李安文

[摘? ? 要]我國(guó)觸摸屏技術(shù)發(fā)展于20世紀(jì)90年代末期，隨著各種全新技術(shù)逐漸應(yīng)用于觸摸屏產(chǎn)品當(dāng)中，對(duì)其進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)和電子檢測(cè)能夠從根本上保障觸摸屏的穩(wěn)定性和耐磨損性，提升反應(yīng)速度和靈敏度，同時(shí)減少使用過(guò)程中故障率的產(chǎn)生。從觸摸屏結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，分別對(duì)其光學(xué)測(cè)試原理技術(shù)以及電子檢測(cè)原理技術(shù)進(jìn)行論述，以促進(jìn)我國(guó)觸摸屏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步跨越。

[關(guān)鍵詞]觸摸屏;光學(xué)測(cè)試;電子測(cè)試

[中圖分類號(hào)]TP334.3 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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

觸摸屏又稱觸控面板，能夠接受觸頭信號(hào)輸入，通過(guò)屏幕觸覺反饋系統(tǒng)按照預(yù)定的編程驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種程序的連接。目前我國(guó)觸摸屏常見類型為電阻式和電容式，隨著觸摸方式的升級(jí)以及使用需求的遞增，對(duì)其使用性能也提出了更為嚴(yán)苛的要求。研究光學(xué)和電子檢測(cè)技術(shù)，能夠有效保證觸摸屏的生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，從根本上保證觸摸屏的出廠質(zhì)量，提升使用流暢感和舒適感。

1 觸摸屏的結(jié)構(gòu)以及工作原理

1.1 觸摸屏的分類

觸摸屏主要包括電阻式、表面電容式和感應(yīng)式電容觸摸屏，其主要由ITO（氧化銦錫）構(gòu)成，目前我國(guó)電子產(chǎn)品行業(yè)以電阻式和電容式觸摸屏最為常見。

1.2 觸摸屏的結(jié)構(gòu)

無(wú)論是電阻式觸摸屏還是電容式觸摸屏都是典型的ITO觸摸屏，作為一種弱電導(dǎo)體其厚度降到1 800 A以下時(shí)會(huì)變成透明狀態(tài)，而且透光率在80%以上。ITO觸摸屏主要由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上下兩層分別為襯底用塑料以及襯底用玻璃的透明阻性導(dǎo)體，中間層為隔離層以及電極，兩個(gè)底襯上分別涂有導(dǎo)電性的ITO形成ITO層，兩層之間通過(guò)隔離支點(diǎn)促使兩層的分開，而這些隔離支點(diǎn)只有千分之一英寸厚。ITO觸摸屏的中間層電極選用銀粉末等導(dǎo)電性十分突出的材料，這些材料的導(dǎo)電性能都在ITO的1 000倍以上，隔離層通常選用彈性較好且厚度較薄的聚酯薄膜PET，當(dāng)觸摸屏表面被觸摸時(shí)，PET層會(huì)向下彎曲繼而接觸ITO涂層，實(shí)現(xiàn)電路的連通。

1.3 觸摸屏工作原理

1.3.1 電阻式觸摸屏工作原理

電阻式觸摸屏的工作原理十分簡(jiǎn)單，可以將其看作一個(gè)傳感器，通過(guò)壓力感應(yīng)完成觸摸任務(wù)。電阻觸摸屏在工作的過(guò)程當(dāng)中隨著手指按壓至觸摸屏表面時(shí)按壓點(diǎn)的彈性PET薄膜會(huì)向下彎曲與IPO涂層接觸形成觸摸點(diǎn)。形成觸點(diǎn)之后的電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，分別在X以及Y方向上產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，并將信號(hào)傳送到觸摸屏控制器，而此時(shí)的觸摸屏控制器會(huì)模擬鼠標(biāo)運(yùn)作的方式偵測(cè)到這一接觸點(diǎn)實(shí)時(shí)地計(jì)算出X以及Y的位置并完成相應(yīng)程序的執(zhí)行。在電阻觸摸屏回報(bào)讀點(diǎn)的過(guò)程當(dāng)中通過(guò)偏置電壓而產(chǎn)生，偏置電壓按照電路結(jié)構(gòu)以五線式和四線式最為常見。

