Наверняка все из вас пользуются компьютерами и мобильными устройствами, и лишь единицы в общем способны рассказать, как работают их процессоры, операционные системы и прочие компоненты.
В эру мобильных гаджетов у всех есть с сенсорным (ещё его называют интеллектуальным) экраном, и почти никто не знает, что такое этот сенсорный дисплей, как он работает и какие его виды существуют.
Что это такое
Сенсорный дисплей (экран) – это устройство для визуализации цифровой информации с возможностью оказывать управленческое воздействие посредством прикосновений к поверхности дисплея.
Основываясь на различных технологиях, разные дисплеи реагируют только на определенные факторы.
Одни считывают изменение ёмкости или сопротивления в области соприкосновения, другие на перепады температуры , некоторые сенсоры реагируют только на специальное перо , чтобы избежать случайных нажатий.
Мы рассмотрим принцип действия всех распространённых видов дисплеев, области их применения, сильные и слабые стороны.
Среди всех существующих принципов управления устройством посредством чувствительной к каким-либо факторам матрицы, обратим внимание на следующие технологии:
- резистивная (4-5-ти проводная);
- матричная;
- ёмкостная и её варианты;
- поверхностно-акустическая;
- оптическая и иные менее распространённые и практичные.
В общем схема работы следующая: пользователь прикасается к области экрана, датчики передают контроллеру данные об изменении какой-либо переменной (сопротивления, ёмкости), тот рассчитывает точные координаты места соприкосновения и отправляет их .
Последний, основываясь на программе, соответствующим образом реагирует на нажатие.
Резистивные
Самый простой сенсорный экран – резистивный. Он реагирует на изменение сопротивления в области касания постороннего предмета и экрана.
Это самая примитивная и распространённая технология. Устройство состоит из двух основных элементов:
- токопроводящая прозрачная подложка (панель) из полиэстера или иного полимера толщиной в несколько десятков молекул;
- светопроводящая мембрана из полимерного материала (как правило, используется тонкий слой пластика).
На оба слоя напылен резистивный материал. Между ними расположены микроизоляторы в виде шариков.
Во время этапа эластичная мембрана деформируется (прогибается), соприкасается со слоем подложки и замыкает её.
Контроллер посредством аналого-цифрового преобразователя реагирует на замыкание. Он высчитывает разницу между исходным и текущим сопротивлением (или проводимостью) и координаты точки или области, где это осуществляется.
Практика быстро выявила недостатки таких устройств, и инженеры приступили к поиску решений, которые вскоре были найдены путём добавления 5-го провода.
Четырёхпроводной
Верхний электрод находится под напряжением 5В, а нижний заземлён.
Левый с правым соединены напрямую, они и являются индикатором изменения напряжения по оси Y.
Затем верхний с нижним закорачиваются, а на левый с правым подается 5В, чтобы считать X-координату.
Пятипроводной
Надёжность обусловлена заменой резистивного покрытия мембраны на токопроводящее.
Панель же изготавливается из стекла и остается покрытой резистивным материалом , а на её углах размещаются электроды.
Сначала все электроды заземляются, а мембрана находится под напряжением, которое постоянно мониторится тем же аналого-цифровым преобразователем.
Во время прикосновения контроллер (микропроцессор) улавливает изменение параметра и проводит расчёты точки/области, где напряжение изменилось по схеме с четырьмя проводами.
Важное преимущество – возможность наносить на выпуклые и вогнутые поверхности.
На рынке встречаются и 8-ми проводные экраны. Их точность выше, чем рассмотренные, но на надёжность это ни коим образом не влияет, а цена заметно отличается.
Заключение
Рассмотренные сенсоры используются повсеместно ввиду низкой себестоимости и стойкости к влиянию факторов внешней среды, таких как загрязнение и пониженные температуры (но не ниже нуля).
Они отлично откликаются на прикосновение практически любым предметом, но не острым.
Площади карандаша или спички, как правило, недостаточно для вызова реакции контроллера.
Ставятся такие дисплеи на , используются в сфере обслуживания (офисы, банки, магазины), медицине и образовании.
Везде, где устройства изолированы от внешней среды, а вероятность быть повреждённым минимальна.
Невысокая надёжность (экран легко повредить) частично компенсируется защитной плёнкой.
Плохое функционирование на морозе, низкое светопропускание (0,75 и 0,85 соответственно), ресурс (не более 35 миллионов нажатий для терминала, которым постоянно пользуются, совсем немного) – слабые стороны технологии.
Матричные
Более упрощенная резистивная технология, возникшая ещё до неё.
Мембрана покрыта рядами вертикальных проводников , а подложка – горизонтальными.
При нажатии происходит вычисление области, где сомкнулись проводники и полученные данные передаются в процессор.
Он уже вырабатывает управляющий сигнал и устройство определённым образом реагирует, например, выполняет закреплённое за кнопкой действие).
