要點

1.現在，除了高端智能手機和平板電腦以外，用戶還期望在其它應用中使用觸摸屏，它們正逐步現身于汽車和儀器中。

2.在電容式觸摸屏與較廉價但響應不快的電阻觸摸技術的競爭中，成本是應用的一個約束因素。

3.觸覺技術試圖模擬真實世界的感受環境，其價格正在下降，可能在游戲市場上獲得第一個進展。

自上次EDN研究觸摸屏后(參考文獻1)，觸摸屏已經在智能手機中確立了自己的地位， 并正在尋機進入更低價的“功能手機”，因為手機商期望從高端手機市場攫取一些份額。像iPad這類平板電腦，以及最新的Kindle Fire也助長了觸摸屏的普及。由于用戶越來越熟悉消費電子中的交互式且變化多端的觸摸屏，因此他們希望在其它非傳統觸摸屏領域也有相同水平的互操作性，如汽車、醫療電子和工業設備等。

觸摸屏面世已有幾十年時間，它們通常采用的是電阻式觸摸技術。使用電阻觸摸屏時，用戶手指的按壓使屏幕外層發生物理形變，使電阻傳感器接觸到手指底面。電阻傳感器排成一個X乘Y的陣列，并由一個薄而透明的絕緣體隔開。

注意這里用了一個詞“按壓”。按壓是不同于觸摸或掃過的一個動作。電阻觸摸屏對于多點觸摸手勢的響應能力有限，如捏、縮放、掃和滾動等。用戶一旦習慣于用這些手勢操作自己的智能手機和平板電腦，就再也用不慣缺乏這些特性的簡單觸摸屏了。能夠響應復雜手勢的觸摸屏通常都采用電容式檢測技術。

電容檢測觸摸技術一般可采用自電容和互電容方式，不過也存在一些其它類型，如投射電容。自電容傳感器由一系列氧化銦錫細線組成，它是一種排成XY網格的透明導電材料，X線與Y線之間有一個絕緣層。觸摸網格上的某個區域會改變傳感器對地的寄生電容。但是，這種方法不能處理多手指的觸摸，因為傳感器無法區分沿同一網格線上的多個手指。互電容可以探測到X線和Y線小交疊處的電容變化。由于交疊面積很小，因此電容也很小，但這種方法很精密，可以測出多個手指的位置。

每種方案都各有利弊。雖然自電容傳感器通常無法區分出多個手指的同時動作，但它們可以產生出用于探測物體的較強電磁場，哪怕該物體并沒有實際接觸屏幕。互電容觸摸屏則可以探測和跟蹤多個手指，但手指必須接觸屏幕，因為兩個交疊傳感器形成的電容非常小，其電磁場極其微弱。

當用戶戴著手套時，手指與觸摸屏之間閉合接觸的需求就可能成為一個問題。電容觸摸屏有這種限制，從而使人們傾向于電阻觸摸屏。電阻技術在液體應用或潮濕氣候下也有自己的優勢，此時潮氣會影響到電磁場的性能。Cypress公司的TrueTouch控制器技術嘗試將自電容和互電容技術結合起來，以克服這些障礙(參考文獻2)。

自電容和互電容都需要相同的XY傳感器網格。在自電容情況下，控制器必須同時驅動X線和Y線。在互電容情況下，控制器發射X線，而從Y線接收。由于TrueTouch控制器IC采用了Cypress公司的PSoC(可編程系統單芯片)核心，因此控制器可以動態地配置其I/O腳，即時地將發射器轉換為接收器。于是，無論控制器何時掃描傳感器的網格板，它都可以同時在兩種模式做探測(自電容和互電容)。自電容與互電容相結合，使人們即使戴著厚滑雪手套，也可以完成多觸功能。這種能力產生了一個在汽車中的觸摸屏安全問題(見附文“JD Power有關汽車安全與觸摸屏的問答”)。

