引言
本文对触摸屏设备的历史、原理、作用、未来发展趋势等进行介绍。
触摸屏的历史
科幻作家们都没能想象到的触摸屏，被科学家们抢先制造出来了。
很多人都没有想到，在几十年前，触摸屏这种技术就算是在科幻世界内都是天方夜谭。今天，它已经成为了无处不在的日常科技：手机、平板、柜员机、车站或者电影院里的售票机……在这些便利的背后，有着怎样的发明故事呢？
最早的触摸屏于1967年诞生于美国，这个发明恐怕是对科幻界的一个巨大嘲讽：就算是当时最疯狂的科幻作家，都想不到触摸屏这种东西。红遍全世界、以前沿科技著称的科幻连续剧《星球大战》直到1987年才提到触摸屏的概念，比现实的科学家们足足落后了20年。
1967年：第一块触摸屏诞生人们普遍认为，美国马文镇皇家雷达研究所的约翰逊（E.A. Johnson）是世界上第一个提出触摸屏概念的人。1965年，这位普通的计算机研究员在《电子通报（Electronics— Letters）》杂志上发表了一篇简短的论文《触摸面板：一种新的电脑输入设备》，并在里面描述了自己对电容式触摸屏的设想：屏幕的主体是一块复合的玻璃屏，内表面涂有一层名为ITO的金属氧化物，四角有四个电极。当手指头触碰到玻璃屏的时候，由于人体自带的电场，会令手指头和玻璃内层的金属层形成一个电容，从而“吸走”该位置的少量电流。这个“泄漏”的电流是从四个电极流出来的，而且理论上流经不同电极的部分与手指头到电极的距离成正比。通过控制器的精密计算，就可以准确地得到手指头的位置。
两年后，约翰逊将这个设想变成了现实，制造出了人类历史上第一块触摸屏，并将这块触摸屏的照片和触摸屏基本原理图发表在了一本名为《工效学（Ergonomics）》的杂志上。这是一块虽然笨重但很令人耳目一新的屏幕，在约翰逊的设计下，甚至有种魔术般的效果：无论手指头点到哪里，屏幕就会在该处发出亮光。
当然，约翰逊的这个发明也有着致命的缺点：首先，它只能计算一个手指头的位置，如果屏幕上有多处接触，控制器的计算就会变得混乱；另外，这块屏幕对接触的感应是“非黑即白”的，它只记录两种信息：有接触，或者没有接触。它不能感知接触时的力度，轻轻掠过和重重按下对它来说都是一样的。
约翰逊的触摸屏诞生后的第二年，欧洲核原子能研究所的几位专家便向他提出了合作邀请——他们开始一起研究一种用于空中指挥航空的新系统。由于这份工作并不需要触摸屏有太多的功能，只要定位位置精确就可以了，所以刚刚提到的那些缺点可谓是瑕不掩瑜。综上所述，约翰逊的电容触摸屏本应该大有作为，但“不幸”的是，就在不久之后，他的后来者开发出了更加灵敏、更加智能的触摸屏。于是，电容式触摸屏还没来得及吸引大众的关注，便被后者耀眼的光芒掩盖住了。最后，只有英国航空管理局向约翰逊伸出了橄榄枝——触摸屏指挥系统从1973年开始投入使用，一直工作到了90年代末。
1970年：电阻式触摸屏诞生我们刚刚说了一大堆电容式触摸屏的坏话，那后来者居上的是什么呢？答案就是电阻式触摸屏。与约翰逊精心研究出来的电容式触摸屏不同，它的诞生其实还是个意外呢！
电阻式触摸屏的发明人是美国发明家塞缪尔·赫斯特博士（Dr. G. Samuel Hurst），他最初得到电阻式触摸屏的灵感时，正带着他的博士学生们拼命做着物理实验。后来他的母校、伯利尔学院是这样描述那一个意外事件的：
“……当时他们那个研究团队正在用范式加速器来研究原子物理。范式加速器是一种可以高速喷射出带电粒子的仪器，为了检测这些粒子，塞缪尔及帕克斯、斯图尔特等博士生需要整晚蹲守在荧光屏前，记录这些粒子击打屏幕后发出亮光的位置。这些冗长的记录工作非常浪费时间，于是塞缪尔想到了一个解决方法。他将一块导电板竖在加速器前以收集喷射出来的带电粒子，并利用导电板四周的电极记录粒子位置的坐标轴信息，这样就既高效又准确了，原本需要几天的工作如今只需要几小时就可以完成了。”