Особенности:
- очень низкая точность (количество проводников весьма ограничено);
- самая низкая цена среди всех;
- реализации функции мультитач из-за опроса экрана по строчкам.
Используются только в устаревшей электронике и почти вышли из обихода ввиду наличия прогрессивных решений.
Ёмкостные
Принцип основан на способности объектов большой ёмкости становиться проводниками переменного электрического тока.
Экран изготовлен в виде стеклянной панели с тонким слоем напыленного резистивного вещества.
Электроды по углам дисплея подают небольшое напряжение переменного тока на проводящий слой.
В момент соприкосновения осуществляется утечка тока , если предмет имеет большую электрическую ёмкость, чем экран.
По углам экрана регистрируется ток, а сведения с датчиков отправляются контроллеру на обработку. На их основании происходит вычисление области контакта.
В первых прототипах использовалось напряжение постоянного тока. Решение делало конструкцию проще, но часто возникали сбои, когда пользователь не соприкасался с землёй.
Данные девайсы очень надёжны, их ресурс превышает резистивные ~ в 60 раз (порядка 200 млн. нажатий), влагостойкие и отлично терпят загрязнения, не проводящие электрический ток.
Прозрачность находится на уровне 0,9, что немного выше, резистивных, и работают при температуре до - 15 0 С.
Недостатки:
- не реагирует на перчатку и большинство посторонних предметов;
- проводящее покрытие находится в верхнем слое и очень уязвимо к механическим повреждениям.
Используются в тех же банкоматах и терминалах под закрытым небом.
Проекционно-ёмкостные
На внутреннюю поверхность наносится электродная сетка, образующая с телом человека ёмкость (конденсатор). Электроника (микроконтроллер и датчики) работают над расчётом координат при и отправляет расчёты центральному процессору.
Обладают всеми особенностями ёмкостных.
Вдобавок могут оснащаться толстой пленкой до 1,8 см, что повышает защиту от механических воздействий.
Токопроводящие загрязнения, где их тяжело или невозможно устранить, без проблем убираются программным методом.
Чаще всех иных устанавливаются в персональные электронные устройства, банкоматы и различную технику, установленную фактически под открытым небом (под накрытием). Apple также отдают предпочтение проекционно-ёмкостным дисплеям.
Поверхностно-акустическая волна
Изготавливается в виде стеклянной панели, оснащённой пьезоэлектрическими преобразователями ПЭП, расположенными на противоположных углах, и приёмниками.
Их тоже пара и находятся на противоположных углах.
Генератор отправляет электрический сигнал ВЧ на ПЭП, тот превращает череду импульсов в ПАВ, а отражатели распространяют её.
Отраженные волны улавливаются датчиками и поступают на ПЭП, который преобразовывает их обратно в электричество.
Сигнал отправляется на контроллер, который анализирует его.
При касании параметры волны изменяются, в частности поглощается часть её энергии в определённом месте. На основании этой информации производится расчёт области касания и его силы.
Весьма высокая прозрачность (выше 95%) обусловлена отсутствием проводящих/резистивных поверхностей.
Порой для устранения бликов отражатели света вместе с приёмниками монтируются непосредственно на экран.
Сложность конструкции никоим образом не отражается на эксплуатации девайса с таким экраном, а число прикосновений в одной точке равняется 50 млн раз, что немного превышает ресурс резистивной технологии (65 млн. раз в общем).
Выпускаются с тонкой плёнкой порядка 3 мм и утолщенной – 6 мм. Благодаря такой защите дисплей выдерживает несильный удар кулаком.
Слабые стороны:
- плохая работа в условиях вибрации и тряски (в транспорте, при ходьбе);
- отсутствие стойкости к загрязнениям – любой посторонний предмет влияет на функционирование дисплея;
- помехи при наличии акустических шумов определённой конфигурации;
- точность немногим ниже, чем в ёмкостных, из-за чего непригодны для рисования.
Универсальный тип сенсорных экранов еще не разработали, а используемые сейчас технологии имеют как свои преимущества, так и недостатки. О плюсах и минусах основных типов сенсорных экранов читайте в этом материале.
Применение сенсорных экранов наиболее целесообразно в небольших портативных устройствах. Во-первых, это связано с неудобством использования мышки, клавиатуры и прочих устройств ввода в телефонах и другой небольшой электронике. Во-вторых, отказ от аппаратных кнопок позволяет серьезно увеличить площадь экрана. В-третьих, производство сенсорных панелей обходится недешево, и их использование в больших экранах пока как минимум экономически невыгодно.
Тем не менее, начав с таких небольших устройств как КПК, сенсорные экраны уже добрались до среднего формата (планшетов и некоторых ноутбуков), и их появление на большом экране лишь вопрос времени.
Существует всего несколько типов сенсорных экранов. Ниже речь пойдет о трех наиболее распространенных технологиях, а также нескольких ее разновидностях.
РЕЗИСТИВНЫЕ ПАНЕЛИ
Сенсорная часть таких экранов состоит из двух слоев, разделенных небольшим пространством, каждый из которых имеет массив резистивных или проводящих элементов (в зависимости от конкретной реализации).
