快速了解表面声波式触摸屏原理

1.表面声波

表面声波是超声波的一种，它是在介质（例如，玻璃或金属等刚性材料）表面浅层传播的机械能量波。通过楔形三角基座（根据表面波的波长严格设计），可以做到定向、小角度的表面声波能量发射，如图2-70所示。

表面声波性能稳定、易于分析，并且在横波传递过程中具有非常尖锐的频率特性，近年来在无损探伤、造影和退波器等应用中发展很快。表面声波相关的理论研究、半导体材料、声导材料、检测技术等都已经相当成熟。

表面声波式触摸屏原理是基于触摸时在显示器表面传递的声波或在显示器整体传递的板波（Lamb波、兰姆波）来检测出触摸位置。利用声波的方式称为表面声波方式，利用板波的方式称为声学脉冲波辨识方式。

图2-70 定向、小角度的表面声波发射示意图

表面声波式触摸屏采用玻璃制造，在边角部分设置有发送超声波和接收超声波信号的收发元件。为了折回超声波，在面板的周边部分印制形成了斜向锯齿状的“反射阵列”。信号发送元件发出的声波沿玻璃表面前进，遇到反射阵列的斜线后折回。遇到相反一侧的斜线后会再折回来，到达信号接收元件。通过在各倾斜线上反复进行该动作，使表面声波经过面板表面上的所有位置。

声学脉冲波辨识方式触摸屏与表面声波式一样采用玻璃制造，玻璃材料本身作为传递声波的物质使用。用手指触摸面板会产生微弱的振动波，该振动波以同心圆状态传递，通过分析到达面板周边配置的受信传感器的波形，可以计算出位置。与计算地震震中的三角测量相似，但稍有不同。制造时将触摸面板的某一位置时会到达何种波形信号的数据事先保存在面板上的存储器中。使用时将接收到的信号与保存在存储器中的数据进行比较，从类似的波形坐标中锁定位置。由此，容易区分面板以外位置发生的振动带来的噪声等。

目前，表面声波式触摸屏独一无二的突出特点是，它能感知第3轴（Z轴）坐标。由于其分辨率、精度和稳定性非常高，能对手指触点的压力大小产生的信号衰减量分辨清晰，可轻松得到数据，这一自由度值可用于特殊控制，如医用三维立体断层扫描仪中对连续深层图像的浏览和选择等。

表面声波式触摸屏由于没有氧化金属涂层，其清晰度非常好，它的强化玻璃屏幕有很高的防刮擦能力，但怕其他频率很近和倍频的超声、强声和振动，也怕屏幕污染，故适合室内等使用。

2.表面声波式触摸屏结构

表面声波式触摸屏的屏幕部分可以是一块平面、球面或是柱面的玻璃平板，安装在CRT、LED、LCD或是等离子显示器屏幕的前面。这块玻璃平板只是一块纯粹的强化玻璃，区别于其他触摸屏技术的是没有任何贴膜和覆盖层。

玻璃屏的左上角和右下角各固定了竖直和水平方向的超声波发射换能器，右上角则固定了两个相应的超声波接收换能器，玻璃屏的4个周边则刻有45°角由疏到密间隔非常精密的反射条纹。

表面声波式触摸屏由发射换能器、接收换能器、反射板及控制器组成。表面声波式触摸屏不采用膜层结构，而是采用廉价的压电陶瓷换能器。该换能器在屏面上看不见，但能发送耳朵听不到的表面声波。表面声波式触摸屏的3个角分别粘贴着X、Y方向的发射和接收声波的换能器，换能器由特殊陶瓷材料制成，分为发射换能器和接收换能器，如图2-71所示。

图2-71 表面声波式触摸屏输入示意图

1）发射换能器。压电陶瓷换能器将控制器送来的5.53MHz电信号变换成波长约500μm的表面声波，表面声波在屏面上沿直线传播，能发送一种高频声波跨越屏幕表面。

2）反射板。表面声波式触摸屏4个边刻着反射表面超声波的反射条纹，位于表面声波式触摸屏四周的反射阵列对表面声波进行空间取样，再向多路平行路径反射。经反射后继续在屏面上来回传播。屏面边缘的反射阵列将表面声波保持在合适的强度以内。位于各发射换能器对面的反射声波检测阵列合成每束反射声波，变成连续的反射声波交替地对水平和垂直方向进行扫描。(www.xing528.com)

3）接收换能器。两个接收换能器负责接收X和Y方向的声波信号，并将接收到的声波信号输出给控制器。

4）控制器。控制器输出的5.53MHz电信号变换成波长约500μm的表面声波给发射换能器，同时控制器对收到的接收换能器信号的速度与声波在玻璃中的已知传播速度进行比较，便可算出手触摸位置的坐标。

