电容技术触摸屏的工作面就是ITO涂层。2）蚀刻：把多余的ITO用酸腐蚀掉。3）绝缘点（PD-Printing Dot）：DOT专

6、用版选用如表1.2。应用场合PITCH直 径车载3.0mm0.05mm手机1.0mm0.03mm2.0mm0.03mm表1.2：DOT专用版规格操作压力与Film材料，绝缘点径、高度、间距有关。所以根据绝缘点径大小、印刷高度以及间距可以确定不同产品的操作压力，满足不同产品的要求。目前绝缘点印刷网版主要有以下几种：钢板，镍版以及丝网。以下是一些绝缘点网版及其间距、点径大小与操作压力的关系。点 径间 距网版类型操作压力0.036mm3mm×3mm镍版40g0.036mm2.5mm×2.5mm镍版50g0.036mm2mm×2mm镍版80g0.036mm1mm×

7、;1mm镍版100g0.04mm2.5mm×2.5mm钢版50g0.05mm3mm×3mm钢版50g0.06mm3mm×3mm钢版60g0.08mm4.5mm×4.5mm钢版60g0.08mm，0.1mm3mm×3mm丝网80g0.12mm3mm×3mm丝网80g表1.3：网版及其间距、点径大小与操作压力的关系表4）银浆（PS-Printing Silver）：电极使用的材料。理论上银线电阻值越低，输出线性越精确，误差越小。同一工作面上的阻值应相等（如四条银线的阻值能作到相等，则更好），以确保误差均匀，具有良好的线性度。成品测试图1.

8、2：基本工艺流程图5）绝缘（PI-Printing Insulation）：是保护银线（防止银线氧化等）及起上下银线绝缘作用的UV胶。6）粘胶（PA-Printing Adhesive）：是使用OCA（Optically Clear Adhesive透明胶）材料，起粘贴上下线路的作用。7）预压：用低温把ACF（Anisotropic Conductive Film异方性导电热熔胶带）固定在FPC或玻璃上的过程，是为热压前做准备8）压合：用脉冲热压机利用高温高压力的方式，溶解并固化ACF，最终把FPC或PET引线固定在玻璃或Film上。1.4区域定义及装配区域定义及特点1）基本概念：外形尺寸：产

9、品的外形面积；键 片：用于粘合上、下线路的双面胶；走 线：是连接ITO工作面与外部输入电压信号的银浆层。2）区域定义和特点见表1.4：区域定义特点非动作区外形尺寸与走线内框的距离即使按压也没有动作的区域。敏感区驱动面积与键片内框的距离1）由于存在键片高度落差，当使用不当，很容易在此区域造成ITO膜断裂导致产品功能不良。2）按压此区域，笔滑动的耐久性大约是驱动区的1/10；操作力大约需要2倍；经常触摸该区域，触摸面板的性能和耐久性下降。3）此区域相当于从驱动区边界到外侧约0.5mm的这个领域（厂家不同，会略有不同）可视区即是透明区，装机后可看到的区域此区域不能出现不透明的走线及键片等。驱动面积实

10、际可动作的区域1）驱动面积比可视面积小或等于可视区。2）此区域保证触摸面板可以动作的区域，在此区域动作可以保证触摸面板的所有性能。注意：动作可以保证是在动作符合对触摸面板的力度和硬度的前提下表1.4：四线电阻触摸屏区域的特点图1.3：区域定义刨面图图1.4：区域定义平面图装配问题图1.5：驱动区和外壳开口部正确搭配图图1.6：驱动区和外壳开口部不正确搭配图图1.7：正确搭配触摸形变图图1.8：不正确搭配触摸形变图1.5技术参数及供应商主要技术参数主要的技术参数见表1.5，相关技术指标的测试方法见测试指导。技术指标说明电气特性回路电阻X轴：350+-150；Y轴：600+-150；与厂家使用的材

11、料有关绝缘电阻20M线性度1.5%。抖动时间15mS。越下越好。机械特性表面硬度3H以上，操作力80gF点击耐磨性250g R=0.8mm，3twice/s，1000000tims笔画耐磨性250g R=0.8mm,150mm/s，100000tims光学特性透光率80%清晰度主观测试。反光性主观测试。色彩失真度主观测试。结构特性外型尺寸见区域定。可视区见区域定义。驱动区见区域定义。敏感区见区域定义。表1.5：主要技术指标表供应商及价格触摸屏产品的研究和开发始于60 年代的美国，而该技术的成熟和壮大主要应归功于日本的业者。随着应用的不断普及，日本业者开发出适合批量生产的触摸屏生产工艺，并逐步控

