都说北方人靠暖气，南方人靠空调。最近小编宿舍的暖气不给力，得暖气空调双开，还好小编要回家啦。
回顾这个冬天，可真是让人爱恨交织。爱是因为冬季预示着我们可以回家过年了，恨是因为冬天是真的冷啊。
尤其在东北，你的快递极有可能已经被冻成了冰块，取回来还得等它化开。南方小伙伴，晚上睡觉腿都伸不直，早上起床需要在被窝里酝酿半天。
出门的时候还要把自己从头到脚裹得严严实实的，与外面的冷气完全隔绝。行动非常不便，不过这样的话，臃肿的棉衣就被我们穿成了米其林轮胎先生。
退一步讲，臃肿倒没事，可是这大冬天的带上手套之后就用不了手机了啊，点一下手机还得脱掉手套，每次脱掉手套对自己的手来说就是一种摧残。
问题来了，为啥非得摘掉手套才能使用手机呢？
隔着手套真的不行吗？这还是得从手机屏幕的原理说起。
什么是触控屏
我们平板手机屏中就有触控屏幕 ( Touchscreen ) 。触控屏幕是一个二维的平面，通过感应平行于屏幕表面的横向和纵向的相对位置来定位点击在屏幕上的位置。进一步说，这个过程其实就是在这个平面直角坐标系中感应到某一点的信号变化，用XY轴的坐标精确的定位平面上的某一点。
在此基础上，根据感应信号的不同目前广泛使用的触控屏可以简单的分为电阻技术触控屏，电容感应技术触控屏，表面声波技术触控屏和红外线扫描技术触控屏。简单地说，四种屏幕分别是通过感应屏幕上某一点的电阻变化、电容变化、对声波作用和对红外电磁波作用的效果的不同，定位触摸点的位置。除此之外，还有一种技术，如果你手里有需要连接蓝牙手写笔的平板，那么这种屏幕的原理就是基于屏幕对手写笔尖发射的特定频率的电磁波进行感应，从而定位手写笔在屏幕上的二维坐标。
图 | 手机屏幕上中下三层分别为保护层、触控屏、显示屏 来源：giphy
保护层部分、触控屏部分以及显示屏以三明治的形式叠在一起便组成了我们手机的显示屏。
而便携设备如我们手机的触控技术，从触控屏刚开始普及到现在，运用最广泛的就是前两种。即电阻技术和电容感应技术，随着技术的发展，现在大多数的触控手机基本上都成了以电容感应技术为主。所以今天我们就主要来介绍一下这两种技术。
电阻技术触控屏
其实我们生活中用到电阻技术触控屏的地方很多。如ATM机、电梯按键还有某些点歌台。总之这种技术的触控屏的特点就是，灵敏度低，但是成本低、而且万物皆可点，只要够用力就能感应到。所以这种屏幕就不存在冬天戴手套点不动的情况。
图 | 电阻技术触控屏 来源：百度百科
该种触控屏可以大致分为三个部分，如图1层是用导电层（ITO 导电玻璃）和基层（玻璃或塑料）复合而成，3层也是一样由两者复合而成，两面的导电层相向。夹在中间的2层（即细小格点和空间）将1、2两层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互隔离的两层导电层就在触摸点有了导通。其实有点蹦床的感觉，弹弹弹。
图 | 电阻技术触控屏电路模型图
电路上的原理很简单，假设我们分别在XY方向上加上电压V，XY方向的触控屏长度为LX和LY。Vi和Vj分别是触控点在XY方向上的电压降，根据路中的分压原理，我们触控点沿着电压降在XY方向上距离边缘的距离就可以根据以下公式得到了。
然而，这样的触控屏，要想产生反应，那首先就得让上表面的屏幕发生曲挠，所以需要不小的力气。要知道，戳一下还好，要是长时间的划来划去对屏幕会产生划痕，对我们来说，在这种屏幕上划拉可是很累的，那将会让我们练就一支麒麟臂。所以目前的手机很多都换成了电容感应技术触控屏，在电容屏上触摸的感觉可舒服多了。
电容感应技术触控屏