3.表面声波式触摸屏工作原理

表面声波式触摸屏是为了改善电容式触摸屏的缺点而发展出来的，电容式触摸屏有易受噪声和静电干扰的缺点，且虽然表面硬化处理达到7H，可是SiO₂为了不隔绝ITO的表面电流，所以会镀得非常薄，当施加在电容式触摸屏上的外力过大时，依然会有伤到ITO的可能而造成故障，所以研发出表面声波式触摸屏。

表面声波式触摸屏是利用声波可以在刚体表面传播的特性设计而成，以X轴为例，控制电路产生发射信号（电信号），该电信号经玻璃屏上的X轴发射换能器转换成厚度方向振动的超声波，超声波经发射换能器下的楔形座折射产生沿玻璃表面传播的分量。超声波在前进途中遇到45°倾斜的反射线后产生反射，产生与入射波成90°、与Y轴平行的分量，该分量传至玻璃屏X方向的另一边也遇到45°倾斜的反射线，经反射后沿与发射方向相反的方向传至X轴接收换能器。X轴接收换能器将回收到的声波转换成电信号，传递给控制器。

当发射换能器发射一个窄脉冲后，声波能量历经不同途径到达接收换能器，走最右边的最早到达，走最左边的最晚到达，早到达的和晚到达的这些声波能量叠加成一个较宽的波形信号，不难看出，接收信号集合了所有在X轴方向历经长短不同路径回归的声波能量，它们在Y轴走过的路程是相同的，但在X轴上，最远的比最近的多走了两倍X轴最大距离。因此这个波形信号的时间轴反映各原始波形叠加前的位置，也就是X轴坐标。

发射信号与接收信号波形在没有触摸时，接收信号的波形与参照波形完全一样。当手指或其他能够吸收或阻挡表面声波能量的物体触摸屏幕时，X轴途经手指部位向上走的声波能量被部分吸收，反应在接收波形上即某一时刻位置上波形有一个衰减缺口，如图2-72所示。

图2-72 接收信号在触摸位置对应处衰减

接收波形对应手指挡住部位信号衰减了一个缺口，控制器分析到接收信号的衰减并由缺口的位置判定X坐标。之后Y轴以同样的过程判定出触摸点的Y坐标。

因表面声波式触摸屏的控制器通过测量衰减时刻在时间轴上的位置来计算触摸位置，所以表面声波式触摸屏非常稳定，精度也非常高，目前表面声波式触摸屏的精度通常是4096×4096。

表面声波式触摸屏除了响应的X、Y坐标外，还具有第3轴（Z轴）响应能力，这是因为用户触摸屏幕的力量越大，接收信号波形上的衰减缺口也就越宽越深。在所有触摸屏中只有表面声波式触摸屏具有能感知触摸压力这个性能，有了这个功能，每个触摸点就不仅仅是有触摸和无触摸的两个数字开关状态，而是成为能感知力的一个模拟量值的开关。这个功能非常有用，比如在多媒体信息查询软件中，一个按钮就能控制动画或者影像的播放速度。

表面声波式触摸屏输入技术的一个优点是可将有源元件设计在屏幕边缘，而且不受屏幕曲率的限制，优于红外式触摸屏输入技术。表面声波式触摸屏不仅能检测触摸部位，而且还能检测触摸压力强度。理论上控制器可区分的位置区间是半波长，所以分辨率可达每25.4mm为100个触摸点，触摸输出压力为16级。其具有使用灵活性大的优点，因手指与屏幕的接触面积和压力大小皆会影响到吸收声能量的程度，所以表面声波式触摸屏还具有压力敏感功能，可将这一功能用作表面声波式触摸屏的第3维控制。比如可规定手指重压是表示选取某一选项，而手指轻压则表示不进行选项，但需要移动光标或改变菜单。

表面声波式触摸屏设计的精妙之处在于每个方向只用一对换能器便能检测整个触摸面，而且分辨率可达4096之高；不像红外式触摸屏，每个方向至少需要几十对发射、接收管，随着屏尺寸的增大或分辨率的提高，需要成比例地增加发射、接收管对的数量。

表面声波式触摸屏输入的一个技术难点是屏面上的灰尘或大颗粒东西会吸收一部分声波信号，因而可能被误认为是触摸部位。解决办法是将基本幅度电平数字化，并将其与触摸输入信号不断地进行比较。若触摸输入信号发生衰减，且持续时间比正常触摸输入时间长，控制器便认定是尘粒，对此不作出响应。

表面声波式触摸屏的应用推广之所以迟缓，主要是价格高、体积大及不易将其集成到显示器内。后者完全是厂商造成的，因为以往单出售表面声波式触摸屏硬件的厂商颇多，但提供驱动程序的厂商甚少。触摸屏的发展亦包括应用软件技术的日臻成熟，触摸查询离不开触摸查询的软件。目前大多数表面声波式触摸屏生产厂商都注意到这个问题，开始向用户提供多种开发工具，以便将表面声波式触摸屏集成至用户应用的系统中。