四線電阻屏，總共需要四根電纜搭建，兩層透明阻性導(dǎo)體在工作時(shí)分別在豎直與水平方向增加5 V的恒定電壓，而五線電阻屏觸摸屏共引出五條電纜，其中觸摸屏內(nèi)層IPO四條，外層一條為導(dǎo)體。其工作運(yùn)行時(shí)兩個(gè)方向的電壓場(chǎng)分時(shí)工作與同一工作面觸摸電形成之后通過(guò)分時(shí)對(duì)內(nèi)層的IPO接觸點(diǎn)進(jìn)行XY值的檢測(cè)。對(duì)于電阻式觸摸屏而言，有著高解析度以及高速傳輸反應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，且其表面硬度較高使用過(guò)程當(dāng)中能夠有效地避免化學(xué)損傷以及物理擦傷，只需經(jīng)過(guò)一次矯正就能夠得到較高的穩(wěn)定性。不過(guò)，其缺點(diǎn)在于IPO涂層較薄容易發(fā)生脆斷，而且隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的裂紋甚至是變形，一旦有一點(diǎn)IPO受破壞，屏幕的使用壽命都會(huì)受到影響。

1.3.2 電容式觸摸屏

電流式觸摸屏與不同電容式互感器觸摸屏使用了電容傳感原理生產(chǎn)，通過(guò)人體電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行，而電容式互感器觸摸屏則是一個(gè)由四層復(fù)合玻璃所構(gòu)成的觸摸屏，四角分布著四個(gè)電極，而且當(dāng)用指尖觸及金屬層時(shí)由于人自身的電荷效應(yīng)會(huì)與觸摸屏表面產(chǎn)生耦合電容，此時(shí)電流分別從四角電極在控制器的計(jì)算之下得出觸摸點(diǎn)位置。

根據(jù)不同的傳感器類型，電容觸摸屏包括表面電容觸摸屏和投影電容觸摸屏。表面式電容觸摸屏由普通的ITO層和金屬邊框所構(gòu)成，四角的電極傳感器均勻分布于表面覆膜當(dāng)中;投影式電容觸摸屏則由許多蝕燭ITO層構(gòu)成，而這些ITO會(huì)產(chǎn)生許多水平和垂直電極，在交錯(cuò)的過(guò)程當(dāng)中依靠傳感功能獨(dú)立芯片的感應(yīng)完成感應(yīng)單元電容的檢測(cè)。

電容觸摸屏的好處就是具有不錯(cuò)的通透程度和視覺效果，而且輕薄程度比較突出。但因?yàn)椴牧辖Y(jié)構(gòu)的主要問(wèn)題，電容技術(shù)一般分為四層綜合接觸屏，而由于這四層接觸屏對(duì)波長(zhǎng)的透照率都具有不均勻分布的特征，從而存在反光嚴(yán)重、色彩丟失的主要問(wèn)題，而且也因?yàn)楦鲗娱g的反光不同，會(huì)出現(xiàn)圖形與數(shù)字模糊不清的狀況。

2 觸摸屏的光學(xué)測(cè)試原理以及技術(shù)

2.1 光學(xué)檢驗(yàn)

2.1.1 蝕刻工序

蝕刻工序檢驗(yàn)的項(xiàng)目包含網(wǎng)版是否符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、印刷圖案是否正確精準(zhǔn)，同樣也包含耐酸層的硬度、厚度以及附著力等指標(biāo)是否符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)蝕刻工序在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，要保證通過(guò)檢驗(yàn)的原料ITO以及耐酸油墨等生產(chǎn)原材料進(jìn)入無(wú)塵車間，保證ITO印刷耐酸油墨通過(guò)紫外線輻射干燥完成蝕刻，完成不需要導(dǎo)電膜的去除。該過(guò)程中對(duì)外觀的檢查通過(guò)目測(cè)判斷，保證烘干后的材料不會(huì)產(chǎn)生變形且導(dǎo)電面沒有明顯的刮傷、水漬和污點(diǎn)產(chǎn)生，還要保證時(shí)刻干凈無(wú)藍(lán)點(diǎn)具備良好的透明度。在對(duì)電氣檢查的過(guò)程當(dāng)中，通過(guò)絕緣表、萬(wàn)用表的輔助來(lái)完成。檢查的標(biāo)準(zhǔn)在于材料蝕刻區(qū)的干凈度且確定相關(guān)導(dǎo)電膜阻值符合工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，在該道工序進(jìn)行之前應(yīng)該對(duì)酸堿濃度以及純水的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，保證達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)之后完成加工工序。

