我们每天都在使用触摸屏的电子设备,比如手机、平板电脑。大家知道触摸屏的工作原理是什么吗?它是怎么知道我们手指的位置的?为什么手机贴了膜一样可以使用,而戴着手套就不能正常使用了呢?
目前,市面上使用的触摸屏多数是电容式触摸屏。为了了解它的工作原理,我们首先解释一下电容是什么。

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莱顿瓶
1745年,荷兰莱顿大学教授马森布罗克发明了莱顿瓶,用来储存电荷。
莱顿瓶的基本原理是:通过一根导电的金属棒和金属链将电荷导入瓶子中,瓶子内外分别贴有金属箔。这样,电荷就会储存在瓶子中。现在我们知道:把正电荷导入瓶子内的金属箔上时,瓶子外侧金属箔接地,等量的负电荷就会被吸引到外侧金属箔上。正负电荷相互吸引,但玻璃瓶是绝缘体,阻碍了它们的中和,所以电荷就储存下来了。
1752年,美国独立战争的领袖、印在百元美钞上的富兰克林利用莱顿瓶做了著名的“风筝实验”,用风筝将天上的雷电导入了莱顿瓶中,证明了天上的闪电和地上的电是同一种物质。
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电容器
其实,要储存电荷,并不一定需要瓶子。只要两个相互绝缘并且靠近的导体就能起到同样的作用,我们称之为“电容器”。最简单的电容器是平行板电容器。将两块金属板彼此靠近,一个极板带正电,另一个极板带负电,由于电荷之间的吸引作用,只要两个电极没有通过外电路连通,电荷就不会跑掉。
电容器中央是绝缘的,理论上说电流是不能通过电容器的。但是,在电容器充电和放电的过程中,电容器极板上电荷量会有变化,可以看作是电流通过了电容器。
比如,我们将本来不带电的电容器与电池两极相接,电容器就会开始充电,即正电荷涌入电容器的上极板,负电荷涌入电容器的下极板。电路中除了电容器两极板之间的部分外,其余部分都有电流。电流方向规定为正电荷定向移动的方向,所以我们可以说,电路中出现了顺时针的充电电流。这个电流是瞬间的,当电容器的电压与电池的电压相同时,电流就消失了。类似于一个连通器,最初左侧的水面比较高,水就会流动。当两侧水面一样高时,水面就不再流动了。

当电容器充满电之后,即使我们断开电源,电容器上的电荷也不会消失。但是,如果我们将电容器两个极板用导线直接相连,正负电荷就找到了一条可以中和的通路,于是,正电荷和负电荷就会通过这个通路中和,电路中就会出现逆时针的电流,这个电流称为“放电电流”。放电电流也是瞬间的,电荷中和完毕之后,放电电流就消失了。
如果电容器反复进行充电和放电,电路中就会反复出现充电电流和放电电流,并且充电电流与放电电流的方向相反。这种电流就是我们之前讲过的交流电。现在我们知道了,交流电可以通过电容器。
我们还知道,试电笔可以测量一根导线是否带电。你是否想过,如果站在椅子上用试电笔接触火线,试电笔会不会亮呢?
由于人和大地都是导体,而椅子是绝缘体,人和大地就形成了一个电容器。家用电是交流电,因此可以通过电容器,即使站在椅子上用试电笔触摸火线,试电笔依然会亮,表示依然有电流通过了试电笔和人体。只是这个电流比较小,人体没有什么感觉。
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触摸屏原理
现在我们终于可以解释电容触摸屏原理了。简单的电容屏是一个四层复合玻璃板,其中有层ITO材料。ITO是一种氧化铟锡材料,透明并且可以导电,适合用于制造触摸屏幕。
当手指接触屏幕上某个部位时,就会与ITO材料构成耦合电容,改变触点处的电容大小。屏幕的四个角会有导线,由于交流电可以通过电容器,四个导线的电流会奔向触点,并且电流大小与到触点的距离有关。手机内部的芯片可以分析四个角的电流,通过计算就可以得到触点的位置。
更加精细的电容屏是投射式电容屏。它采用被蛀蚀的ITO阵列,这些ITO层通过蛀蚀形成多个水平和垂直电极。每一部分的ITO部件还带有传感功能。
当手指触摸某个部位时,与阵列电容进行耦合,改变了屏幕上的电场,通过传感器和芯片分析电场和电流变化,就可以感知触点位置。相比之前的四角电流电容屏幕,这种电容屏可以实现多点触控,应用更加广泛。
人的手指是导体,才会影响电容屏幕,而使用绝缘物质触碰电容屏幕就没法操作手机。手机贴膜也可以使用,这是因为手指与ITO层原本也不需要接触,中间本身就有玻璃绝缘层,贴手机膜的作用只是相当于玻璃厚了一点点,电流依然可以流过手指和屏幕中的导体所形成的电容器。不过,如果手套太厚了,触碰触摸屏时,手指与屏幕中的导体相隔太远,电容比较小,就不足以被传感器感知。所以戴着厚手套是不能操作手机的。


其实,电容传感器在生活中的应用还有很多,比如厕所里常见的自动冲水装置、自动干手机等,许多都是利用电容传感的。当人体靠近或远离时,人体与装置构成的电容发生了变化,传感器感受到这种变化,控制电路进行某种操作。

传感器在生活中,简直是无处不在!

本篇文章摘录自:
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