触摸屏原理：玻璃如何找到你的手指

一片玻璃怎么知道你按在哪里？

电容式触摸屏通过测量玻璃下方透明电极间电场的变化来找到手指。手指改变网格交叉点附近的耦合，触控控制器利用这些读数估算手指的位置。玻璃本身没有可移动的按钮。

点一下手机上的图标，相应的应用就会打开，尽管你触碰的玻璃没有按钮、没有活动部件，也没有看得见的导线。玻璃正下方有一张透明电极网格，旁边的小芯片每秒对网格进行多次测量。手指并没有按下什么东西。它改变了两个电极间传递的电荷量，而芯片察觉到了这一点。

上方模型以手指落向玻璃开始：下方的电场线弯向指尖，展台底部的面板显示最近交叉点的电容正在下降。然后，屏幕分解成各个层。下方有一块测试屏，你可以用鼠标或手指按压，同时按多少处都可以，而「按压玻璃」让你直接触碰模型。测试屏上的每个方格都是网格的一个交叉点，颜色和数字显示触控控制器在那里测得的结果。十字标记是触控控制器根据这些数字算出的位置，虚线圆圈是你实际按下的位置，你可以由此看出两者有多接近。

逐层看手机屏幕

模型从上到下包含这些部件。

1. 盖板玻璃。 你唯一触碰的部件。手机上通常厚 0.55、0.75 或 1.1 mm，自助终端使用的玻璃可厚达 3 mm。盖板更薄，或介电常数更高，都会提高屏幕的灵敏度。也可以改用塑料，但要达到同样的效果，厚度必须约为玻璃的一半。
2. 接收电极。 菱形电极片在角部通过细颈连接成列。触控控制器测量到达每列的电荷。
3. 绝缘层。 防止列与行接触。在模型中，这一层还承载节点图，也就是显示每个交叉点测量结果的彩色方格。
4. 发射电极。 成行的菱形，相对列旋转了 90 度。触控控制器用切换电压逐行驱动它们。
5. 显示屏。 产生图像的 OLED 或 LCD 面板。它就在触控层下方，也是这些层噪声最大的邻居。
6. 柔性排线和触控控制器。 印制排线把所有行线和列线连接到触控控制器芯片。Barrett 和 Omote 指出，大多数触控控制器都安装在这段尾部排线上，靠近传感器，以减少线路拾取的噪声。

电极由氧化铟锡（ITO）制成，这种材料既导电又透光。3M 的设计简报给出的典型方块电阻为每方块 30 至 150 欧姆，并解释了其中的权衡：薄层透过的光更多，但电阻更高。菱形是最常见的布局。Barrett 和 Omote 在 2010 年的《Information Display》文章中给出的菱形尺寸为 4 至 8 mm，具体取决于制造商。模型的电极间距为 5 mm，与 Microchip 计算示例采用的间距相同，有效区域为 120 × 60 mm。因此共有 12 行、24 列和 288 个交叉点，工程师称这些交叉点为节点。

模型中的厚度被大幅夸张了。实际的 ITO 薄膜远薄于这里画出的任何部分，按真实比例画，整个触控传感器看起来会像一条线。

为什么手指会降低读数

行与列相交时，两个电极形成一个微小的电容器。触控控制器切换行电压时，少量电荷通过这份电容流向列，触控控制器对其进行测量。并非所有电场都留在夹层内部。菱形边缘附近，一些电场线向上穿过盖板玻璃后再向下返回。导览第 4 步用弧线展示这些电场线。Microchip 的设计指南指出，在互电容传感器中，触摸主要由电极对与指尖之间的这些边缘电场决定，增大两个电极之间的间隙会降低其静态电容，但也会缩短彼此相对的边缘。

手指是与庞大身体相连的导体。把手指放在节点上方的玻璃上，它就会截获这些隆起的电场线，将其引走，使到达列的电荷减少。Infineon 的设计指南说得很明确：手指放在发射和接收电极之间时，互电容减小，接收电极收到的电荷也减少。Microchip 将手指描述为一条「电容耦合的对地路径」，会分流部分注入电流。

变化极其微小。在 Microchip 的 TB3064 说明中，测量电路看到的单个电极电容约为 100 pF。正上方的强触摸会让它变化 0.5 至 1.0 pF，相邻电极上的触摸会让它变化约 0.05 pF。Barrett 和 Omote 写道，投射电容式屏幕必须感知小至几飞法的变化，这也是设计对电噪声如此敏感的原因。

测试屏上的数字已经转换了方向。它们是高于无触摸基线的计数，因此即使电容本身下降，手指也显示为正数。在模型中，裸指正按在节点上时产生 100 计数，触控控制器把达到 30 及以上的节点算作被触摸。