12、制了全球80%以上的触摸屏生产能力。为了控制触摸屏的生产技术，日本业者一直坚持触摸屏技术不转移的策略。直到90 年代，韩国和台湾地区的厂商才先后在触摸屏的工艺及批量生产攻关上有所突破，开始在触摸屏市场上有了一席之地，但其生产能力和技术水平与日本业者相比还有较大差距。中国大陆触摸屏制造业起步更晚。详细的供应商如下：在中国的外资供应商见表1.6：公司名称HQ产品网址沃森电子（深圳）有限公司HK电阻屏信利半导体有限公司HK电阻屏东莞桥头绿川电子厂JAPAN电阻屏www.midorimark.co.jp广州华意电路有限公司TW电阻、电容屏苏州惟成光电技术有限公司TW电阻屏广州远传光电技术有限公司TW电

13、阻屏www.uft-深圳领先精密材料股份有限公司TW电阻屏洋华光电TW电阻屏.tw亿都集团HK电阻屏.hk表1.6: 供应商一览表（外商独资）本土供应商见表1.7：公司名称产品类型网站南京华睿川电子科技有限公司电阻屏广州恒利达电阻屏北泰显示电阻屏深圳深越电子有限公司电阻屏深圳市凰泽光电技术有限公司电阻屏深圳市触控显示技术有限公司电阻屏深圳德普特电阻屏表1.7：供应商一览表（本土公司）触摸屏价格简介目前，国内电阻式触摸屏制造商主要分布在珠三角地区，但生产规模均较小，本土的这些电阻式触摸屏制造商自身均不具备ITO镀膜能力，基本上采用外购带ITO导电玻璃和带ITO 薄膜，由于ITO薄膜和ITO 导电

14、玻璃分别占材料成本的40%、25%，因此国内电阻式触摸屏的生产成本居高不下，主要依靠较低的人工成本，通过低价竞争赢取微薄的利润。目前，触摸屏的价格基本上是欧美品牌的价格最高，日本比台湾的价格高20%30%，台湾比本土到10%20%。对于单个触摸屏来说，其成本的构成见图1.8：图1.8：触摸屏价格分布图2基本工作原理四线电阻式触摸屏，主要由两层镀有ITO镀层的薄膜组成。其中一层在屏幕的左右边缘各有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平总线，如果在一层薄膜的两条总线上施加电压，在ITO镀层上就会形成均匀电场。当使用者触击触摸屏时，触击点处两层薄膜就会接触，在另一层薄膜上就可以测量到接触

15、点的电压值（如图2.1）。为了在X轴方向进行测量，将左侧总线偏置为0V，右侧总线偏置为VCC。将顶部或底部总线连接到ADC，当顶层和底层相接触时即可作一次测量。为了在Y轴方向进行测量，将顶部总线偏置为VCC，底部总线偏置为0V。将ADC输入端接左侧总线或右侧总线，当顶层与底层相接触时即可对电压进行测量。如图2.1，测量出来的电压值与接触点的位置线性相关，即可以由VPX和VPY分别计算出接触点P的X和Y坐标。在实际测量中，控制电路会交替在X和Y电极组上施加VCC电压，进行电压测量和计算接触点的坐标。举例说明测量流程：第一步，在X+上施加VCC，X-上施加0V电压，测量Y+(或Y-电极上的电压值V

16、PX，计算出接触点P的X坐标；第二步，在Y+上施加VCC，Y-上施加0V电压，测量X+(或X-电极上的电压值VPY，计算出接触点P的Y坐标；以上两步组成一个测量周期，可以得到一组(X,Y坐标。图2.1：触摸屏工作原理示意图3驱动电路3.1概述完整的触摸功能实现，主要由触摸屏，触摸控制IC、处理器（CPU）和手写识辨软件（如汉王等）模块组成。触摸屏：检测和定位触摸位置的部件。触摸控制IC：把检测到的模拟坐标转化成CPU可以处理的数字坐标。处理器：控制触摸IC和处理数字坐标。手写识辨软件：主要是用于把CPU读取的汉字点阵转化成汉字。基本的工作过程如下：当有触摸动作作用在触摸屏上时，触摸控制IC会向