这一类的屏幕，已经在我们的便携电子产品上广泛的应用了，它的特点就是灵敏度高，但是成本高。而且由于其独特的原理，我不能在寒冷的冬天隔着手套，享受在手机上划来划去的乐趣。
图 | 电容感应技术触控屏结构 来源：How do touchscreens work
这类触控屏也可以分为三层，上层为纵向联通的菱形块是打印成型的导电玻璃，组成上电极板。中间是一层隔离层，不能导电。下层则为横向联通的菱形块，也是打印成型的导电玻璃，组成下电极板。这三层材料只是为了示意并不是真正的有颜色，他们都是透明的。三层透明材料叠在一起形成电容器。如图。
图 | 上下极板组成电容器 来源：How do touchscreens work
蓝色菱形块上聚集了负电荷，与黄色菱形块上正电荷相互吸引，之间形成电场，组成一个电容器。此时，电容器这个体系处于相对的的静态，也就是两极板上的电荷不会发生增减。
图 | 手指改变电荷分布 来源：How do touchscreens work
而当有导体比如我们的手指靠近时，就会改变电场的分布，导致黄色菱形块上的正电荷量发生改变，同理蓝色块上的负电荷量也会发生改变。
图 | 扫描每一列极板的电流变化判断触摸点坐标 来源：How do touchscreens work
电荷量的改变也就会导致电流的产生，这时候通过扫描每一列的黄色菱形块和蓝色菱形块的电流扰动，从而确定在电容屏上的触控点的位置，也就是对应的XY轴坐标。
如果我们是带着手套去触碰屏幕呢，这个过程其实就和空气为什么接触了手机屏幕，屏幕不产生反应的原理一样，空气是绝缘体，手套的材质是绝缘的。对于绝缘体，电荷不能在内部相对自由地移动，所以和电容屏不能形成足够强的电容器，也就改变不了触控屏上的电荷分布。这就是为什么我们在冬天不能带着手套操作手机的原因啦。
图 | 神奇的辉光球
其实也可以联系到一个小玩具上，我们常常在物理演示实验中看到的辉光球，当我们用手指去触摸球璧时，会看到神奇的电流会集中到我们的手指以下，这时候我们就会有种掌握雷电的感觉。他的原理也其实就和触摸屏类似，手指作为一个导体改变了原来在球壳上相对平均的电荷分布，所以击穿电流会更倾向于流向这个不平衡点。
那么我们能不能可以不摘下手套操作手机呢？
不戴手套操作手机
我们下面推荐了几种方法。
首先就是用一些钝的导体如，香蕉把儿，烤肠，舌头等去触击屏幕。这样操作非常不卫生，有可能导致手机没有办法使用，所以这个方法仅供娱乐。其实也可以用锡纸做成一个钝一点的笔尖，也有一定的效果。推荐指数三颗星。
再有一个方法就是，打开手机的手套模式。这个模式的原理并不是说让电容屏变成了电阻屏。手套模式下的屏幕感应器像是被打了鸡血一样，敏感程度大大提升。导致像手套这种我们刚刚划分为绝缘体的东西，都能够当做导体发生感应了。这是因为，其实每种物体都有一定导电性只不过大小不同，手套这种绝缘体在非手套模式下与下极板产生的电容不足以让检测器检测到，而我们开了手套模式，这时候手套的微弱电容让检测器也能检测到了。随之而来的不足就是，这种模式下手机的功耗也就变高了，而且还容易误触。推荐指数四颗星。
还有一种方法可以在网上买触屏手套。这种方法的原理其实就是和我们手触碰手机的原理一样，这种手套中通常会在手指和手掌处的布料中加入导电纤维，从而使得电容屏有了感应。但是这种手套，不一定美观，还那么贵，所以大家自选。推荐指数三颗星。
最后一种，也是我们最推荐的，最好的方式那就是!
不玩手机！
冬天不好好吃好吃的，玩什么手机？推荐指数5颗星。
参考资料
[1] 韩冰.《触摸屏技术与应用》[M]. 化学工业出版社, 2008年.