逐行读取 288 个交叉点

触控控制器无法同时读取所有节点。它驱动一行，测量与这一行相交的所有列，然后移到下一行，如此反复。Barrett 和 Omote 称之为「全点可寻址」扫描，并给出当时触控控制器每秒约 20 至 200 个完整帧的扫描率。

把「扫描速度」设为最慢，模型就会缓慢地执行相同过程。被驱动的行亮起橙色，测试屏上的节点图逐行填满。每秒扫描 3 行时，一帧 12 行需要 4 秒，所以移动的手指只有在扫描到它所在行时才会被发现。模型全速每秒扫描 120 帧时，每行分到 1/1,440 秒，约 0.69 ms。

原始数字单独来看意义不大，因为每个节点的初始电容略有不同。因此，触控控制器会保存基线，也就是无人触摸时屏幕读数的存储图像，并将其减去。Microchip 的说明将此写为 归一化值 = 原始值 - 基线，其示例固件在没有触摸活动时约每 800 ms 更新一次基线。屏幕升温等缓慢漂移会被纳入基线，不会被误认为触摸。

比网格更精细的位置

电极间距为 5 mm 时，粗略的答案是「第 6 行、第 12 列附近」，这不足以点中键盘上的一个字母。但指尖比电极间隙更宽，因此会同时在几个节点上产生响应，最近节点的响应最强。触控控制器利用它们之间的比例。

测试屏沿每个坐标轴采用三个节点的加权平均值，也就是质心。下面是模型中的一个例子：手指位于 x = 59.2 mm，落在一行上，最近的列分别位于 52.5、57.5 和 62.5 mm。

x = (14 × 52.5 + 88 × 57.5 + 62 × 62.5) ÷ (14 + 88 + 62) = 9,670 ÷ 164 = 58.96 mm

在间距为 5 mm 的网格上，误差约为 0.24 mm。测试屏旁的方框会用你自己的数字，对最强的触摸显示同样的计算，以及相对于实际按压位置的误差。

Microchip 的 TB3064 使用一个很相近的公式：峰值电极的位置，加上半个间距乘以右邻与左邻的差，再除以峰值。其计算示例中，位置 384 处的峰值为 100，相邻值为 25 和 75，电极间有 128 个步进：384 + 64 × (75 - 25) ÷ 100 = 416。加权平均值 (25 × 256 + 100 × 384 + 75 × 512) ÷ 200 也得出相同的 416，因为这个例子中两个相邻值之和恰好等于峰值。相邻电极间有 128 个步进时，含九个电极的一层可以分辨 1,024 个位置。Infineon 为其滑条给出了相似的数值，五个分段可以分辨至少 100 个位置，而 Barrett 和 Omote 给出的投射电容式屏幕通常分辨率为 1,024 × 1,024 或更高。

Infineon 还补充了一条值得了解的设计规则。只有当手指位于两个分段中心之间的任何位置时，都有两个传感器报告可用信号，结果才是线性的。如果触摸区域太小，无法覆盖相邻节点，报告位置就会跳向最近的节点。

两根手指与鬼点

有一种成本更低的扫描方法：测量每一整行、每一整列对地的电容，这叫自电容。这样，模型中 12 行和 24 列的网格只需测量 36 次，而不是 288 次。3M 的简报分析了一个更大的例子，一个 40 × 60 的传感器有 100 个电极，却有 2,400 个节点，触摸密度相差 24 比 1。

问题会在第二根手指加入时显现。打开「自电容扫描」，用两根手指按在对角位置。触控控制器看到两行和两列超过阈值，它们共有四个交叉点。两个是真实触点，两个是鬼点，而测量结果无法分辨哪两个才是真的。庆熙大学的一篇综述将其写为公式：位于 (x1, y1) 和 (x2, y2) 的触摸也会在 (x1, y2) 和 (x2, y1) 产生鬼点位置。在互电容模式下，每个交叉点都有自己的数字，因此两根手指只会呈现为两座分离的峰，不会有其他峰。

Microchip 的说明描述了一种结合两种方法的方式。先快速测量每个电极的自电容，找出涉及的行和列。然后，只在这些行列的交叉点测量互电容。其双指示例中的四个候选节点读数为 20、130、110 和 15，其中两个大值标出了真实触摸。

测量每个节点还有一个用途。Barrett 和 Omote 引用了 Apple 的 iPhone 屏幕专利申请，其中触控控制器支持 15 个触摸点，「10 根手指、2 个手掌和另外 3 个触点」，部分原因就是为了识别并忽略握住手机的手。