汽車中的觸摸屏為10英寸或更大，通常大于智能手機的屏幕，后者典型尺寸約為4英寸。Atmel公司的MaxTouch系列觸摸屏控制器包括通過汽車認證的mXT768E和mXT540E控制器，可用于中控臺顯示屏、導航系統，以及后座娛樂系統的5英寸~10英寸觸摸屏。傳統用于電容觸摸屏的控制器都要求在多個觸摸屏之間有一個屏蔽層，以防止耦合來自LCD的噪聲。Atmel稱MaxTouch器件提供80:1的信噪比，無需屏蔽層，能夠實現單層傳感器設計，從而降低成本和減小厚度(圖1)。高SNR亦能夠探測出一只戴薄手套的手指。一般來說，該技術可以探測厚度為1.5mm的手套，如皮、毛或棉手套。

圖1，觸摸屏疊層中有一個ITO屏蔽(a)。去掉這樣一個屏蔽層意味著減小厚度，增加顯示亮度，但可能產生LCD噪聲問題(b)。

外觀優雅的觸摸屏設計會有一種很酷的感覺，對消費者來說，這和觸摸屏的性能同等重要。對于智能手機，工業設計決定了總是越薄越好。Cypress公司的SLIM(單層獨立多點觸摸)技術可做出更薄的屏幕，因為傳感器是一層，而不是兩層。對于傳統的雙層結構，制造商要在兩個層面上制作傳感器：即在各自的層上制作出X線和Y線，兩層之間有一個絕緣層。鑒于ITO的成本，這種XY網格成本較高，ITO實際上是一個透明的金屬層，成本大約每英寸屏幕(對角)1美元。

Cypress建立了一種專利圖樣，能夠在一層的同一表面，同時布放X與Y傳感器，而無需跳線或過孔(圖2)。Cypress公司TrueTouch控制器營銷總監John Carey稱，SLIM可做出最薄和最低成本的觸摸屏傳感器，可用于最大4.5英寸的屏幕。該公司并沒有公開這種圖樣，客戶是與Cypress授權伙伴觸摸屏供應商合作。

圖2，Cypress公司的SLIM技術采用了一種專利圖樣，設計者能夠在一層的相同表面同時布放X和Y傳感器網格線，而不用跳線或過孔。

雖然多點觸摸屏的價格在下降， 但它們仍比電阻屏貴大概10倍，后者有更廣泛的用戶群。對于受成本支配但仍需要某種形式多點觸摸的應用，飛思卡爾公司提供了Xtrinsic CRTouch，它能夠將標準的電阻觸摸屏改造為能夠識別滑動、雙指擠捏的放大和縮小，以及多手指旋轉。該芯片采用專利的算法和專門的模擬硬件，以及片上的狀態機。控制器芯片還可管理最多四個電容觸摸板，從而可實現小鍵盤、旋轉鈕，以及線性滑動棒。CRTouch芯片是飛思卡爾Ready Play產品中的一個成員，提供與Android和Linux操作系統的交鑰匙式軟件集成。芯片亦提供可配置的屏幕分辨率，以及可選用于電阻觸摸屏手寫筆輸入的校準與壓力探測。

Amazon公司在Kindle Touch上使用的是紅外觸摸傳感器，部分原因是為了降低成本。Touch閱讀器采用了一塊黑白電子墨水屏，在屏幕和讀者之間沒有ITO層。屏幕是采用位于邊框中的紅外傳感器，探測到手指截斷的IR光束。該顯示屏可以響應多點觸摸的擠捏動作，用于PDF閱讀時的縮放，但它不能接受像智能手機上那么多種多點觸摸手勢(參考文獻3)。

隨著觸摸屏進入汽車、儀表和醫療設備等應用，這些設備的用戶界面可以無限制地調整和更新。對于測試與測量設備的設計者來說，物理控制旋鈕和表盤的位置總是很重要的，他們會花大量時間，決定哪個按鈕應放在何處。