2.1.2 印刷工序

印刷工序的主要任務(wù)是完成ITO膜或者玻璃的絕緣膠帶引出，同時(shí)完成導(dǎo)電以及絕緣油墨的印刷工作形成導(dǎo)線層。印刷工藝檢查的項(xiàng)目遠(yuǎn)比傳統(tǒng)蝕刻工藝繁雜，首先必須對(duì)其外表進(jìn)行目測(cè)檢查，以確定絲印的良好走線平滑并保證在印刷或烘烤后無(wú)變色現(xiàn)象的產(chǎn)生，且沒有膠漬、污漬以及刮花現(xiàn)象產(chǎn)生。對(duì)其附著力判斷的過(guò)程中，需要使用膠帶以及橡皮擦來(lái)輔助，完成測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)目的在于保證導(dǎo)電墨水或者色彩油墨膠帶經(jīng)過(guò)測(cè)試后并無(wú)脫落現(xiàn)象的產(chǎn)生。相關(guān)的絕緣點(diǎn)在橡皮擦地摩擦下無(wú)脫落現(xiàn)象產(chǎn)生。對(duì)其硬度進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程中，只需要通過(guò)鉛筆就能完成，主要是保證印刷油墨無(wú)脫落痕跡。而電氣檢查需要通過(guò)絕緣表、萬(wàn)用表來(lái)輔助保證良好的阻值保證線間抗阻符合要求，同時(shí)引線穿刺灌孔具備良好的導(dǎo)通性。

2.1.3 鍵片下料沖切成型檢驗(yàn)

鍵片下料沖切成型過(guò)程通常采用壓花沖床來(lái)進(jìn)行，主要的檢查標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)外形進(jìn)行目測(cè)檢驗(yàn)，以確保沖壓機(jī)的成形過(guò)程無(wú)毛邊且沒有明顯的刮損和打孔折損現(xiàn)象產(chǎn)生，且對(duì)玻璃外形尺寸也要嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)制作尺寸，尺寸檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中需要通過(guò)游標(biāo)卡尺完成輔助。

2.1.4 組裝工序

組裝工序就是將觸摸屏的各個(gè)單元組件進(jìn)行組合，不同的觸摸屏組裝流程會(huì)稍顯不同。但檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要是保證組合時(shí)無(wú)明顯的污漬、水漬以及雜點(diǎn)產(chǎn)生，且上下線組合的過(guò)程符合標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)產(chǎn)生明顯偏位。另外要保證封膠灌膠之后平滑無(wú)雜質(zhì)且組合后的觸摸屏沒有明顯的彩虹紋以及拖尾現(xiàn)象產(chǎn)生。觸摸屏在組裝過(guò)后需要完成壓合工序、電氣功能測(cè)試、外觀的檢驗(yàn)和成品出貨檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的目的在于保證組裝后的成品符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，符合客戶需求，并及時(shí)完成不合格產(chǎn)品的剔除。

2.2 老化測(cè)試

老化測(cè)試也被稱為可靠性測(cè)試，主要集中在產(chǎn)品的研發(fā)階段，因此又被稱為環(huán)境測(cè)試。它的主要任務(wù)就是通過(guò)自然條件的模擬根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)以及換算對(duì)觸摸屏的使用老化時(shí)間進(jìn)行判斷。測(cè)試的過(guò)程包含機(jī)械測(cè)試以及氣候試驗(yàn)兩個(gè)部分。機(jī)械測(cè)試包括跌落、振動(dòng)、堆碼等;氣候試驗(yàn)部分包括高溫、低溫、溫度變化以及待機(jī)時(shí)間等。整個(gè)老化測(cè)試的目的就是保證觸摸屏的可靠性和安全性，同時(shí)在測(cè)試的過(guò)程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)失效機(jī)理對(duì)其原因進(jìn)行判斷，通過(guò)相關(guān)的措施采取多觸摸屏進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。因此在此過(guò)程當(dāng)中想要實(shí)現(xiàn)最終質(zhì)量的提升，必須要同失效分析有效結(jié)合。