触碰的不是裸指时

更改「触碰物体」，看看屏幕对其他物体的反应，并用下方滑块加入手套、保护膜、水和充电器噪声。展台底部的面板显示信号、噪声及其比值；绝缘层上竖立的柱条以 3D 形式显示同样的节点值。

手套让手指离电极更远，并在中间加入不良导体。模型将盖板玻璃、保护膜和手套视为串联层：相对介电常数为 7 的 0.7 mm 玻璃相当于 0.1 mm 空气，手套则相当于其厚度除以 2。1 mm 手套产生 25 计数的峰值，2 mm 为 14，3 mm 为 10，而阈值是 30。「高灵敏度（手套模式）」将阈值降至 12，因此 1 mm 和 2 mm 手套可以使用，3 mm 手套不行。这些都是模型数值。Barrett 和 Omote 指出，投射电容式屏幕的感应范围可以扩展到支持棉手套或外科手套。额外的灵敏度也会让裸指在落下前就被识别：在模型中，玻璃上方 2 mm 的手指已经产生 39 计数。手套设置只适用于手指。触控笔、香蕉或香肠由手握着，自身的尖端接触玻璃，因此选中其中一种时，手套滑块会锁定。

屏幕保护膜的作用相同。在模型中，0.5 mm 的塑料保护膜（相对介电常数为 2）让信号剩下 40 计数，1 mm 的则剩下 25，低于普通阈值；每增加一毫米层厚，每个峰还会展宽 0.6 mm。

水滴可能有两种作用。Infineon 解释，水滴覆盖传感器且同时覆盖接地区域时，会像手指一样降低互电容。只覆盖发射和接收电极的水滴却会提高互电容，使读数向相反方向变化。模型展示了两种情况：未接地的水滴的读数约为 −18 计数，在测试屏上呈蓝色，触控控制器会忽略它；一旦手指进入约 9 mm 以内，水滴会通过手指接地，读数变成 +50，因此报告位置被拉向水滴。在开启高灵敏度的自电容扫描中，同一行列上的几滴水就足以在完全没有手指的地方报告一次触摸。庆熙大学的综述将水列为电容式屏幕可能误认为触摸的污染物之一。

无源触控笔用导电笔尖模仿手指。综述指出，其接触面积必须与手指相当，且屏幕无法区分它和手指。2009 年，Atmel 宣布推出一种触控控制器，在将信噪比从 25:1 提高到 80:1 后，可以跟踪笔尖为 2 至 3 mm 的导电触控笔。Barrett 和 Omote 指出，这仍远宽于早期 PDA 触控笔的 0.8 mm 笔尖。在模型中，6 mm 宽的橡胶笔尖产生约 72 计数，而 2.5 mm 笔尖只有约 24，因此细触控笔需要高灵敏度。有源笔向网格发送自己的信号。它们列在展台目录中，但没有进行模拟。

手握的香蕉或香肠表现得像略钝的手指，因为它们含水、导电性足够，而且宽度与指尖相近（模型峰值分别为 88 和 80 计数）。2010 年 2 月，Engadget 报道，韩国 iPhone 用户用零食香肠点击屏幕，以免脱下手套。木杆铅笔几乎不会产生信号。石墨笔芯确实导电，但周围的干木材使它与你的手绝缘，接触玻璃的笔尖也很小。

充电器噪声不同于每个节点上微小的随机闪动。EDN 解释，廉价充电器会让手机的电源和地相对大地一起波动，而这只有在与大地耦合的手指触碰屏幕时才有影响：手指将噪声注入下方电极。因此，模型中的噪声出现在手指下方的各列，设为 85% 时，会在真实触点上下产生鬼触摸。Cypress 为能够侦听这种噪声并跳到更安静工作频率的触控控制器申请了专利；「噪声滤波（跳频）」将模型中的充电器噪声降至 12%。