При нажатии пальцем, стилусом (или любым другим предметом) на поверхность экрана эти слои соприкасаются, элементы замыкаются, и экран «понимает», в каком месте к нему дотронулись.
Учитывая, что контакт между двумя слоями возможен только при использовании гибкого материала, который будет прогибаться под давлением, резистивные экраны, как правило, покрывают специальной гибкой пленкой, а не стеклом. Это приводит к появлению царапин и более частым повреждениям экрана при чрезмерном надавливании стилусом.
Технология является одной из наиболее простых, поэтому она первой появилась в сенсорных устройствах. У нее до сих пор есть определенные преимущества, однако недостатков больше, чем в других типах сенсорных экранов.
Преимущества
Помимо низкой цены (стоимость таких дисплеев приблизительно в два раза ниже емкостных), точность резистивных экранов также мало зависит от состояния верхнего слоя, поэтому в случае его загрязнения или намокания отзывчивость сенсора практически не меняется.
Несмотря на возраст технологии, она до сих пор позволяет делать самые точные сенсорные панели. В правильно откалиброванном дисплее фактически можно попадать стилусом в конкретный пиксель благодаря густой решетке резистивных элементов.
Недостатки
Несмотря на то что из этого правила есть исключения, большинство резистивных экранов не распознают мультитач, то есть экран понимает лишь одно касание (самое первое, либо самое сильное), что существенно ограничивает возможности управления интерфейсом. Даже в устройствах, где мультитач реализован, все равно распознается меньше одновременных касаний, чем в самых обычных емкостных экранах.
Использование нескольких слоев снижает контрастность и яркость экрана. Коэффициент прохождения света составляет ~75%, что на ~15% ниже, чем в емкостных экранах. Таким образом, в устройствах с резистивным сенсором содержимое экрана сложнее рассматривать под прямыми солнечными лучами или при сильном искусственном освещении.
Использование двух слоев, разделенных небольшим зазором, является косвенной причиной снижения точности работы сенсора. Если держать стилус перпендикулярно экрану, то точность может быть одной, однако под углом, расхождение будет составлять несколько пикселей за счет того, что точка, на которую давит стилус, находится не непосредственно над нужным пикселем (эффект параллакса).
Защитой от случайного ввода в резистивных экранах является определенное давление, которое необходимо преодолеть для того чтобы устройство засчитало команду. Следовательно, резистивные экраны сложнее оборудовать дополнительным защитным покрытием, которое лишь увеличит порог срабатывания. В паре с пластиковым покрытием, которое необходимо для гибкости сенсорного слоя, резистивные экраны более других подвержены повреждениям, особенно царапинам, а при неправильном обращении (сильном нажатии острым предметом), могут и попросту треснуть.
Несмотря на то что количество нажатий в каждой конкретной точке оценивается в 30 млн., резистивные экраны все же раньше других типов выходят из строя и являются самыми ненадежными по этому показателю.
Вывод
Небольшая стоимость и устойчивость к загрязнениям (а точнее, сохранению точности ввода при загрязнении), в паре со всеми вышеперечисленными недостатками стали причиной того, что резистивные экраны медленно вытесняются из обихода, хотя и смогли закрепиться в некоторых нишах, например, в секторе терминалов для быстрой оплаты.
Стилусы
Характерной особенностью устройств с резистивным сенсором является распространенное использование стилуса, площадь контакта которого с поверхностью меньше, чем у пальца, а сила давления больше, что является причиной более точного ввода.
Наличие стилуса желательно, хоть и необязательно для экранов с небольшой диагональю (в основном это телефоны, а несколько лет назад и КПК), однако в планшетах достаточной точности можно добиться и с помощью пальцев.
После того как несколько лет назад КПК были полностью вытеснены смартфонами и другими устройствами, казалось, что вместе с ними навсегда сцену покинули и стилусы, однако сейчас все чаще можно встретить их реинкарнацию, особенно в устройствах промежуточных размеров между смартфонами и планшетами.
Поскольку резистивные экраны сейчас используются все реже, стилусы тоже немного изменились. Подстраиваясь под современные реалии, они стали выпускаться со специальными насадками на конце, которые распознаются емкостными экранами.
ЕМКОСТНЫЕ ПАНЕЛИ
Принцип работы емкостных экранов заключается в том, что на специальный слой электропроводника, находящегося на внешней поверхности экрана, подается небольшое напряжение, формирующее однородное электростатическое поле. Когда к экрану прикладывается палец, являющийся проводником электричества, свойства поля меняются вследствие появления утечки (пользователь работает как заземлитель и «крадет» ток у экрана). По изменению емкости можно определить наличие контакта и его координаты.
Для определения координат в углах экрана установлены электроды, измеряющие силу тока утечки, и чем она сильнее на каждом конкретном датчике, тем ближе произошло нажатие. Определив конкретные значения, можно очень точно вычислить координаты нажатия.