過去，一個頻譜分析儀設計者的口號就是：“tune, boom, zoom”，其中，tune是中心頻率，boom是基準電平或波幅，而zoom則是待測信號的量程。設備設計者的目標是讓tune、boom和zoom盡量快而易用。例如，將中心頻率、基準電平和量程鍵埋入一些菜單結構中就不是個好主意。這三個鍵通常要占據一個頻譜分析儀前面板的相當大一部分。忠實的客戶通常懶于接受對前面板的修改。現在，設備設計者可以讓客戶自己定制控制面板，以適合自己的喜好。

觸覺技術試圖模仿真實世界的感知環境，它的價格也正在下降，可能通過游戲市場而找到第一個進展。來自觸摸屏的感知反饋可以在游戲、汽車或儀表觸摸屏上做出更豐富的體驗，操作者可以不用看系統在觸摸屏上給出的可視提示，就對一個動作做出反應(見附文“觸感101”)。

展望未來， 除觸摸屏以外，還有更多的控制界面會很快進入市場。當屏幕大于10英寸時，自電容和互電容檢測都變得不再實用，并且有些設備需要較大面積的物理接觸。例如，SmithsonMartin公司的Emulator DJ System就是一個透明的混音臺，它能讓觀眾通過混音板看到DJ(圖3)。透明屏幕下面有一個投影儀，它將DJ在屏幕上看到的按鍵、旋鈕與滑桿顯示出來。觀眾也可以通過透明屏幕看到DJ，角落的攝像頭可以通過追蹤DJ手指的運動而實現觸摸屏。

圖3，SmithsonMartin公司的Emulator DVS DJ System是一個透明的混音臺，觀眾可以通過混音板看到DJ。角落的攝像頭追蹤手指的運動，以實現觸摸顯示。

附文1：JD Power有關汽車安全與觸摸屏的問答

最近博客上有一些針對觸摸屏控制器新產品的問題，涉及觸摸屏在汽車中的安全性，因為駕駛者應把目光放在道路上(參考文獻1)。JD Power and Associates的全球汽車市場研究執行總監MikeVanNieuwkuyk最近為EDN雜志回答了下列問題。

觸摸屏似乎要求駕駛員在使用時觀看屏幕，因為觸摸屏沒有旋鈕和按鍵的“手感”。它們會比專用硬件界面更加危險嗎？

答：當然，任何會使駕駛員注意力離開道路的技術都會導致某種程度的分神。屏幕的位置、尺寸、圖標/屏幕上的按鍵、文字大小，等等，都影響一個觸摸屏的效果。不過，觸摸屏使用中還可以集成一些為駕駛員提供反饋的特性，從而確保一個操控得到正確/肯定的執行。反饋可以采取聲音響應方式，如一個音調、卡嗒聲，或確認聲；也可以是視覺響應，如一個指示有效/打開的光；或一種通過振動器提供振動或撞擊的觸感響應。這些特性都可以與觸摸屏的使用相結合，確認消費者使用了預期的控制功能，并且得到了所要的結果。

EDN：觸摸屏是無限可變的；界面設計者對于屏幕功能的大小、數量和性能幾乎沒有限制。駕駛員對觸摸屏的使用是否有一種緩慢的學習曲線，如對MyFord Touch那樣(參考文獻2)？

答：任何新的技術都有一個學習曲線。觸摸屏確實提供了極大的靈活性和創造性。在消費者熟悉界面以前，確實存在著觸摸屏使用困難的可能性。很多消費者在汽車以外已經用過觸摸屏，這創造出了很強的可接受性和高度的預期。不過，汽車以外的觸摸屏使用有很高的交互性；而在汽車內，達不到相同的交互水平。

EDN：戴手套的手指能否可靠地使用觸摸屏？

答： 戴手套用觸摸屏可能會有激勵和確定響應的問題。傳統觸摸屏不能探測手套，需要與皮膚接觸。消費者可以戴特殊手套，但要求消費者去購買和佩戴這種手套是不現實的。有些新型觸摸屏采用了一種表面的電場，當電場被破壞時，該區域便激活要操控的功能。這種屏幕就可以用手套。不過，戴手套使用還有其它問題，如手套增加了手指的大小，如果觸摸屏的控制面過小，則可能導致意外觸摸。