塞缪尔工作的肯塔基大学很希望他能将这个巧妙的设想作为专利申报，以防止被别人复制，但塞缪尔却犯难了：这个方法虽然巧妙，但它的应用范围实在是太小了，只局限于物理实验室内，完全够不上评选专利的标准。于是，塞缪尔开始思考能否将这个方法推广到别的用途上。
1970年，当塞缪尔去到橡树岭国家实验室工作时，他开始利用下班的空闲时间研究这个事情。塞缪尔是一个擅长团队合作的人，他知道自己一个人可能完成不了这项任务，于是邀请了九位在其他领域各有造诣的好友一起参与到这个目标尚不明确的研究活动中来。在他家的地下室里，十位好友开始了研究，并将这个小团队叫做“Elographics”，意思是“电子制表（electronic graphnics）”。
很快，他们就想到了触摸屏这个主意，并开发出了电阻式触摸屏：和约翰逊的电容式触摸屏一样，他们也用到了ITO这种金属涂层，不同的是，他们将这层金属涂在一张容易按压的薄膜之后，当用手指头或别的什么东西触碰它时，该位置的金属涂层就会接触到后面的导电板，带来电流的通行。导电板上铺设有纵横排列的坐标轴，它们可以记录通行电流的位置。值得注意的是，这时候，这个触摸屏其实说不上是“屏幕”，因为它根本就不显示东西。它的长相是一块白色的桌板，配备一块触摸用的塑料笔，看上去和今天的数绘板差不多（工作原理其实也是一样的）。
大家可以发现，塞缪尔的触摸屏原理和约翰逊大同小异，但它的优势在于，它不要求接触物一定要自带电流，一根木头、一只塑料棍均可（电容式触摸屏只能感应到自带电流的物体，比如手指头）；同时，按压位置的电流大小与按压力度相关，当按压力度大的时候，导电板上多出来的电流就会变大，因此，它还能能够承受并记录不同力度的按压，这就比约翰逊的触摸屏灵活智能多了。
70年代：触摸屏的推广1971年，这十位伙伴申请了电阻式触摸屏的专利并合作创立了“电子制表（Elographnics）”公司，并开始利用下班时间及周末制造触摸屏。他们分工明确，是一个很好的手工作坊：有些人负责制造传感器，有些人负责计算器编程，有些人负责制造导电板，最终在塞缪尔的家里将这些部件手工装拼在一起。从5月到12月，这群科学家们加班加点制造出了25台成品触摸屏，并将它们命名为“E-100”。
从一开始，这些科学家们就信心满满，因为他们知道触摸屏的用途会有多广：只要经过特殊的设计和编程，除了实验部门、研究机构外，工厂的质控及生产部门也都能用得上。1971年8月15日，他们以995美元的价格卖出了第一台触摸屏，顾客是麻省的科技研究所。1973年，“电子制表”公司荣获当年的“百大科技产品”称号，之后，生意就开始滚滚而来。
随着触摸屏逐渐红火起来，“电子制表”公司拥有了专门的办公场地，开始改进并大量生产触摸屏，还开始雇佣专业的经理和营销人员，将研究以外的事务都交给了他们。公司的第一批雇员里，有一位名为泰德·威尔玛（Ted Wilmart）的销售代表更是舌灿莲花，他一下子就以8000美元一部的价格，卖了60部触摸屏给一家地毯公司，说服他们用触摸屏来测算地毯上污渍的大小。具体的操作方法很简单：将地毯放在触摸屏上，用塑料笔描绘沿着污渍的边缘描绘一次，计算器经过计算就可以得到污渍这个不规则图形的面积。这是1964年鼠标诞生之后最大的一次计算机输入技术突破，普通人也可以用简单的方法来操作电脑、处理数据了。