[2] How do touchscreens work? - Branch Education
[3] Glove-friendly touchscreen goes on exhibit
[4] Apple Pencil 的原理是什么？-知乎
除标注的图片，其他均来自于网络。
本文章版权归中科院物理所所有
感想：盆友们！小太阳买起来啊！围在火炉前玩手机啊！
回顾这个冬天，可真是让人爱恨交织。爱是因为冬季预示着我们可以回家过年了，恨是因为冬天是真的冷啊。
尤其在东北，你的快递极有可能已经被冻成了冰块，取回来还得等它化开。南方小伙伴，晚上睡觉腿都伸不直，早上起床需要在被窝里酝酿半天。
出门的时候还要把自己从头到脚裹得严严实实的，与外面的冷气完全隔绝。行动非常不便，不过这样的话，臃肿的棉衣就被我们穿成了米其林轮胎先生。
退一步讲，臃肿倒没事，可是这大冬天的带上手套之后就用不了手机了啊，点一下手机还得脱掉手套，每次脱掉手套对自己的手来说就是一种摧残。
问题来了，为啥非得摘掉手套才能使用手机呢？
隔着手套真的不行吗？这还是得从手机屏幕的原理说起。
什么是触控屏
我们平板手机屏中就有触控屏幕 ( Touchscreen ) 。触控屏幕是一个二维的平面，通过感应平行于屏幕表面的横向和纵向的相对位置来定位点击在屏幕上的位置。进一步说，这个过程其实就是在这个平面直角坐标系中感应到某一点的信号变化，用XY轴的坐标精确的定位平面上的某一点。
在此基础上，根据感应信号的不同目前广泛使用的触控屏可以简单的分为电阻技术触控屏，电容感应技术触控屏，表面声波技术触控屏和红外线扫描技术触控屏。简单地说，四种屏幕分别是通过感应屏幕上某一点的电阻变化、电容变化、对声波作用和对红外电磁波作用的效果的不同，定位触摸点的位置。除此之外，还有一种技术，如果你手里有需要连接蓝牙手写笔的平板，那么这种屏幕的原理就是基于屏幕对手写笔尖发射的特定频率的电磁波进行感应，从而定位手写笔在屏幕上的二维坐标。
图 | 手机屏幕上中下三层分别为保护层、触控屏、显示屏 来源：giphy
保护层部分、触控屏部分以及显示屏以三明治的形式叠在一起便组成了我们手机的显示屏。
而便携设备如我们手机的触控技术，从触控屏刚开始普及到现在，运用最广泛的就是前两种。即电阻技术和电容感应技术，随着技术的发展，现在大多数的触控手机基本上都成了以电容感应技术为主。所以今天我们就主要来介绍一下这两种技术。
电阻技术触控屏
其实我们生活中用到电阻技术触控屏的地方很多。如ATM机、电梯按键还有某些点歌台。总之这种技术的触控屏的特点就是，灵敏度低，但是成本低、而且万物皆可点，只要够用力就能感应到。所以这种屏幕就不存在冬天戴手套点不动的情况。
图 | 电阻技术触控屏 来源：百度百科
该种触控屏可以大致分为三个部分，如图1层是用导电层（ITO 导电玻璃）和基层（玻璃或塑料）复合而成，3层也是一样由两者复合而成，两面的导电层相向。夹在中间的2层（即细小格点和空间）将1、2两层隔开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互隔离的两层导电层就在触摸点有了导通。其实有点蹦床的感觉，弹弹弹。
图 | 电阻技术触控屏电路模型图
电路上的原理很简单，假设我们分别在XY方向上加上电压V，XY方向的触控屏长度为LX和LY。Vi和Vj分别是触控点在XY方向上的电压降，根据路中的分压原理，我们触控点沿着电压降在XY方向上距离边缘的距离就可以根据以下公式得到了。
然而，这样的触控屏，要想产生反应，那首先就得让上表面的屏幕发生曲挠，所以需要不小的力气。要知道，戳一下还好，要是长时间的划来划去对屏幕会产生划痕，对我们来说，在这种屏幕上划拉可是很累的，那将会让我们练就一支麒麟臂。所以目前的手机很多都换成了电容感应技术触控屏，在电容屏上触摸的感觉可舒服多了。
电容感应技术触控屏