Подклассом емкостных экранов являются проекционно-емкостные экраны, принцип работы которых также заключается в измерении емкости, однако базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, что повышает защищенность сенсора. Именно такие экраны сейчас и используются повсеместно в смартфонах.
В отличие от резистивных панелей, где используется гибкий материал, емкостные сенсоры покрывают стеклом. Это лучше защищает их от царапин, хотя с большей вероятностью станет причиной появления трещины при сильном ударе или падении.
Достоинства
Отсутствие нескольких слоев дополнительных материалов не только увеличивает яркость экрана (прозрачность для света составляет приблизительно 90%), но также снижает расстояние между поверхностью экрана и изображением, что позволяет точнее попадать в нужные пиксели. Пускай выигрыш и не большой, но он все же заметен, особенно когда устройство находится под некоторым углом относительно оси зрения, то есть в те моменты, когда разница между реальным положением нужного пикселя на экране и точкой, в которую нужно попасть, смещаются максимально друг относительно друга.
Дисплеи Super AMOLED компании Samsung позволяют еще больше снизить толщину экрана за счет отказа от дополнительного слоя емкостных элементов. В этом типе экранов они встраиваются непосредственно в матрицу.
Емкостные экраны гораздо долговечнее резистивных (практически на порядок) когда речь заходит о количестве нажатий до выхода сенсорных элементов из строя. Число таких повторений оценивается в 200+ млн раз.
Недостатки
Емкостные экраны обходятся дороже резистивных в производстве и требуют, чтобы материал, касающийся их поверхности, обязательно обладал свойствами проводника. Следовательно, использовать любой удобный предмет или работать в обычных перчатках с емкостными экранами не получится. В связи с этим широкое распространение приобретают специальные емкостные стилусы и перчатки для работы с сенсорными панелями в холодную погоду.
Точность емкостных экранов несколько ниже чем, у резистивных, хотя в практических задачах эта разница не сильно заметна, поскольку составляет буквально 1-3 пикселя, и учитывая, что в большинстве случаев интерфейс программ уже и так заточен под устранение этих погрешностей, недостатком это назвать сложно.
Вывод
Емкостные панели по своим характеристикам и цене лучше всего подошли для экранов мобильных устройств, поэтому и доминируют сейчас в этом секторе.
ИНФРАКРАСНЫЕ ПАНЕЛИ
Несмотря на то что инфракрасные сенсоры начали появляться в устройствах позже других типов панелей, их не стоит считать более совершенными. Несколько преимуществ у них есть, однако, скорее всего, как и резистивные экраны, они останутся нишевыми и не смогут потеснить емкостные панели.
Оптические
Главное отличие инфракрасных сенсоров от всех остальных заключается в том, что специальные датчики расположены не на поверхности экрана, а по краям от него и формируют серию горизонтальных и вертикальных инфракрасных лучей непосредственно над дисплеем. Когда предмет касается экрана, лучи разрываются и таким образом определяется место контакта.
Тепловые
Разновидностью инфракрасных экранов являются экраны с тепловыми сенсорами. Для того, чтобы они реагировали на касания, предмет должен быть теплым.
Как и в емкостных панелях, устройства с инфракрасными датчиками используют защитное покрытие из стекла, что является причиной тех же преимуществ и недостатков: лучшая устойчивость к появлению царапин, но большая вероятность возникновения трещины при сильном ударе.
Достоинства
Расположение сенсоров по бокам от матрицы позволяет отказаться от промежуточного слоя на LCD матрице, что улучшает яркость картинки (прозрачность покрытия составляет практически 100%), уменьшает зазор между реальным изображением и поверхностью экрана, делает дисплей более устойчивым к повреждениям, а также позволяет работать с загрязненным экраном, но при условии, что загрязнения не мешают свободному распространению инфракрасных лучей.
Инфракрасными (оптическими) экранами можно управлять в перчатках, либо используя любые другие удобные предметы.
Недостатки
Любые загрязнения по краям матрицы, заслоняющие инфракрасные источники сигналов, приводят к сбоям в работе сенсоров. Проблемы возникают и при небольших искривлениях устройства, когда лучи покидают плоскость, параллельную экрану.
Однако одной из наиболее распространенных проблем с инфракрасными датчиками является ложное срабатывание. Поскольку пользователям не обязательно физически касаться экрана, то иногда сенсоры активируются и при достаточном приближении пальца к экрану или во время его движения от одной точки к другой.
Несмотря на то что инфракрасные сенсоры часто используются в устройствах с относительно небольшой стоимостью (например, в электронных книгах), сами экраны с инфракрасным сенсором дороже как резистивных, так и емкостных экранов.
Вывод
Если резистивные и емкостные экраны можно было условно отнести к соответственно отмирающим и доминирующими типам экранов, то инфракрасные сенсоры — технология устройств-маргиналов, поскольку они используются в малоизвестных моделях портативной электроники. Исключение составляют электронные книги, например Nook Touch.
