触摸屏的光学和电子测试技术研究及讨论

李安文

[摘    要]我国触摸屏技术发展于20世纪90年代末期，随着各种全新技术逐渐应用于触摸屏产品当中，对其进行光学检测和电子检测能够从根本上保障触摸屏的稳定性和耐磨损性，提升反应速度和灵敏度，同时减少使用过程中故障率的产生。从触摸屏结构和原理出发，分别对其光学测试原理技术以及电子检测原理技术进行论述，以促进我国触摸屏产业的发展实现进一步跨越。

[关键词]触摸屏;光学测试;电子测试

[中图分类号]TP334.3 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）02–0–04

Research on Optical and Electronic Testing Technology of Touch Screen

Li An-wen

[Abstract]My country's touch screen technology developed in the late 1990s. With the gradual application of various new technologies to touch screen products， optical detection and electronic detection can fundamentally ensure the stability and wear resistance of the touch screen， and improve the response speed. and sensitivity， while reducing the failure rate during use. Starting from the structure and principle of the touch screen， the article discusses its optical testing principle technology and electronic testing principle technology respectively， in order to promote the development of my country's touch screen industry and achieve a further leap forward.

[Keywords]touch screen; optical test; electronic test

觸摸屏又称触控面板，能够接受触头信号输入，通过屏幕触觉反馈系统按照预定的编程驱动实现各种程序的连接。目前我国触摸屏常见类型为电阻式和电容式，随着触摸方式的升级以及使用需求的递增，对其使用性能也提出了更为严苛的要求。研究光学和电子检测技术，能够有效保证触摸屏的生产技术指标，从根本上保证触摸屏的出厂质量，提升使用流畅感和舒适感。

1 触摸屏的结构以及工作原理

1.1 触摸屏的分类

触摸屏主要包括电阻式、表面电容式和感应式电容触摸屏，其主要由ITO（氧化铟锡）构成，目前我国电子产品行业以电阻式和电容式触摸屏最为常见。

1.2 触摸屏的结构

无论是电阻式触摸屏还是电容式触摸屏都是典型的ITO触摸屏，作为一种弱电导体其厚度降到1 800 A以下时会变成透明状态，而且透光率在80%以上。ITO触摸屏主要由三层结构构成，上下两层分别为衬底用塑料以及衬底用玻璃的透明阻性导体，中间层为隔离层以及电极，两个底衬上分别涂有导电性的ITO形成ITO层，两层之间通过隔离支点促使两层的分开，而这些隔离支点只有千分之一英寸厚。ITO触摸屏的中间层电极选用银粉末等导电性十分突出的材料，这些材料的导电性能都在ITO的1 000倍以上，隔离层通常选用弹性较好且厚度较薄的聚酯薄膜PET，当触摸屏表面被触摸时，PET层会向下弯曲继而接触ITO涂层，实现电路的连通。

1.3 触摸屏工作原理

1.3.1 电阻式触摸屏工作原理

电阻式触摸屏的工作原理十分简单，可以将其看作一个传感器，通过压力感应完成触摸任务。电阻触摸屏在工作的过程当中随着手指按压至触摸屏表面时按压点的弹性PET薄膜会向下弯曲与IPO涂层接触形成触摸点。形成触点之后的电阻会发生相应的变化，分别在X以及Y方向上产生相应的信号，并将信号传送到触摸屏控制器，而此时的触摸屏控制器会模拟鼠标运作的方式侦测到这一接触点实时地计算出X以及Y的位置并完成相应程序的执行。在电阻触摸屏回报读点的过程当中通过偏置电压而产生，偏置电压按照电路结构以五线式和四线式最为常见。

四线电阻屏，总共需要四根电缆搭建，两层透明阻性导体在工作时分别在竖直与水平方向增加5 V的恒定电压，而五线电阻屏触摸屏共引出五条电缆，其中触摸屏内层IPO四条，外层一条为导体。其工作运行时两个方向的电压场分时工作与同一工作面触摸电形成之后通过分时对内层的IPO接触点进行XY值的检测。对于电阻式触摸屏而言，有着高解析度以及高速传输反应的优势，且其表面硬度较高使用过程当中能够有效地避免化学损伤以及物理擦伤，只需经过一次矫正就能够得到较高的稳定性。不过，其缺点在于IPO涂层较薄容易发生脆断，而且随着使用时间的延长，会出现细小的裂纹甚至是变形，一旦有一点IPO受破坏，屏幕的使用寿命都会受到影响。

1.3.2 电容式触摸屏

电流式触摸屏与不同电容式互感器触摸屏使用了电容传感原理生产，通过人体电流传感器来实现工作任务的同时进行，而电容式互感器触摸屏则是一个由四层复合玻璃所构成的触摸屏，四角分布着四个电极，而且当用指尖触及金属层时由于人自身的电荷效应会与触摸屏表面产生耦合电容，此时电流分别从四角电极在控制器的计算之下得出触摸点位置。

