關(guān)于手機(jī)觸摸屏幕的原理解析

我們每天都在使用觸摸屏的電子設(shè)備，比如手機(jī)、平板電腦。大家知道觸摸屏的工作原理是什么嗎？它是怎么知道我們手指的位置的？為什么手機(jī)貼了膜一樣可以使用，而帶著手套就不能正常使用了呢？目前，市面上使用的觸摸屏多數(shù)是電容式觸摸屏。為了了解它的工作原理，我們首先解釋一下電容是什么。

1745年，荷蘭萊頓大學(xué)教授馬森布羅克發(fā)明了萊頓瓶，用來儲(chǔ)存電荷。萊頓瓶的基本原理是：通過一根導(dǎo)電的金屬棒和金屬鏈將電荷導(dǎo)入瓶子中，瓶子內(nèi)外分別貼有金屬箔。這樣，電荷就會(huì)儲(chǔ)存在瓶子中?，F(xiàn)在我們知道：當(dāng)正電荷導(dǎo)入瓶子中的金屬箔上時(shí)，如果瓶子外側(cè)金屬箔接地，等量的負(fù)電荷就會(huì)被吸引到外側(cè)金屬箔上。正負(fù)電荷相互吸引，但是由于玻璃瓶是絕緣體，阻礙了它們的中和，所以電荷就儲(chǔ)存下來了。

1752年，美國獨(dú)立戰(zhàn)爭的領(lǐng)袖，印在百元美鈔上的富蘭克林利用萊頓瓶做了著名的“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”，使用風(fēng)箏將天上的雷電導(dǎo)入了萊頓瓶中，證明了天上的閃電和地上的電是同一種物質(zhì)。

其實(shí)，要儲(chǔ)存電荷，并不一定需要瓶子。只要兩個(gè)相互絕緣并且靠近的導(dǎo)體就能起到同樣的作用，我們稱之為電容器。最簡單的電容器是平行板電容器。將兩塊金屬板彼此靠近，一個(gè)極板帶正電， 另一個(gè)極板帶負(fù)電，由于電荷之間的吸引作用，只要兩個(gè)電極沒有通過外電路連通，電荷就不會(huì)跑掉。

電容器中央是絕緣的，理論上說電流是不能通過電容器的。但是，在電容器充電和放電的過程中，電容器極板上電荷量會(huì)有變化，可以看作是電流通過了電容器。

比如，我們將本來不帶電的電容器與電池兩極相接， 電容器就會(huì)充電，即正電荷涌入電容器的上極板，負(fù)電荷涌入電容器的下極板。電路中除了電容器兩極板之間部分外，其余部分都有電流，電流方向規(guī)定為正電荷定向移動(dòng)的方向，所以我們可以說，電路中出現(xiàn)了順時(shí)針的充電電流。這個(gè)電流是瞬間的，當(dāng)電容器的電壓與電池的電壓相同時(shí)，電流就消失了。類似于一個(gè)連通器，最初左側(cè)的水面比較高，水就會(huì)流動(dòng)。當(dāng)兩側(cè)水面一樣高時(shí)，水面就不再流動(dòng)了。

當(dāng)電容器充滿電之后，即使我們斷開電源，電容器上的電荷也不會(huì)消失。但是，如果我們將電容器兩個(gè)極板用導(dǎo)線直接相連，正負(fù)電荷就找到了一條可以中和的通路，于是，正電荷和負(fù)電荷就會(huì)通過這個(gè)通路中和， 電路中出現(xiàn)逆時(shí)針的電流，這個(gè)電流稱為放電電流。放電電流也是瞬間的，電荷中和完畢之后，放電電流就消失了。

如果電容器反復(fù)進(jìn)行充電和放電，電路中就會(huì)反復(fù)出現(xiàn)充電電流和放電電流，并且充電電流與放電電流的方向是相反的。這種電流就是我們之前講過的交流電?，F(xiàn)在我們知道了，交流電可以通過電容器。我們知道， 試電筆是可以測量一個(gè)導(dǎo)線是否帶電。你是否想過，如果站在椅子上用試電筆接觸火線，試電筆會(huì)不會(huì)亮呢？

由于人和大地都是導(dǎo)體，而椅子是絕緣體，而家用電是交流電，因此可以通過電容器，即使站在椅子上用試電筆觸摸火線，試電筆依然會(huì)量，表示依然有電流通過了試電筆和人體。只是這個(gè)電流比較小，人體沒有什么感覺。現(xiàn)在我們終于可以解釋電容觸摸屏原理了。簡單的電容屏是一個(gè)四層復(fù)合玻璃板，其中有層ITO材料。ITO是一種氧化銦錫材料，它透明，并且可以導(dǎo)電，適合于制造觸摸屏幕。

當(dāng)手指接觸屏幕上某個(gè)部位時(shí)，就會(huì)與ITO材料構(gòu)成耦合電容，改變觸點(diǎn)處的電容大小。屏幕的四個(gè)角會(huì)有導(dǎo)線，由于交流電可以通過電容器，四個(gè)導(dǎo)線的電流會(huì)奔向觸點(diǎn)，并且電流大小與到觸點(diǎn)的距離有關(guān)。手機(jī)內(nèi)部的芯片可以分析四個(gè)角的電流，通過計(jì)算就可以得到觸點(diǎn)的位置。

更加精細(xì)的電容屏是投射式電容屏。它采用被蝕燭的ITO陣列,這些ITO層通過蛀蝕形成多個(gè)水平和垂直電極。每一部分的ITO部件也帶有傳感功能。當(dāng)手指觸摸某個(gè)部位時(shí)，與陣列電容進(jìn)行耦合，改變了屏幕上的電場，通過傳感器和芯片分析電場合電流變化，就可以感知觸點(diǎn)位置。相比于之前的四角電流電容屏幕，這種電容屏可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控，應(yīng)用更加廣泛。

人的手指是導(dǎo)體，才會(huì)影響電容屏幕，而使用絕緣物質(zhì)觸碰電容屏幕就沒法操作手機(jī)。手機(jī)貼膜也可以使用，這是因?yàn)槭种概cITO層原本也不需要接觸，中間本身就有玻璃絕緣層，貼絕緣膜的作用只是相當(dāng)于玻璃厚了一點(diǎn)點(diǎn)，電流依然可以流過手指和屏幕中的導(dǎo)體所形成的電容器。不過，如果手套太厚了，觸碰觸摸屏?xí)r手指與屏幕中的導(dǎo)體相隔太遠(yuǎn)，電容比較小，不足以被傳感器感知，所以戴著厚手套是不能操作手機(jī)的。

其實(shí)，電容傳感器在生活中還有很多，比如廁所里常見的自動(dòng)沖水裝置、自動(dòng)干手機(jī)等，許多都是利用過電容傳感的。當(dāng)人體靠近或原離時(shí)，人體與裝置構(gòu)成的電容發(fā)生了變化，傳感器感受到這種變化，控制電路進(jìn)行某種操作。