ВМЕСТО ЭПИЛОГА
Сенсорные и обычные дисплеи в ближайшее время ждет еще много инноваций (гибкая матрица, новые защитные покрытия), однако когда речь заходит о технологиях, отвечающих за распознавание ввода, то здесь на горизонте не видно никаких революционных альтернатив, поэтому и дальше доминировать будут емкостные сенсоры, как самые удобные и относительно недорогие по сравнению с другими типами сенсоров.
О том, у какого телефона экран лучше, ходят постоянные споры. Особенно между владельцами техники Apple и теми, кто предпочитает устройства на платформе Android.
Это простая инфографика красиво раскладывает по полочкам все преимущества того или иного типа сенсорного экрана. Надеюсь, при покупке очередного смартфона она поможет вам сделать правильный выбор и не переплачивать кругленькую сумму.
Итак, сущестует три типа сенсорных экранов: Резистивные (Resistive), Емкостные (Capacitive) и Инфракрасные (Infrared)
Резистивные (Resistive)
Телефоны с резистивными экранами: Samsung Messager Touch, Samsung Instinct, HTC Touch Diamond, LG Dare
Как они работают? Маленькие точки разделяют несколько слоев материала, который передает ток. Когда верхний гибкий слой надавливает на нижний слой, электрический ток меняется и рассчитывается место воздействия, то есть прикосновения.
Сколько стоит изготовление? Расходы на изготовление резистивных сенсорных экранов не очень велики — $ .
Материал экрана. Слой гибкого материала (обычно пленка из полиэстра) накладывается сверху на стекло.
Инструменты воздействия. Пальцы, пальцы в перчатках или стилус.
Видимость на улице. Плохая видимость в солнечную погоду.
Возможность мультижестов. Нет.
Долговечность. Для его стоимости экран служит достаточно долго. Легко царапается и подвержен другим мелким повреждениям. Довольно быстро изнашивается и требует замены.
Емкостные
Телефоны с емкостными сенсорными экранами: Huawei Ascend, Sanyo Zio, iPhone, HTC Hero, DROID Eris, Palm Pre, Blackberry Storm.
Как они работают? Ток транслируется из углов экрана. Когда палец касается экрана, он меняет направление тока и таким образом рассчитывается место касания.
Сколько стоит изготовление? Достаточно дорого — $$ .
Материал экрана. Стекло.
Инструменты воздействия. Только пальцы без перчаток.
Видимость на улице. Видимость в солнечный день хорошая.
Возможность мультижестов. Есть.
Долговечность.
Инфракрасные
Телефоны с инфракрасными сенсорными экранами: Samsung U600 (тепло), Neonode N2 (оптический).
Как они работают? Для того, чтобы среагировал тепло-чувствительный экран, к нему нужно прикоснуться теплым объектом. Оптический экран использует сетку невидимых датчиков прямо над экраном. Точка касания рассчитывается на основе той точки, где ось x-y была нарушена.
Сколько стоит изготовление? Очень дорого — $$$ .
Материал экрана. Стекло.
Инструменты воздействия. Оптический — пальцы, перчатки и стилус. Тепло-чувствительный — теплые пальцы без перчаток.
Видимость на улице. Видимость в солнечную погоду хорошая, но сильный солнечный свет влияет на продуктивность и точность.
Возможность мультижестов. Да.
Долговечность. Служит достаточно долго. Стекло разрушается только от серьезных повреждений.
Планшеты, очень многие смартфоны, а также мониторы, дисплеи на бытовой технике оснащены сенсорными экранами. Эта технология радует, во-первых, своим привлекательным дизайном, во-вторых, своей функциональностью и простотой. К тому же, теперь нет необходимости расходовать пространство на размещение кнопок, что тоже очень удобно. О разновидностях экранов, их строении, принципах работы, плюсах и минусах читайте в нашей статье.
Самые популярные виды сенсоров
Резистивные сенсоры
Резистивный сенсор состоит из пластиковой мембраны (идет первой) и панели, изготовленной из стекла (идет вторым слоем). Между этими слоями прокладывается микроизолятор, призванный обезопасить друг от друга токопроводящие поверхности. На поверхностях слоев располагаются электроды (в первом слое они идут горизонтально, во втором - вертикально). Нажимая на экран, вы провоцируете замыкание слоев, специальный датчик считывает ваше нажатие и преобразовывает его в сигнал, который передается в процессор. В итоге экран реагирует на поставленную вашим касанием задачу - например, запускает видео, открывает документ и проч.
Данная технология считается достаточно простой, а потому на изготовление резистивных экранов тратится не слишком много средств. В итоге продукция с ними часто оказывается в бюджетном ценовом сегменте, что является главным достоинством техники с резистивными экранами. Техника с резистивными дисплеями представлена в большом количестве и ассортименте. В числе минусов этого типа сенсоров - отсутствие поддержки мультижестов, плохая видимость на солнце/при ярком свете, низкая износостойкость, невысокая точность.