根据不同的传感器类型，电容触摸屏包括表面电容触摸屏和投影电容触摸屏。表面式电容触摸屏由普通的ITO层和金属边框所构成，四角的电极传感器均匀分布于表面覆膜当中;投影式电容触摸屏则由许多蚀烛ITO层构成，而这些ITO会产生许多水平和垂直电极，在交错的过程当中依靠传感功能独立芯片的感应完成感应单元电容的检测。

电容触摸屏的好处就是具有不错的通透程度和视觉效果，而且轻薄程度比较突出。但因为材料结构的主要问题，电容技术一般分为四层综合接触屏，而由于这四层接触屏对波长的透照率都具有不均匀分布的特征，从而存在反光严重、色彩丢失的主要问题，而且也因为各层间的反光不同，会出现图形与数字模糊不清的状况。

2 触摸屏的光学测试原理以及技术

2.1 光学检验

2.1.1 蚀刻工序

蚀刻工序检验的项目包含网版是否符合生产标准、印刷图案是否正确精准，同样也包含耐酸层的硬度、厚度以及附着力等指标是否符合生产标准。整个蚀刻工序在生产过程当中，要保证通过检验的原料ITO以及耐酸油墨等生产原材料进入无尘车间，保证ITO印刷耐酸油墨通过紫外线辐射干燥完成蚀刻，完成不需要导电膜的去除。该过程中对外观的检查通过目测判断，保证烘干后的材料不会产生变形且导电面没有明显的刮伤、水渍和污点产生，还要保证时刻干净无蓝点具备良好的透明度。在对电气检查的过程当中，通过绝缘表、万用表的辅助来完成。检查的标准在于材料蚀刻区的干净度且确定相关导电膜阻值符合工程验收标准。值得注意的是，在该道工序进行之前应该对酸碱浓度以及纯水的质量进行检验，保证达到标准之后完成加工工序。

2.1.2 印刷工序

印刷工序的主要任务是完成ITO膜或者玻璃的绝缘胶带引出，同时完成导电以及绝缘油墨的印刷工作形成导线层。印刷工艺检查的项目远比传统蚀刻工艺繁杂，首先必须对其外表进行目测检查，以确定丝印的良好走线平滑并保证在印刷或烘烤后无变色现象的产生，且没有胶渍、污渍以及刮花现象产生。对其附着力判断的过程中，需要使用胶带以及橡皮擦来辅助，完成测试标准目的在于保证导电墨水或者色彩油墨胶带经过测试后并无脱落现象的产生。相关的绝缘点在橡皮擦地摩擦下无脱落现象产生。对其硬度进行检测的过程中，只需要通过铅笔就能完成，主要是保证印刷油墨无脱落痕迹。而电气检查需要通过绝缘表、万用表来辅助保证良好的阻值保证线间抗阻符合要求，同时引线穿刺灌孔具备良好的导通性。

2.1.3 键片下料冲切成型检验

键片下料冲切成型过程通常采用压花冲床来进行，主要的检查标准是对外形进行目测检验，以确保冲压机的成形过程无毛边且没有明显的刮损和打孔折损现象产生，且对玻璃外形尺寸也要严格遵循标准制作尺寸，尺寸检测的过程当中需要通过游标卡尺完成辅助。

2.1.4 组装工序

组装工序就是将触摸屏的各个单元组件进行组合，不同的触摸屏组装流程会稍显不同。但检验标准主要是保证组合时无明显的污渍、水渍以及杂点产生，且上下线组合的过程符合标准，不会产生明显偏位。另外要保证封胶灌胶之后平滑无杂质且组合后的触摸屏没有明显的彩虹纹以及拖尾现象产生。触摸屏在组装过后需要完成压合工序、电气功能测试、外观的检验和成品出货检验，检验的目的在于保证组装后的成品符合生产标准，符合客户需求，并及时完成不合格产品的剔除。

2.2 老化测试

老化测试也被称为可靠性测试，主要集中在产品的研发阶段，因此又被称为环境测试。它的主要任务就是通过自然条件的模拟根据相关的数据、经验以及换算对触摸屏的使用老化时间进行判断。测试的过程包含机械测试以及气候试验两个部分。机械测试包括跌落、振动、堆码等;气候试验部分包括高温、低温、温度变化以及待机时间等。整个老化测试的目的就是保证触摸屏的可靠性和安全性，同时在测试的过程当中发现失效机理对其原因进行判断，通过相关的措施采取多触摸屏进行改进优化。因此在此过程当中想要实现最终质量的提升，必須要同失效分析有效结合。

2.3 制程中的光学测试

作为触摸屏的重要参数，光学性能决定触摸屏的市场走向，检测过程当中的主要指标包含光学透过率以及雾度检测，只有在标准范围之内通过光学透过率以及雾度测试的产品才能够确定为良好的原材料。其中光学透过率是对物体透射光通量尺度的衡量，而雾度主要指反射光产生漫反射和定向反射的现象，对着光线进入样品会有部分被吸收部分透过，散光通量与透射光通量的比称为雾度，雾度检测过程当中需要通过雾度测定仪来完成辅助。对于触摸屏而言，其光学透过率需要保证在80%以上，而雾度要保证在8%以下。