感谢发明家们和推销员们不懈的努力，实用的触摸屏很快就被推广到更多的领域，随之而来的是人们对触摸屏技术升级的热烈渴望。1982年，有人在触摸屏背后多装了一个摄像头，用来探测触摸屏幕的手指头有多少个，经过更加复杂的数学计算，多点触控技术就横空出世了！1993年，IBM公司首次生产出了世界上第一台配备有触摸屏的电话——“IBM西蒙（IBM Simon）”，当然，它的长相在今日看来，实在是让人不敢恭维。然而，经过二十多年技术的迅猛发展，今天，我们已经熟悉了人手一台多点触控手机的生活。这在过去，可是连科幻作家都想象不到的事情呢！
触摸屏诞生以来的短短几十年，就颠覆了过去人类对未来的想象。未来，它会有怎么样的变化呢？目前科学家们的设想很容易概括：更大、更轻、更软。或许有一天，我们能将触摸屏替换成可折叠的新材料，将它轻松地放进口袋；又或许，生物学家们能够先行一步，将触摸屏植入皮下，让我们以后更能“手随心动”；甚至有可能，触摸屏再次超越了我们的预想，进化出更加不可思议的功能，今天的我们，只能拭目以待了！
触摸屏的原理
触摸屏大致被分为红外线式、电阻式、表面声波式和电容式触摸屏四种。下面一一介绍他们的原理。
红外线式触摸屏
红外线式触摸屏在显示器的前面安装一个电路板外框，电路板在屏幕四边排布红外发射管和红外接收管，一一对应形成横竖交叉的红外线矩阵。用户在触摸屏幕时，手指就会挡住经过该位置的横竖两条红外线，因而可以判断出触摸点在屏幕的位置。任何触摸物体都可改变触点上的红外线而实现触摸屏操作。
红外式触摸屏不受电流、电压和静电干扰，适合某些恶劣的环境条件。其主要优点是价格低廉，安装方便，不要卡或任何其他控制器，可以用在各种档次上的计算机。此外，由于没有电容充放电过程，响应速度比电容式快，但分辨率较低。
电阻式触摸屏
电阻屏最外层一般使用的是软屏，通过按压使内触点上下相连。内层装有物理材料氧化金属，即N型氧化物半导体——氧化铟锡，也叫氧化铟，透光率为80%，上下各一层，中间隔开。ITO是电阻触摸屏及电容触摸屏都用到的主要材料，它们的工作面就是ITO涂层，用指尖或任何物体按压外层，使表面膜内凹变形，让内两层ITO相碰导电从而定位到按压点的坐标来实现操控。根据屏的引出线数，又分有4线、5线及多线，门槛低，成本相对价廉，优点是不受灰尘、温度、湿度的影响。缺点也很明显，外层屏膜很容易刮花，不能使用尖锐的物体点触屏面。一般是不能多点触控，即只能支持单点，若同时按压两个或两个以上的触点，是不能被识别和找到精确坐标的。在电阻屏上要将一幅图片放大，就只能多次点击“+”，使图片逐步进阶式放大，这就是电阻屏的基本技术原理。
利用压力感应进行控制。当手指触摸屏幕时，两层导电层在触摸点位置就有了接触，电阻发生变化。在X和Y两个方向上产生信号，然后传送到触摸屏控制器。控制器侦测到这一接触并计算出(X，Y)的位置，再根据模拟鼠标的方式运作。电阻式触摸屏不怕尘埃、水及污垢影响，能在恶劣环境下工作。但由于复合薄膜的外层采用塑胶材料，抗爆性较差，使用寿命受到一定影响。
电阻式触摸屏利用压力感应进行控制，它的表层是一层塑胶，底层是一层玻璃，能承受恶劣环境因素的干扰，但手感和透光性较差，适合佩带手套和不能用手直接触摸的场合。
表面声波式触摸屏
表面声波是一种沿介质表面传播的机械波。该种触摸屏的角上装有超声波换能器。能发送一种高频声波跨越屏幕表面，当手指触及屏幕时，触点上的声波即被阻止，由此确定坐标位置。
表面声波触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响，分辨率高，具有防刮性，寿命长，透光率高，能保持清晰透亮的图像质量，最适合公共场所使用。但尘埃、水及污垢会严重影响其性能，需要经常维护，保持屏面的光洁。
电容式触摸屏