EDN：您認為觸摸屏在汽車市場的用途何在？今后五年內，它們會成為一種必不可少的功能，還是一種小眾的功能？另外，是否會出現某種觸摸屏與專用屏的混合模式？

答： 在汽車的很多領域，采用觸摸屏都有吸引人的原因，其靈活性和個性化的機會都吸引著汽車消費者。既然要在汽車上花費時間，消費者就希望這個時間花得有用、舒適、愉悅。屏幕在車里的位置總是存在著挑戰，無論是專用屏還是觸摸屏。交互性、視覺線、操控區以及眩光等都將決定觸摸屏與專用屏的優劣選擇。可能的結果是，我們會看到一種混合型的屏幕，它有傳統的按鍵和旋鈕，用于熟悉的功能，盡量減少注意力的分散。另外，將增強的語音識別集成為整體操控的一部分，肯定會影響屏幕的使用方式及其位置。

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附文2：觸感101

作者：Eric Siegel，德州儀器公司

讓我們面對現實： 我們處于一個喜好窺視的社會，屏幕無處不在。隨著對越來越多功能需求的增長，我們通常用來觀看的屏幕成為了交互的門戶，現在還配上了觸摸探測功能。盡管觸摸功能有多種形式，包括電阻、電容和光學，下一個進展正在讓這些觸摸屏具有觸及的感覺，這就是觸感要做的事。觸感是通過某個設備為屏幕提供振動(或感知)反饋的能力(圖1)。

圖1，觸感顯示器用傳動器使觸摸屏具有了觸及的能力。觸感中主要采用三種傳動器：偏心旋轉質量 (a)、線性諧振傳動器 (b)，以及壓電傳動器 (c)。

觸感反饋也有多種形式，主要有三種實現：ERM(偏心旋轉質量)、LRA(線性諧振傳動器)，以及壓電傳動器。ERM與LRA是基于慣性的傳動器，包括一個線性運動的質量體，從而創造出可探測的振動力。ERM采用偏心重量，而LRA使用的是彈簧振蕩的質量。ERM提供了基本觸感效果，是一種高性價比的方案，但耗能大，要50ms~80ms才有效果，慢于LRA方式(參考文獻1)。

LRA是以諧振頻率工作，節能效果好。但由于它們是彈簧組件，經過一系列內外振動后，彈性系數會發生改變。這個問題似乎不嚴重。但是，如果系統沒有以諧振頻率工作，就不能獲得最大的功率效率和最大的加速度。

壓電傳動是一種相對較新的觸感反饋法。它利用了陶瓷材料中的壓電原理，即物體內的電壓與其當前形狀有關系。但這里并不是通過彎曲一個器件尋找電壓的變化，而是相反。施加一個電壓，使傳動器的自然狀態發生改變。

壓電傳動的性能要強于其它兩種技術。它是唯一一種能夠初始化為局部觸感的技術，即，只有設備中的一塊區域能感覺到觸感的效果。而在整體觸感時，整個設備都會感到效果。對照一下單只手指的感覺，以及整部設備在衣兜里振動的感覺，就可以了解這點。壓電觸感就可以實現這種效果。它還有更多的效果選項，響應時間不到1ms，這意味著在ERM執行一次動作，壓電傳動器可以執行30到80次。壓電傳動的帶寬也好于另外兩種，因此，它可以無縫地重新創造出按壓一只機械按鍵的感覺。

觸感效果為設備增加了價值，與它們給系統增加的少許成本相比，還是很值的，尤其是很多重要的目標市場都已采用了這些元件。觸感是一種增強用戶滿意度的很好方法，它能體現出產品的差異性，并進一步架起人類與機器之間互動的橋梁。