模型省略了什么

• 厚度和比例。 每层都画得比实际厚数百倍，以便你看清。节点图和柱条只为了展示模型而画在绝缘层上。
• 信号本身。 每个物体都建模为平滑的钟形计数峰，手指的峰值为 100，宽度为 3.4 mm，手套或保护膜按上面的串联层规则缩小信号。实际轮廓取决于玻璃、电极图案和手指。模型加入正负两个计数的随机噪声，让数字像真实读数一样闪动。
• 皮法。 展台底部面板用固定规则把计数转换为互电容，未触摸时为 1.50 pF，每计数减少 0.002 pF；自电容则为 20 pF 加每计数 0.01 pF。这两组模型数值旨在展示变化方向和大致幅度，并不是手机的测量值。
• 显示屏和充电器的噪声。 充电器噪声只建模为触碰物体下方各列额外的随机计数，滤波器也只建模为更小的幅度。庆熙大学的综述还列出了显示屏噪声和电源嗡声，并描述了在显示消隐间隔测量等解决方法。有些设计在叠层底部增加无图案的 ITO 屏蔽层，内嵌式设计则将触控电极集成到显示屏内部。显示屏噪声没有进行模拟。
• 跟踪与滤波。 真实固件逐帧跟踪每根手指，平滑其轨迹并排除手掌接触。测试屏报告单帧显示的结果，因此有噪声的一帧可能显示固件本会舍弃的鬼点。
• 时序链。 3M 指出，大多数用户能接受 20 ms 或更短的触摸响应，但熟练用户可能察觉 10 ms 的延迟，而操作系统和图形处理还会在触控控制器的延迟之外叠加自己的延迟。

从雷达控制台到手机

最早用手指操作的触摸屏来自防空和空中交通管制领域。在马尔文的皇家雷达研究所（RRE），Eric Arthur Johnson 将细铜线拉在阴极射线管上，并制作电路感知铜线何时被触碰，使操作员可以直接在屏幕上选择。他的美国专利 Touch displays 于 1969 年 12 月 2 日获批。

在 CERN，Bent Stumpe 在一份日期为 1972 年 3 月 11 日的手写笔记中，提出为新建超级质子同步加速器（SPS）的控制室使用电容式触摸屏。它的电容器是玻璃上的细铜线，宽度和间距均为 80 µm，因此看不见，上面覆盖一层漆，避免手指碰到铜线。Frank Beck 和 Stumpe 在 1973 年的一份 CERN 报告中描述了它，SPS 于 1976 年启动时，控制室配备了这些屏幕。第一个版本有 16 个固定按钮。1977 年，Stumpe 开发出一种有两层电容器的 X–Y 屏幕，每层对应一个坐标，与模型采用的是同一个行列思路。

投射电容数十年来一直是专门领域的技术。Barrett 和 Omote 描述，它在 iPhone 的带动下，从 2006 年的默默无闻上升为 2009 年第二常见的触控技术。

小小一次触摸会改变多少电荷？

皮法这个词可能掩盖了电学问题的尺度。MIT 的电容讲义用 Q = CV 定义电荷。在计算示例中，假设测量电路看到 100 pF 的电容，并施加 3 V 的电压阶跃。这些是用于说明的电路条件，不是模型或某款手机的规格。与这次阶跃相关的电荷为 100 pF × 3 V = 300 pC。如果触摸使有效电容变化 0.5 pF，同样电压下的电荷变化只有 1.5 pC，即起始量的 0.5%。1.0 pF 的变化对应 3 pC，即 1%。电容范围来自 Microchip 的 TB3064，电压则是为这次计算选取的。

不要把这个例子理解为每个互电容节点的静态电容都是 100 pF。测量电路所看到的电容包含电极本身及其寄生耦合。手指也不像电池那样提供固定数量的电荷。它改变了被驱动电极周围的电场网络。触控控制器反复施加已知激励，并查找由此产生的差异。在互电容感应中，相关耦合减小；在自电容感应中，对地耦合增大。

屏幕上还有另一个很小的数值：位置显示到 0.1 mm。电极间距为 5 mm 时，这相当于每个间距显示 50 个区间，并不是 50 个实体电极。上面的三个节点计算，对实际位于 59.2 mm 的手指给出 58.96 mm 的结果，在考虑变化的噪声之前，误差约为 0.24 mm。把结果四舍五入到一位小数并不能消除这个误差。分辨率指可能报告的数值之间的间隔；准确度描述这些值离真实位置有多近。在一个间隙内缓慢移动，就能看到两者的区别。靠近边缘时，触控控制器还会缺少一个相邻样本，因此在中部表现良好的插值规则，在边界处未必同样有效。

为什么每秒扫描 120 次不等于 8 ms 响应

最快设置下，模型扫描 12 行 × 120 帧/秒 = 1,440 行/秒。一次完整扫描耗时 1,000 / 120 = 8.33 ms。假设静止的手指在随机时刻落下，每行每帧被扫描一次，扫描到手指所在行时立即检测到触摸。在这些假设下，等待该行的时间从接近 0 到 8.33 ms 不等，平均为 4.17 ms。这是计算得到的扫描等待时间，不是浏览器延迟的测量值。