Емкостные сенсоры
Данная технология является более совершенной - она поддерживает мультитач, отличается приличной видимостью при ярком свете и лучшей износостойкостью, более высоким уровнем точности. В числе недостатков - более значительная цена устройств с емкостными экранами, негативная реакция на воздействие жидкостей.
Как работает сенсорный экран данного типа? Ключевую роль здесь выполняют электроды, располагающиеся в углах дисплея и передающие друг другу переменные потоки электричества. В итоге образуется своеобразная сетка тока. Нажимая на экран, человек смещает направление тока, что позволяет системе определить место нажатия и соответственно вычислить и выполнить требующуюся команду. Тело человека в этом случае вместе с самим экраном выступают проводниками тока. Дисплей состоит из стекла, покрытого резистивным материалом, обеспечивающим эффективный электрический контакт.
Инфракрасные сенсоры
Рамка экрана (выполнен из стекла) включает приемники и излучатели инфракрасных лучей. Работая, они образуют на поверхности дисплея инфракрасную сетку. Нажав на экран, мы перекроем доступ определенным лучам - система вычислит это место и считает соответствующую задачу, которую ей нужно будет выполнить.
В числе недостатков - не очень высокая точность (особенно при ярком свете), «боязнь» загрязнений и высокая стоимость изделий с инфракрасными дисплеями. В числе плюсов - хорошая видимость на солнце, долговечность.
Менее популярные виды сенсоров
Матричные сенсоры
Матричная система подобна тому, как работает сенсор в резистивных моделях дисплеев. Только на мембрану наносятся вертикальные проводники тока, а на стекло - горизонтальные. Нажатие вызывает замыкание, которое система вычисляет и далее преобразует в выполнение той или иной задачи.
Матричные экраны сегодня редко где используются, поскольку они считаются очень неточными, а потому непродуктивными.
Экраны на поверхностно-акустических волнах
В разные углы стеклянной панели встраиваются пьезоэлектрические преобразователи. По периметру же дисплея находятся датчики, принимающие и отражающие сигналы. Специальный контроллер обеспечивает высокую частотность формирования сигналов. Нажатие на дисплей провоцирует выполнение какой-либо задачи.
iPhone 2G был первым мобильным телефоном, управление которым полностью строилось на взаимодействии с сенсорным экраном. С момента его презентации прошло больше десяти лет, но многие из нас все еще не знают, как устроен Touchscreen. А ведь мы сталкиваемся с этим интуитивным средством ввода не только в смартфонах, но и в банкоматах, платежных терминалах, компьютерах, автомобилях и самолетах - буквально повсюду.
До тачскринов самым распространенным интерфейсом для ввода команд в электронные устройства были различные клавиатуры. Хотя, кажется, что у них с тачскринами нет ничего общего, на самом деле то, насколько сенсорный экран по принципам работы схож с клавиатурой, может удивить. Давайте рассмотрим их устройство в деталях.
Клавиатура представляет собой печатную плату, на которой устанавливается несколько рядов переключателей-кнопок. Вне зависимости от их конструкции, мембранной или механической, при нажатии каждой из клавиш происходит одно и то же. На компьютерной плате под кнопкой замыкается электрическая цепь, компьютер регистрирует прохождение тока в этом месте схемы, «понимает», какая клавиша нажата и выполняет соответствующую ей команду. В случае с сенсорным экраном происходит почти тоже самое.
Существует порядка десятка различных видов сенсорных экранов, однако большинство из этих моделей или давно устарело и не используется, или относится к экспериментальным и вряд ли когда-нибудь появится в серийных устройствах. Прежде всего, я расскажу об устройстве актуальных технологий, тех из них, с которыми постоянно взаимодействуете или хотя бы можете столкнуться в повседневной жизни.
Резистивный сенсорный экран
Резистивные сенсорные экраны изобретены еще в 1970 году и с тех пор изменились мало.
В дисплеях с такими сенсорами над матрицей располагается пара дополнительных слоев. Впрочем, оговорюсь, матрица здесь вовсе не обязательна. Первые резистивные сенсорные устройства не были экранами вовсе.
Нижний сенсорный слой состоит из стеклянной основы и называется резистивным слоем. На него наносится прозрачное металлическое покрытие, хорошо передающее ток, например, из такого полупроводника, как оксид индия-олова. Верхний слой тачскрина, с которым взаимодействует пользователь нажимая на экран, сделан из гибкой и упругой мембраны. Он называется проводящим слоем. В пространстве между слоями оставляют воздушную прослойку, либо равномерно усеивают его микроскопическими изолирующими частицами. По краям к сенсорному слою подводится четыре, пять или восемь электродов, связывающих его с датчиками и микроконтроллером. Чем больше электродов, тем выше чувствительность резистивного такчскрина, поскольку изменение напряжения на них постоянно отслеживается.
