手机触摸屏的原理是什么？
李永乐物理2018-06-18 11:38
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，而带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。
电容
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：当正电荷导入瓶子中的金属箔上时，如果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，但是由于玻璃瓶是绝缘体，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”，使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。
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是相反的。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。
我们知道， 试电笔是可以测量一个导线是否带电。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，而家用电是交流电，因此可以通过电容器，即使站在椅子上用试电笔触摸火线，试电笔依然会量，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。
电容屏
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，它透明，并且可以导电，适合于制造触摸屏幕。
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。它采用被蚀烛的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部件也带有传感功能。
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合电流变化，就可以感知触点位置。相比于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，贴绝缘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，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，许多都是利用过电容传感的。当人体靠近或原离时，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！
作者李永乐老师：北京大学物理与经济双学士，清华大学电子工程硕士；北京市中学物理教师/物理竞赛教练。从教十年，培养清华北大学生200余人，国际奥赛、亚洲奥赛、国家奥赛金牌十余名。“美提课堂”主讲老师。
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