17、CPU发送一个中断信号，CPU接收到中断后，首先，CPU发送控制字给触摸控制IC，然后，触摸控制IC根据CPU的要求测量触摸点的位置坐标并且转化成数字坐标送给CPU，最后，CPU根据接受到的点执行相应的动作或根据接受到的点阵通过手写识辨软件转化成汉字显示。工作原理框图如图3.1：图3.1：触摸功能原理框图目前，触摸控制IC有两类，分别是：1）以TI的触摸控制IC为代表的A/D转化器（TSC2046等）；2）义隆的触摸控制IC（如Eph1100等）；上面两种触摸控制IC主要的区别：义隆的触摸控制IC是由A/D转化器和手写识别软件组成；TI的触摸控制IC只是简单的A/D转化器。两类触摸控制IC的优

18、确点见表3.1：优点缺点义隆的触摸控制IC1）占用很少的系统空间资源2）软件工作量很小3）手写反应快1）没有兼容芯片；2）价格高TI的触摸控制IC1）现在世面上和该芯片pin对pin替换的芯片很多；2）价格低（是义隆的触摸控制IC价格的1/3）1）占用大量的系统空间资源2）手写反应慢3）软件工作量大表3.1：触摸控制IC的优确点对照表3.2驱动IC概述目前，由于MTK平台上实现触摸功能的简单化，因此，在MTK平台上开发的产品都使用TI的触摸控制IC及相关的替代IC。TI的触摸控制IC及相关的替代IC基本都是由电容分压式逐次比较型模数转化器（SARADC）、控制逻辑和同步串行接口组成。SARAD

19、C：作用是将模拟信号转化成数字信号。控制逻辑：选择SARADC的输入模拟信号并且控制SARADC的动作。串行接口：将SARADC转化的结果以串行的方式发送给外部处理器（CPU）。基本原理框图见图3.2。图3.2：触摸控制IC的基本原理框图3.2驱动IC原理概述 逐次比较型AD转换器属于直接型AD转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。转换过程相当于一架天平秤量物体的过程，不过这里不是加减砝码，而是通过 DA 转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电压平衡。这些标准电压通常称为电压砝码。逐次比较型AD转换器由比较器、环形分配器、控制门、寄存器与DA转

20、换器构成。比较的过程首先是取最大的电压砝码，即寄存器最高位为1时的二进制数所对应的DA转换器输出的模拟电压uI，将被转换的模拟量uA与uI进行比较，当uA大于uI时，最高位置0；反之，当 uA小于uI时，最高位1保留，再将次高位置1，再将被转换的模拟量uA与uI进行比较，确定次高位1保留还是去掉。依次类推，直到最后一位比较完毕，寄存器中所存的二进制数即为 uI 对应的数字量。以上过程可以用图3.3加以说明，图中表示将模拟电压uI转换为四位二进制数的过程。图中的电压砝码依次为800mV、400mV、200mV和100mV，转换开始前先将寄存器清零，所以加给DA转换器的数字量全为0。当转换开始时，

21、通过DA转换器送出一个800mV的电压砝码与输入电压比较，由于uI800mV，将800mV的电压砝码去掉，再加400mV的电压砝码，uI 400mV，于是保留400mV的电压砝码，再加200mV的砝码， uI400mV+200mV ， 200mV的电压砝码也保留；再加100mV的电压砝码，因 uI400mV+200mV+100mV，故去掉100mV的电压砝码。最后寄存器中获得的二进制码0110，即为uI对应的二进制数。 图3.3：比较过程示意图工作原理 下面结合图3.4的逻辑图具体说明逐次比较的过程。这是一个输出3位二进制数码的逐次比较型 AD 转换器。图3.4中的 C 为电压比较器，当UIU

22、A时，比较器的输出0；当UIUA时，比较器的输出1。 FA、FB 和 FC 三个触发器组成了3位数码寄存器，触发器 F1-F5 构成环形分配器和门 G 1-G 9 一起组成控制逻辑电路。 转换开始前先将 FA、FB、FC置零，同时将F1-F5组成的环型移位寄存器置成Q1Q2Q3Q4Q5 =10000状态。转换控制信号UL变成高电平以后，转换开始。图3.4：逐次逐次比较型AD转换器原理图第一个CP脉冲到达后， FA 被置成1，而 FB 、 FC 被置成0。这时寄存器的状态 QA QB QC=100 加到DA转换器的输入端上，并在 DA 转换器的输出端得到相应的模拟电压UA (800mV 。 UA