Вот экран с резистивным тачскрином включен. Пока ничего не происходит. Электрический ток свободно течет по проводящему слою, но когда пользователь дотрагивается до экрана, мембрана сверху прогибается, изолирующие частицы расступаются, и она касается нижнего слоя тачскрина, вступает в контакт. За этим следует изменение напряжения разом на всех электродах экрана.
Контроллер тачскрина обнаруживает изменения напряжения и считывает показания с электродов. Четыре, пять, восемь значений и все разные. По разнице в показаниях между правым и левым электродами микроконтроллер вычислит X-координату нажатия, а по различиям в напряжении на верхнем и нижнем электродах, определит Y-координату и, таким образом, сообщит компьютеру точку, в которой слои сенсорного слоя экрана соприкоснулись.
Резистивные сенсорные экраны могут похвастать длинным перечнем недостатков. Так, они в принципе не способны распознать двух одновременных нажатий, не говоря уже о большем числе. Они плохо ведут себя на холоде. Из-за необходимости в прослойке между слоями сенсора, матрицы таких экранов заметно теряют в яркости и контрастности, склонны бликовать на солнце, и в целом выглядят заметно хуже. Тем не менее, там, где качество изображения играет второстепенную роль, их продолжают применять в силу устойчивости к загрязнениям, возможности использования в перчатках и, что самое главное, низкой стоимости.
Такие средства ввода повсеместно монтируются в недорогих массовых устройствах, вроде информационных терминалов в общественных местах и все еще встречаются в устаревающих гаджетах, типа дешевых MP3-плееров.
Инфракрасный сенсорный экран
Следующим, куда менее распространенным, но, тем не менее, актуальным вариантом сенсорного экрана является инфракрасный тачскрин. Он не имеет ничего общего с резистивным сенсором, хотя и выполняет схожие функции.
Инфракрасный тачскрин сконструирован из массивов светодиодов и светочувствительных фотоэлементов, расположенных на противоположных сторонах экрана. Светодиоды подсвечивают поверхность экрана невидимым инфракрасным светом, образуя на ней нечто вроде паутины или координатной сетки. Это напоминает охранную сигнализацию, какой ее показывают в шпионских боевиках или компьютерных играх.
Когда к экрану что-то прикасается, не важно палец это, рука в перчатке, стилус, или карандаш, два или более луча прерываются. Фотоэлементы фиксируют это событие, контроллер тачскрина выясняет, какие из них недополучают инфракрасный свет и по их положению вычисляет зону экрана, в которой возникло препятствие. Остальное - сопоставить прикосновение с тем, какой элемент интерфейса находится на экране в этом месте - задача программного обеспечения.
Сегодня с инфракрасными сенсорными экранами можно столкнуться в тех гаджетах, чьи экраны обладают нестандартной конструкцией, там, где добавлять дополнительные сенсорные слои технически сложно или нецелесообразно - в электронных книгах на базе дисплеев E-link, например, Amazon Kindle Touch и Sony Ebook. Кроме того, устройства с подобными сенсорами из-за простоты и ремонтопригодности приглянулись военным.
Емкостный сенсорный экран
Если в резестивных сенсорных экранах компьютер регистрирует изменение проводимости, последовавшее за нажатием на экран, непосредственно между слоями сенсора, то емкостные сенсоры фиксируют прикосновение непосредственно.
Человеческое тело, кожа - хорошие проводники электричества и обладают электрическим зарядом. Обычно это замечаешь пройдясь по шерстяному ковру или сняв любимый свитер, а затем прикоснувшись к чему-либо металлическому. Все мы знакомы со статическим электричеством, испытывали его действие на себе и видели крошечные искры, срывающиеся с наших пальцев в темноте. Более слабый, незаметный обмен электронами между человеческим телом и различными проводящими поверхностями происходит постоянно и именно его фиксируют емкостные экраны.
Первые такие тачскрины назывались поверхностно-емкостными и были логичным развитием резистивных сенсоров. В них всего один проводящий слой, похожий на тот, что использовался ранее, устанавливался прямо поверх экрана. К нему также присоединялись чувствительные электроды, на этот раз по углам сенсорной панели. Следящие за напряжением на электродах датчики и их программное обеспечение были сделаны заметно чувствительнее и теперь могли улавливать малейшие изменения в течении электрического тока по экрану. Когда палец (другой проводящий ток предмет, например, стилус) касается поверхности с поверхностно-емкостным тачскрином, проводящий слой немедленно начинает обмениваться с ним электронами, а микроконтроллер это замечает.
Появление поверхностно-емкостных тачскринов стало прорывом, однако из-за того, что нанесенный прямо поверх стекла токопроводящий слой было легко повредить, они не были пригодны для устройств нового поколения.
Для создания первого iPhone потребовались проекционно-емкостные сенсоры. Этот тип тачскринов быстро стал наиболее распространенным в современной потребительской электронике: смартфонах, планшетах, ноутбуках, моноблоках и прочих бытовых устройствах.