2.3 制程中的光學(xué)測(cè)試

作為觸摸屏的重要參數(shù)，光學(xué)性能決定觸摸屏的市場(chǎng)走向，檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中的主要指標(biāo)包含光學(xué)透過(guò)率以及霧度檢測(cè)，只有在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)通過(guò)光學(xué)透過(guò)率以及霧度測(cè)試的產(chǎn)品才能夠確定為良好的原材料。其中光學(xué)透過(guò)率是對(duì)物體透射光通量尺度的衡量，而霧度主要指反射光產(chǎn)生漫反射和定向反射的現(xiàn)象，對(duì)著光線進(jìn)入樣品會(huì)有部分被吸收部分透過(guò)，散光通量與透射光通量的比稱為霧度，霧度檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中需要通過(guò)霧度測(cè)定儀來(lái)完成輔助。對(duì)于觸摸屏而言，其光學(xué)透過(guò)率需要保證在80%以上，而霧度要保證在8%以下。

3 觸摸屏的電子檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于觸摸屏進(jìn)行電子檢測(cè)的主要指標(biāo)在于線性度，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中觸摸屏的電子檢測(cè)主要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件以及相關(guān)的測(cè)試設(shè)備輔助完成，該過(guò)程當(dāng)中最根本的任務(wù)在于通過(guò)優(yōu)化的測(cè)試方式和換算保證測(cè)試的準(zhǔn)確度，從而有效降低生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中的誤判率。不過(guò)對(duì)于不同的觸摸屏類型而言，在電子檢測(cè)技術(shù)當(dāng)中擁有著不同的技術(shù)指標(biāo)和檢測(cè)方式。

3.1 線性度測(cè)試原理

實(shí)際上，無(wú)論電阻式觸摸屏和電容式觸摸屏，在工作過(guò)程中信號(hào)產(chǎn)生的原理都在于接觸點(diǎn)坐標(biāo)的集合，集合后的坐標(biāo)會(huì)與之等價(jià)的電壓集合通過(guò)信號(hào)傳輸以及模數(shù)轉(zhuǎn)換變成絕對(duì)坐標(biāo)輸送到后端控制器，所以觸摸屏線性度的檢測(cè)相當(dāng)于傳感器線性度的檢測(cè)。其中獨(dú)立線性度能夠?qū)鞲衅骶€性特性進(jìn)行客觀標(biāo)準(zhǔn)的衡量，是反映傳感器實(shí)際輸出特性曲線同最佳直線之間的偏差。對(duì)觸摸屏傳感器測(cè)試的過(guò)程當(dāng)中通過(guò)不同參考直線的選擇能夠獲得不同的線性度值。

獨(dú)立線性度計(jì)算公式如下：

（1）

（2）

式中，Δymax為輸出平均值和最佳直線間的最大偏差，ymax-ymin代表傳感器的量程。

3.2 電阻式觸摸屏的線性度檢測(cè)

電阻式觸摸屏在線性度檢測(cè)的過(guò)程當(dāng)中，四線電阻式以及五線電阻式的檢測(cè)方式略有不同，要完成對(duì)四線電阻式觸摸屏的線性度檢測(cè)，首先應(yīng)該確定x以及y坐標(biāo)，并根據(jù)獨(dú)立線性度計(jì)算公式完成獨(dú)立線性度的計(jì)算。不過(guò)在此過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該盡可能多地選擇測(cè)試點(diǎn)以保證線性度計(jì)算的準(zhǔn)確性。

四線電阻式觸摸屏的構(gòu)成當(dāng)中包含兩層透平，且兩層透平均包含有ITO，因此分別作為x電極以及y電極，不同電極之間由均勻排列的透明隔點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分開絕緣。其中下層透平ITO與玻璃基板附著，上層與PET薄膜附著。x電極以及y電極會(huì)分別從正負(fù)兩端導(dǎo)出導(dǎo)電條，此時(shí)的導(dǎo)電條在空間內(nèi)表現(xiàn)出相互垂直的特性，而引出端會(huì)產(chǎn)生x+;x-;y+;y-四條線，這就是四線電阻式觸摸屏的由來(lái)。四線電阻觸摸屏在對(duì)x坐標(biāo)計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)保證將驅(qū)動(dòng)電壓加到正電極，同時(shí)保證負(fù)電極接地，該過(guò)程當(dāng)中以正電極作為引出端進(jìn)行接觸點(diǎn)電壓的測(cè)量，因?yàn)镮PO層具備均勻的導(dǎo)電性，所以觸點(diǎn)電壓和驅(qū)動(dòng)電壓比值同x坐標(biāo)觸摸屏寬度的比值相同，y坐標(biāo)值計(jì)算方法同x坐標(biāo)相同，不過(guò)觸點(diǎn)電壓和驅(qū)動(dòng)電壓比值同y坐標(biāo)觸摸屏高度比值相同。