23、 和UI比较，其结果不外乎两种：若UIUA，则UB=0；若UIUA，则UB=1。同时，移位寄存器右移一位，使Q1Q2Q3Q4Q5=01000。 第二个CP脉冲到达时FB被置成 1 。若原来的UB=1 (UIUA，则FA被置成0，此时电压砝码为400mV；若原来的UB=0 (UIUA，则 FA的1状态保留，此时的电压砝码为 400mV 加上原来的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，变为00100状态。第三个CP脉冲到达时FC被置成1。若原来的UB=1，则 F B 被置成0；若原来的UB=0，则 F B 的1状态保留，此时的电压砝码为 200mV 加上原来保留的电压砝码值。同时移位寄存器右移一位，

24、变成00010状态。第四个CP脉冲到达时，同时根据这时UB的状态决定 FC 的1是否应当保留。这时 FA、FB、FC 的状态就是所要的转换结果。同时，移位寄存器右移一位，变为00001状态。由于Q5=1 ，于是 FA、FB、FC 的状态便通过门 G6、 G7、 G8 送到了输出端。 第五个CP脉冲到达后，移位寄存器右移一位，使得 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 ，返回初始状态。同时，由于Q5 =0，门 G6、 G7、 G8 被封锁，转换输出信号随之消失。 所以对于图示的 AD 转换器完成一次转换的时间为 (n+2TCP 。同时为了减小量化误差，令DA转换器的输出产生 -/2的偏移量。另外，图

25、 7.9 中量化单位的大小依UI的变化范围和 AD 转换器的位数而定，一般取。显然，在一定的限度内，位数越多，量化误差越小，精度越高。控制逻辑控制逻辑包括模拟信号输入的控制和对SARADC的动作控制，上面的一节基本上也比较全面的描述了对SARADC的动作控制，这节重点描述对模拟信号输入的控制。模拟信号输入的控制主要包括切换不同的工作方式、选择不同的输入通道和参考电压源，见图3.5。在图3.5中的A2-A0是选择不同的输入通道和参考电压源，SER/DFR是切换不同的工作方式。图3.5：模拟信号切换原理图表3.2：控制位（A0-A2）、测量模式与模拟通道对应表如表3.2中的Single-Ended

26、 Mode下，说明了A2-A0在不同的取值的情况下，对应测量通道。如表3.2中的Differential Mode下，说明了A2-A0在不同的取值的情况下，选择不同的输入通道和参考电压源。串行接口在触摸控制IC常用的串口方式有SPI、IIC和UART。串行接口是触摸控制IC和外部处理器的通信的通道，对于使用SPI接口方式来说，每次完整的通讯由3次8个时钟组成。第一次8个时钟是外部处理器输入对触摸控制IC的控制字（见表3.3），来选择输入通道、参考电压源和工作方式。然后，进行电压采样，3个时钟采样完毕后进入转化模式，下12个时钟完成模数转化，后面的转化可以忽略不计，时序如图3.7。表3.3：控制

27、位定义表图3.6：SPI接口时序图设计注意的问题测量模式是根据比较器的参考电压源来定义，包括Single-Ended模式和Differential模式。在Single-Ended模式下，比较器的参考电压源一直是VREF和GND，如图3.7：图3.7：Single-Ended模式原理图参考电压源是通过控制位PD1来选择内部参考电压，如图3.8：图3.8：内部参考电压源选择原理示意图在Differential模式下，比较器的参考电压源是X+、X-或Y+、Y-。如图3.9：图3.9：Differential模式原理图为了保证外部电阻的线性变化，驱动管的等效电阻尽量的小（现在我们用的IC是5左右）。从

28、上面的两种模式中我们可以看到，采用Differential模式时，驱动管的等效电阻对线性的影响会将到最低。功耗模式包括Auto-Power-Down模式和Full-Power模式，在Auto-Power-Down模式下，在A/D转化的期间会闭合各开关管已达到减少功耗；在Full-Power模式下，只要片选信号有效，各个开关管即会打开，在A/D转化期间也不会关闭。功耗模式是通过控制位PD0来实现的，当PD0=0时，是Auto-Power-Down模式，反之，是Full-Power模式。中断信号是控制驱动IC向外部处理器发出请求的信号，如图3.10，当PD0=0和SER/DFR=0时，Xon=1、Yon=1、Zon=0，当有触摸动作的时候，信号流向如兰色线，从而产生中断，当控制器开始转化时，Xon=1、Yon=0、Zon=1，中断信号一直是低电平，直到没有触摸的动作。图3.10：中断信号产生原理图主要技