这种触摸屏是利用人体的电流感应进行工作的，在玻璃表面贴上一层透明的特殊金属导电物质，当有导电物体触碰时，就会改变触点的电容，从而可以探测出触摸的位置。但用戴手套的手或手持不导电的物体触摸时没有反应，这是因为增加了更为绝缘的介质。
电容触摸屏能很好地感应轻微及快速触摸、防刮擦、不怕尘埃、水及污垢影响，适合恶劣环境下使用。但由于电容随温度、湿度或环境电场的不同而变化，故其稳定性较差，分辨率低，易漂移。
触摸屏的作用
触摸屏具有方便直观、图像清晰、坚固耐用和节省空间等优点，使用者只要用手轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机的操作和查询，摆脱了键盘和鼠标操作，从而大大提高了计算机的可操作性和安全性，使人机交互更为直接。
随着多媒体信息查询设备的与日俱增，人们越来越多地谈到触摸屏，因为触摸屏不仅适用于中国多媒体信息查询的国情，而且触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。利用这种技术，用户只要用手指轻轻地碰计算机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，从而使人机交互更为直截了当，这种技术大大方便了那些不懂电脑操作的用户。
触摸屏在我国的应用范围非常广阔，主要是公共信息的查询；如电信局、税务局、银行、电力等部门的业务查询；城市街头的信息查询；此外应用于领导办公、工业控制、军事指挥、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、房地产预售等。
触摸屏的未来发展趋势
- 触摸屏产业中替代性材料将不断涌现
从触摸屏产业链来讲，玻璃基板、Petfilm、胶材是产业上游的主要材料，而玻璃基板、Petfilm的供应被美日企业所垄断。ITO玻璃、ITOfilm、sensor（包含触控IC）、coverlens是中游部分，触控模组玻璃一块的一般都是在下游。根据近几年触控材料研究上看，替代性材料的研发主要在上中游部分。据目前统计，触控传感器正在经历薄膜式取代玻璃式过程。G/G式触控技术所带来的厚度与重量，对于消费者以及终端市场而言，仍然会有比较大的进步空间，以薄膜式触控传感器取代玻璃式触控传感器，以期同时改善厚度和重量。
目前，很多厂商开始测试用塑料替代玻璃，这一测试将会克服重量偏高与耐冲击性不足的难题。一般的情况玻璃材料的硬度、刚性较塑料材料高，可抵抗性会因挤压而造成破裂或者严重变形的状况。相较之下，塑料材料却比玻璃材料更耐冲击、耐摔击。
现目前纳米银线的薄膜透明材料主要掌握在日商UbeIndustries、工研院材化所、长兴化学等材料商手中；而PI的主要供应商为Panasonic、Mitsubishi等，其纳米银线与高温ITO薄膜材料的良率与进度，触控面板产业比较关注。以后跟随着全球触摸屏行业不断发展与俱进，未来全球触摸屏产业中替代性材料将不断涌现。
- 触摸屏与LCD两大产业最终“合流“
工业触摸屏产业与TFT产业比较相似，这两个产业在价值链中占比比较大，只要在65%左右，两个产业一直会在一条直线上平衡发展。触摸屏产业发展到最后，将与LCD厂商产线形成配套，且LCD厂商与触摸屏厂商有明显的生产协同。所以根据长时间的观看，这两大产业在未来将会合流一起，触摸屏终将还是要回到LCD产业中来，将会成为LCD产业中的一个独立部门。整合将是未来触控产业的趋势之一，从目前的触控产业上来看，虚拟整合不仅仅是上升趋势，这在将来也是触摸屏商家要想存活下去的重要手段。
工业触摸屏技术让设备界面更加友好，人机交互更加的简单，快捷而富有乐趣，只需轻轻一点，就能实现各种操作。触摸屏应用领域必将越来越广,未来必将是多种触摸形式共同发展，未来的世界也将是一个触摸的世界。