因?yàn)樗木€式電阻觸摸屏在使用的過(guò)程當(dāng)中很容易產(chǎn)生裂紋失效，為了有效避免該種失效模式，五線電阻式觸摸屏基于四線電阻式觸摸屏之上完成優(yōu)化。對(duì)于五線電阻式觸摸屏而言，x電極以及y電極均附著于ITO層，上層的ITO只作為活動(dòng)電極，下層的ITO分別從四角引出UL，UR，LL，LR，這樣的構(gòu)成優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)玻璃基板牢固不易變形，減少了裂紋失效。而且上層的IPO作為引出端電極不會(huì)有電流經(jīng)過(guò)，所以對(duì)其導(dǎo)電性能沒有均勻性的要求。五線電阻式觸摸屏在進(jìn)行y坐標(biāo)值計(jì)算過(guò)程當(dāng)中需要從工作面右上角UR出完成驅(qū)動(dòng)電壓，而左下角LL保持接地，但在對(duì)x點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中，電壓以及電極接地的方向剛好相反。就是說(shuō)從左下角LL施加驅(qū)動(dòng)電壓，保證右上角UR電極接地。將活動(dòng)電極作為引出端得到接觸點(diǎn)電壓值的測(cè)量，再利用計(jì)算公式完成線性度檢測(cè)。

3.3 電容式觸摸屏線性度檢測(cè)

電容式觸摸屏的控制原理在于利用一層ITO涂層來(lái)完成電荷的存儲(chǔ)工作，而傳導(dǎo)物質(zhì)會(huì)沿著觸摸屏的x以及y軸進(jìn)行電流的傳導(dǎo)。所以對(duì)觸摸屏進(jìn)行觸摸控制時(shí)，相應(yīng)的控制電場(chǎng)會(huì)發(fā)生一定的變化。此時(shí)，根據(jù)電場(chǎng)的變化值能夠確定水平和垂直軸的觸摸位置。對(duì)于電容式觸摸屏而言，除了輸入設(shè)備具有一層電容性ITO薄膜之外，四角各包含一個(gè)振蕩器，而在輸入屏四周還包含有四個(gè)電極。觸摸的過(guò)程當(dāng)中會(huì)因?yàn)樽杩沟母淖儗?dǎo)致振蕩器振幅和頻率發(fā)生一定的變化，通過(guò)振幅和頻率的改變量能夠?qū)崿F(xiàn)被觸摸位置x以及y軸坐標(biāo)的計(jì)算，繼而利用線性度計(jì)算公式計(jì)算得出電容式觸摸屏的線性度。電流值與x以及y軸坐標(biāo)的計(jì)算公式如下：

（3）

（4）

（5）

式中，a和b分別代表觸摸屏的長(zhǎng)度和寬度。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，觸摸屏已經(jīng)逐漸被應(yīng)用于各行各業(yè)的電子產(chǎn)品當(dāng)中，想要保證電子觸摸屏的使用壽命和使用性能對(duì)其進(jìn)行光學(xué)以及電子測(cè)試十分重要?？萍嫉陌l(fā)展之下，電子觸摸屏的測(cè)試逐漸變得簡(jiǎn)單化、機(jī)械化和智能化，不僅減輕了人工檢測(cè)的勞動(dòng)支出，檢測(cè)結(jié)果也更為精確。綜合當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展情況而言，觸摸屏在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間仍舊是朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，提高檢測(cè)效率提升質(zhì)量才是保證良好競(jìng)爭(zhēng)的根本。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊泓.四線電阻式觸摸屏測(cè)試技術(shù)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[2] 鄭巍.觸摸屏的光學(xué)和電子測(cè)試技術(shù)研究及討論[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2009.