现在假设固件要求连续两次读数都表明有触摸，才接受新的触摸。这会增加一帧，使等待时间约为 8.33 至 16.67 ms，平均为 12.5 ms。两次读数规则是滤波的示例，并不是说本展品的检测器采用这种规则。剔除短暂的电脉冲可以提高可靠性，同时也会延迟真实触摸。Barrett 和 Omote 给出的历史扫描率范围为每秒 20 至 200 帧，对应帧周期为 50 至 5 ms；这些周期本身并不能确定手机的最终响应。

检测之后，坐标还得传到应用，由应用绘制新图像。再作一个明确假设，60 Hz 显示屏每 16.67 ms 开始一个新的刷新间隔。即使不算其他处理，等待下一次刷新机会也可能增加接近这么长的时间。因此，扫描频率、显示刷新频率和从触摸到画面的延迟描述的是不同事件。展品放慢扫描，让逐行顺序可见，但不模拟操作系统或显示刷新流水线。其每秒 3 行的设置需要 4 秒才能完成 12 行；中间设置每秒 3 帧，耗时约 333 ms。混淆每秒行数和每秒帧数，会让答案相差 12 倍。

找到手指的四种方法

BYU Design Review 描述了四类传感器。它们可以覆盖在相似的显示屏上，却测量截然不同的物理变化。手机的投射电容式结构不能用来解释所有公共自助终端。

电阻式面板不需要导电指尖，因为机械接触会闭合两层之间的间隙。红外边框不必在可视区域铺设透明电极网格：感应路径在其上方交叉。表面声波面板使用换能器和波受扰动的时序，而不是用户的电容。更改「触碰物体」并不会模拟这三种替代传感器中的任何一种。这个控件改变的是呈现给本展品电容式传感器的物体，而不是底层感应技术。

历史上的日期也需要区分。USC Viterbi 的历史概述将 Johnson 在 RRE 用手指驱动屏幕的工作追溯到 1965 年。上面的 1969 年是他的美国专利获批时间，不是首次演示这个想法的时间。CERN 的 1973 年报告属于后来的一次控制室开发。这两个日期都不表示，这些早期系统已经提供了当今手机所要求的连续跟踪、多指手势。

常见误解

按得越用力，电信号一定越强。 这种传感器测量耦合，不是力。用力按压可能压平指尖，改变接触面积，但那并不是经过校准的力测量。模型中的手指轮廓固定，也没有压力控件。应用不能仅仅把触摸幅度改个名字，就获得可信的力值。

四个候选点意味着检测到四根手指。 在按整行整列测量的自电容感应中，两条活跃行和两条活跃列产生四个可能的交叉点。缺失的信息是哪行对应哪列。降低阈值无法恢复这些信息，还可能引入更多噪声。互电容测量分别解析各个交叉点。同一行上的两次触摸也不同于对角的两次触摸，因为有歧义的交叉点数量会变化。

蓝色水滴标记证明真实手机防水。 这里的蓝色表示，在所选未接地的水滴模型中，减去基线后的信号为负。如 Infineon 指南所述，接触到接地区域的水可能有不同表现。防水关乎液体是否进入设备；湿指可靠操作关乎能否区分电信号。满足一个要求，并不能证明另一个也满足。

在屏幕上试一试

控件下方的每项挑战都从预设状态开始，展台徽章记录你已完成的数量。下面的实验使用相同控件。

将「触碰物体」设为「裸指」，开启「节点值」。让一个触点在相邻节点中心之间缓慢移动。对比显示坐标、表示真实位置的虚线标记以及结果旁的误差。记录这段短路径上看到的最大误差，不要把一次良好读数当成规格。

将两根手指放在测试屏上，或者打开「按压玻璃」，把它们放在模型上。在手机上，将两指分开：触点之间的虚线显示缩放比，展台上的两个峰也会分开。用鼠标时，在对角的两个位置按住 Shift 点击，让两根手指留在原处，打开「自电容扫描」并数出候选交叉点，然后在不改变手指位置的情况下将它关闭。

将「手套厚度」设为 2 mm 并按下。开启「高灵敏度（手套模式）」前检测不到触摸；设为 3 mm 时，就连这样也无效。对 1 mm「屏幕保护膜」和「细触控笔，2.5 mm 笔尖」做相同实验。然后放置五滴「玻璃上的水滴」，不要触摸任何地方，寻找仅凭水就能报告触摸的扫描与灵敏度组合。

最后，将「充电器噪声」设为 85%，保持一根手指不动。鬼触摸会出现在它所在的各列。打开「噪声滤波（跳频）」，计数会稳定回真实触摸数量。这些实验使用计数，不是测得的皮法值，无法测试你正在阅读此文的设备在手套、水或充电器影响下的表现。