- 内嵌式触摸屏结构
目前触摸屏基本都是采用外挂式的结构，这种结构的显示模块和触控模块是两个相对独立的器件，然后通过后端贴合工艺将两个器件整合，但是这种相对独立的外挂式构造会影响产品的厚度，不符合触控显示类产品日益轻薄化的发展趋势。由此产生了内嵌式触摸屏的概念，内嵌式结构将触控模块嵌入显示模块内，使两个模块合为一体，而不再是两个相对独立的器件。相比于传统的外挂式结构，内嵌式结构的优点在于：仅需2层ITO玻璃、材料成本降低、透光度提高、更加轻薄；不需要触摸屏模组与TFT模组的后端贴合，提高良品率；触摸屏组与TFT模组同时生产，减少了模组的运输费用。内嵌式触摸屏又可分为两种：In-cell技术和On-cell技术。
两种技术的定义略有差别，但是原则类似，都是将触摸屏内嵌于液晶模组之中。In-cell技术把触摸屏整合在彩色滤光片下方，由于是将触摸传感器置于液晶面板内部，占据了一部分显示区域，所以牺牲了部分显示效果，而且还使工艺变得复杂，高良率难以实现。On-cell技术是在彩色滤光片上整合触摸屏，不是在液晶面板内部嵌入触摸传感器，只需在彩色滤光片底板与偏光板之间形成简单的透明电极即可，降低了技术难度。On-cell的主要挑战是显示器耦合到感测层的杂讯数量，触控屏幕元件必须运用精密的演算法来处理这种杂讯。On-cell技术提供将触摸屏整合到显示器的所有好处，例如使触控面板更加轻薄与大幅降低成本等优点，但整体系统成本降低的幅度仍然远远不及Incell技术。内嵌式的概念最先由TMD在2003年提出，随后Sharp、Samsung、AUO、LG等公司相继提出此概念，并相继公布了一些研究成果，但是由于技术问题，都没有能够实现商业化。内嵌式触摸屏已经有近10年的发展时间，目前距实现商业化仍有一定的距离，但是内嵌式触摸屏代表作未来触摸屏的发展方向，积极储备内嵌式技术的厂家会在今后的市场竞争中处于相对有利的位置。
- 多点触控技术
2007年苹果公司通过投射式电容技术实现的多点触控功能，该功能提供了前所未有的用户体验，体现了与当时其他触控技术的不同，使多点触控技术成为市场的潮流。目前多点触控技术已经从开始的仅可以实现两指缩放、三指滚动以及四指拨移，发展到能够支持5点以上的触控识别和多重输入方式等，今后多点触控技术将向实现更细致的屏幕物件操控用和更具自由度的方向发展。
- 混合式触控技术
目前虽然触控技术类型众多，但每种技术都各有利弊，没有一种技术是完美的。近年来有人开始提出混合式触控技术的概念，即在一块触控面上采用两种或者两种以上的触控识别技术，达到多种触控技术之间实现优劣互补的目的。目前已经研发出基于电容式和电阻式的混合式触摸屏，该触摸屏可以通过手写笔和手指操作、支持多点触控等，显著提高触摸屏的识别效率。
随着用户对触控技术要求的不断提高，单一的触控技术肯定不能满足人们的需要，所以混合式触控技术必定会成为未来触控技术的发展方向之一。
- 触觉反馈技术
触控显示技术的不断发展给人们带来便捷的操作方式和良好的视觉效果同时，却忽略触摸操作时给用户一个触觉反馈。目前触觉反馈技术研究不多，美国的Immersion公司推出名叫“Forcefeedback”的触觉反馈技术，该技术是利用机械马达产生振动或者运动，它可以模拟跳动、物体掉落和阻尼运动等触觉效果，也是目前使用较多的触觉反馈技术。Senseg公司的“E-sense”技术采用的是生物电场的原理产生一个触觉反馈。开发出更加逼真的触觉反馈技术，可以给用户带来新的触控体验，因此触觉反馈技术也是今后触控技术发展的一个方向。