3 触摸屏的电子检测技术

对于触摸屏进行电子检测的主要指标在于线性度，随着科学技术的发展，当今生产过程当中触摸屏的电子检测主要通过计算机软件以及相关的测试设备辅助完成，该过程当中最根本的任务在于通过优化的测试方式和换算保证测试的准确度，从而有效降低生产过程当中的误判率。不过对于不同的触摸屏类型而言，在电子检测技术当中拥有着不同的技术指标和检测方式。

3.1 线性度测试原理

实际上，无论电阻式触摸屏和电容式触摸屏，在工作过程中信号产生的原理都在于接触点坐标的集合，集合后的坐标会与之等价的电压集合通过信号传输以及模数转换变成绝对坐标输送到后端控制器，所以触摸屏线性度的检测相当于传感器线性度的检测。其中独立线性度能够对传感器线性特性进行客观标准的衡量，是反映传感器实际输出特性曲线同最佳直线之间的偏差。对触摸屏传感器测试的过程当中通过不同参考直线的选择能够获得不同的线性度值。

独立线性度计算公式如下：

（1）

（2）

式中，Δymax为输出平均值和最佳直线间的最大偏差，ymax-ymin代表传感器的量程。

3.2 电阻式触摸屏的线性度检测

电阻式触摸屏在线性度检测的过程当中，四线电阻式以及五线电阻式的检测方式略有不同，要完成对四线电阻式触摸屏的线性度检测，首先应该确定x以及y坐标，并根据独立线性度计算公式完成独立线性度的计算。不过在此过程当中，应该尽可能多地选择测试点以保证线性度计算的准确性。

四线电阻式触摸屏的构成当中包含两层透平，且两层透平均包含有ITO，因此分别作为x电极以及y电极，不同电极之间由均匀排列的透明隔点实现分开绝缘。其中下层透平ITO与玻璃基板附着，上层与PET薄膜附着。x电极以及y电极会分别从正负两端导出导电条，此时的导电条在空间内表现出相互垂直的特性，而引出端会产生x+;x-;y+;y-四条线，这就是四线电阻式触摸屏的由来。四线电阻触摸屏在对x坐标计算的过程当中，应保证将驱动电压加到正电极，同时保证负电极接地，该过程当中以正电极作为引出端进行接触点电压的测量，因为IPO层具备均匀的导电性，所以触点电压和驱动电压比值同x坐标触摸屏宽度的比值相同，y坐标值计算方法同x坐标相同，不过触点电压和驱动电压比值同y坐标触摸屏高度比值相同。

因为四线式电阻触摸屏在使用的过程当中很容易产生裂纹失效，为了有效避免该种失效模式，五线电阻式触摸屏基于四线电阻式触摸屏之上完成优化。对于五线电阻式触摸屏而言，x电极以及y电极均附着于ITO层，上层的ITO只作为活动电极，下层的ITO分别从四角引出UL，UR，LL，LR，这样的构成优点在于实现玻璃基板牢固不易变形，减少了裂纹失效。而且上层的IPO作为引出端电极不会有电流经过，所以对其导电性能没有均匀性的要求。五线电阻式触摸屏在进行y坐标值计算过程当中需要从工作面右上角UR出完成驱动电压，而左下角LL保持接地，但在对x点坐标进行计算的过程当中，电压以及电极接地的方向刚好相反。就是说从左下角LL施加驱动电压，保证右上角UR电极接地。将活动电极作为引出端得到接触点电压值的测量，再利用计算公式完成线性度检测。

3.3 电容式触摸屏线性度检测

电容式触摸屏的控制原理在于利用一层ITO涂层来完成电荷的存储工作，而传导物质会沿着触摸屏的x以及y轴进行电流的传导。所以对触摸屏进行触摸控制时，相应的控制电场会发生一定的变化。此时，根据电场的变化值能够确定水平和垂直轴的触摸位置。对于电容式触摸屏而言，除了输入设备具有一层电容性ITO薄膜之外，四角各包含一个振荡器，而在输入屏四周还包含有四個电极。触摸的过程当中会因为阻抗的改变导致振荡器振幅和频率发生一定的变化，通过振幅和频率的改变量能够实现被触摸位置x以及y轴坐标的计算，继而利用线性度计算公式计算得出电容式触摸屏的线性度。电流值与x以及y轴坐标的计算公式如下：

（3）

（4）

（5）

式中，a和b分别代表触摸屏的长度和宽度。

4 结束语

当前，触摸屏已经逐渐被应用于各行各业的电子产品当中，想要保证电子触摸屏的使用寿命和使用性能对其进行光学以及电子测试十分重要。科技的发展之下，电子触摸屏的测试逐渐变得简单化、机械化和智能化，不仅减轻了人工检测的劳动支出，检测结果也更为精确。综合当前市场发展情况而言，触摸屏在未来很长一段时间仍旧是朝阳产业，提高检测效率提升质量才是保证良好竞争的根本。

参考文献

[1] 杨泓.四线电阻式触摸屏测试技术的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.

[2] 郑巍.触摸屏的光学和电子测试技术研究及讨论[D].上海：复旦大学，2009.