Верхний слой экрана с тачскрином этого типа выполняет защитную функцию и может быть сделан из закаленного стекла, например, знаменитого Gorilla Glass. Ниже располагаются тончайшие электроды, образующие сетку. Поначалу их накладывали друг на друга в два слоя, затем для уменьшения толщины экрана стали располагать на одном уровне.
Выполненные из полупроводниковых материалов, в том числе уже упоминавшегося оксида индия-олова, эти токопроводящие волоски создают электростатическое поле в местах своего пересечения.
Когда палец касается стекла, за счет электропроводных свойств кожи он искажает локальное электрическое поле в местах ближайших пересечений электродов. Это искажение может быть измерено, как изменение емкости в отдельно взятой точке сетки.
Поскольку массив электродов делается достаточно мелким и плотным, такая система способна отслеживать касание очень точно и без проблем улавливает сразу несколько прикосновений. Кроме того, отсутствие дополнительных слоев и прослоек в бутерброде из матрицы, сенсора и защитного стекла положительно сказывается на качестве изображения. Правда, по той же причине, разбитые экраны, как правило, заменяются полностью. Однажды собранный воедино, экран с проекционно-емкостным сенсором чрезвычайно сложно поддается ремонту.
Сейчас преимущества проекционно-емкостных тачскринов не звучат, как что-то удивительное, но на момент презентации iPhone они обеспечили технологии колоссальный успех, несмотря на объективные минусы - чувствительность к загрязнениям и влажности.
Чувствительные к давлению сенсорные экраны - 3D Touch
Идейным предшественником сенсорных экранов, чувствительных к давлению, стала фирменная технология Apple, под названием Force Touch, применявшаяся в умных часах компании, MacBook, MackBook Pro и Magic Trackpad 2.
Опробовав на этих устройствах интерфейсные решения и различные сценарии использования распознавания силы нажатия, Apple начала внедрение похожего решения в свои смартфоны. В iPhone 6s и 6s Plus распознавание и измерение давления стало одной из функций тачскрина и получило коммерческое наименование 3D Touch.
Хотя в Apple и не скрывали, что новая технология лишь модифицирует привычные нам емкостные сенсоры и даже показали схему, в общих чертах объяснявшую принцип ее действия, подробности об устройстве сенсорных экранов с 3D Touch появились только после того, как первые iPhone нового поколения были разобраны энтузиастами.
Для того, чтобы научить емкостной сенсорный экран распознавать нажатия и различать несколько степеней давления, инженерам из Купертино потребовалось пересобрать бутерброд сенсорного экрана. Они внесли изменения в отдельные его части и добавили к емкостному еще один, новый слой. И, что интересно, делая это, они явно вдохновлялись устаревшими резистивными экранами.
Сетка емкостных сенсоров осталась без изменений, однако она была перенесена назад, ближе к матрице. Между набором электрических контактов, следящих за местом прикосновения к дисплею, и защитным стеклом был интегрирован дополнительный массив из 96 отдельных датчиков.
Его задача заключалась не в том, чтобы определить местоположение пальца на экране iPhone. С этим по-прежнему отлично справлялся емкостный тачскрин. Эти пластины необходимы для обнаружения и измерения степени изгиба защитного стекла. Компания Apple специально для iPhone заказала у Gorilla Glass разработку и производство такого защитного покрытия, которое бы сохраняло прежнюю прочность и, в то же время, было достаточно гибким, чтобы экран мог реагировать на давление.
На этой разработке можно было закончить материал, повествующий о сенсорных экранах, если бы не еще одна технология, которой несколько лет назад прочили большое будущее.
Волновые сенсорные экраны
Неожиданно, но они не используют электричество и даже не имеют ничего общего со светом. Технология Surface Acoustic Wave system для определения точки прикосновения применяет поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности экрана. Ультразвук, создаваемый пьезоэлектрическими элементами по углам, слишком высок для того, чтобы его мог уловить человеческий слух. Он распространяется взад и вперед, многократно отражаясь от краев экрана. Звук анализируется на предмет аномалий, создаваемых прикасающимися к экрану предметами.
Недостатков у волновых сенсорных экранов не много. Они начинают ошибаться после сильного загрязнения стекла и в условиях сильного шума, но, при этом, в экранах с таким сенсором нет дополнительных слоев, увеличивающих толщину и влияющих на качество изображения. Все компоненты сенсора прячутся под рамкой дисплея. Кроме того, волновые сенсоры позволяют точно подсчитывать площадь соприкосновения экрана с пальцем или другим предметом и по этой площади косвенно рассчитать силу нажатия на экран.
Мы уже вряд ли столкнемся с этой технологией в смартфонах из-за нынешней моды на безрамочные дисплеи, но несколько лет назад компания Samsung экспериментировала с Surface Acoustic Wave system в моноблоках, а в качестве комплектующих для игровых автоматов и рекламных терминалов панели с акустическими тачскринами продаются и сейчас