这一类的屏幕，已经在我们的便携电子产品上广泛的应用了，它的特点就是灵敏度高，但是成本高。而且由于其独特的原理，我不能在寒冷的冬天隔着手套，享受在手机上划来划去的乐趣。
图 | 电容感应技术触控屏结构 来源：How do touchscreens work
这类触控屏也可以分为三层，上层为纵向联通的菱形块是打印成型的导电玻璃，组成上电极板。中间是一层隔离层，不能导电。下层则为横向联通的菱形块，也是打印成型的导电玻璃，组成下电极板。这三层材料只是为了示意并不是真正的有颜色，他们都是透明的。三层透明材料叠在一起形成电容器。如图。
图 | 上下极板组成电容器 来源：How do touchscreens work
蓝色菱形块上聚集了负电荷，与黄色菱形块上正电荷相互吸引，之间形成电场，组成一个电容器。此时，电容器这个体系处于相对的的静态，也就是两极板上的电荷不会发生增减。
图 | 手指改变电荷分布 来源：How do touchscreens work
而当有导体比如我们的手指靠近时，就会改变电场的分布，导致黄色菱形块上的正电荷量发生改变，同理蓝色块上的负电荷量也会发生改变。
图 | 扫描每一列极板的电流变化判断触摸点坐标 来源：How do touchscreens work
电荷量的改变也就会导致电流的产生，这时候通过扫描每一列的黄色菱形块和蓝色菱形块的电流扰动，从而确定在电容屏上的触控点的位置，也就是对应的XY轴坐标。
如果我们是带着手套去触碰屏幕呢，这个过程其实就和空气为什么接触了手机屏幕，屏幕不产生反应的原理一样，空气是绝缘体，手套的材质是绝缘的。对于绝缘体，电荷不能在内部相对自由地移动，所以和电容屏不能形成足够强的电容器，也就改变不了触控屏上的电荷分布。这就是为什么我们在冬天不能带着手套操作手机的原因啦。
图 | 神奇的辉光球
其实也可以联系到一个小玩具上，我们常常在物理演示实验中看到的辉光球，当我们用手指去触摸球璧时，会看到神奇的电流会集中到我们的手指以下，这时候我们就会有种掌握雷电的感觉。他的原理也其实就和触摸屏类似，手指作为一个导体改变了原来在球壳上相对平均的电荷分布，所以击穿电流会更倾向于流向这个不平衡点。
那么我们能不能可以不摘下手套操作手机呢？
不戴手套操作手机
我们下面推荐了几种方法。
首先就是用一些钝的导体如，香蕉把儿，烤肠，舌头等去触击屏幕。这样操作非常不卫生，有可能导致手机没有办法使用，所以这个方法仅供娱乐。其实也可以用锡纸做成一个钝一点的笔尖，也有一定的效果。推荐指数三颗星。
再有一个方法就是，打开手机的手套模式。这个模式的原理并不是说让电容屏变成了电阻屏。手套模式下的屏幕感应器像是被打了鸡血一样，敏感程度大大提升。导致像手套这种我们刚刚划分为绝缘体的东西，都能够当做导体发生感应了。这是因为，其实每种物体都有一定导电性只不过大小不同，手套这种绝缘体在非手套模式下与下极板产生的电容不足以让检测器检测到，而我们开了手套模式，这时候手套的微弱电容让检测器也能检测到了。随之而来的不足就是，这种模式下手机的功耗也就变高了，而且还容易误触。推荐指数四颗星。
还有一种方法可以在网上买触屏手套。这种方法的原理其实就是和我们手触碰手机的原理一样，这种手套中通常会在手指和手掌处的布料中加入导电纤维，从而使得电容屏有了感应。但是这种手套，不一定美观，还那么贵，所以大家自选。推荐指数三颗星。
最后一种，也是我们最推荐的，最好的方式那就是!
不玩手机！
冬天不好好吃好吃的，玩什么手机？推荐指数5颗星。
参考资料
[1] 韩冰.《触摸屏技术与应用》[M]. 化学工业出版社, 2008年.
[2] How do touchscreens work? - Branch Education
[3] Glove-friendly touchscreen goes on exhibit
[4] Apple Pencil 的原理是什么？-知乎
除标注的图片，其他均来自于网络。
本文章版权归中科院物理所所有
感想：盆友们！小太阳买起来啊！围在火炉前玩手机啊！
