Устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему. Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах. Но мы рассмотрим лишь те которые встречаются в мобильных телефонах и другой переносной технике.
Принцип работы резистивных сенсорных экранов
Резистивные сенсорные экраны бывают двух видов, четырехпроводные и пятипроводные. Рассмотрим принцип работы каждого из типов в отдельности.
Четырёхпроводной резистривный экран
Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана
Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:
- На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
- Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.
Пятипроводной резистивный экран
Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.
Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана
Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем . Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.
Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:
- На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
- Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.
Принцип работы емкостных сенсорных экранов
Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.
Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана
Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова ). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.
В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток - это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.
Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят не проводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, установленных в охраняемом помещении. Не реагируют на руку в перчатке.
Принцип работы проекционно-емкостных сенсорных экранов
На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор ; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).
Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана
Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Многие модели реагируют на руку в перчатке. В современных моделях конструкторы добились очень высокой точности - правда, вандалоустойчивые исполнения менее точны.
ПЁЭ реагируют даже на приближение руки - порог срабатывания устанавливается программно. Отличают нажатие рукой от нажатия проводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач . Поэтому такая технология применяется в тачпадах и мультитач-экранах.
Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран iPhone является проекционно-ёмкостным.
Заключение
Каждый из видов сенсорных экранов имеет свои преимущества и недостатки, для наглядности рассмотрим таблицу.
| Резистивный 4-х проводной | Резистивный 5-ти проводной | Емкостной | Проекционно-емкостной | |
|---|---|---|---|---|
| Функциональность | ||||
| Рука в перчатке | Да | Да | Нет | Да |
| Твёрдый проводящий предмет | Да | Да | Да | Да |
| Твёрдый непроводящий предмет | Да | Да | Нет | Нет |
| Мультитач | Нет | Да | Да | Да |
| Измерение силы нажатия | Нет | Нет | Нет | Да |
| Предельная прозрачность, % | 75 | 85 | 90 | 90 |
| Точность | Выс | Выс | Выс | Выс |
| Надёжность | ||||
| Срок жизни, млн. нажатий | 10 | 35 | 200 | ∞ |
| Защита от грязи и жидкостей | Да | Да | Да | Да |
| Устойчивость к вандализму | Нет | Нет | Нет | Да |
Статья написана по материалам сайта
Уже практически весь мир высоких технологий захватила мода на сенсорные дисплеи. Сейчас практически на каждом плеере или сотовом телефоне имеется тачскрин, а общая сфера применения такой технологии производства дисплеев является намного более значительной. Сейчас на рынке представлены разные виды сенсорных экранов, работа которых зависит от того, какая технология ими используется.
Является прибором, ориентированным на ввод и вывод информации посредством дисплея, чувствительного к нажатиям. На экранах современных устройств не только демонстрируются изображения, но и появляются возможности вступать во взаимодействие с ним. Изначально подобная связь обеспечивалась посредством привычных для всех кнопок, потом появился иной вид манипулятора, названный мышью, сильно облегчивший процесс. Для работы этого прибора требуется горизонтальная поверхность, что совсем неудобно при использовании мобильного телефона. Тут и пригодилось дополнение к обычному экрану в виде тачскрина. Сенсорный элемент по своей сути не является экраном, он представляет собой дополнительное устройство, которое размещается снаружи поверх дисплея, при этом оно защищает и предназначается для ввода координат посредством прикосновения к нему устройства ввода или пальца. Существуют различные типы сенсорных экранов. Стоит рассмотреть их немного подробнее.
Типы сенсорных экранов и их использование в электронных устройствах
Первоначально технология тачскрина была использована для карманных компьютеров, однако на данный момент она получила заметно более широкое применение, от плееров до фотоаппаратов. Так как подобный механизм управления является очень удобным, он применяется для современных банкоматов, планшетных терминалов, различных электронных справочников и прочих устройств. Технология сенсорного экрана весьма удобна в тех случаях, когда необходим мгновенный доступ к управляемому устройству без какой-то подготовки и с максимальной интерактивностью: происходит смена элементов управления в зависимости от того, какая функция активируется.
Типы сенсорных экранов: емкостные, резистивные, проекционно-емкостные и прочие (менее популярные). Помимо этих видов существуют еще и инфракрасные и матричные дисплеи, однако их точность настолько невысока, что их сфера применения совсем ограничена.
Резистивные сенсорные экраны
Наиболее простыми устройствами являются именно эти дисплеи. Подобная панель включает в себя проводящую подложку и пластиковую мембрану, которые обладают определенным сопротивлением. Когда осуществляется нажатие на мембрану, производится замыкание с подложкой, что вынуждает проводящую электронику реагировать на сопротивление, которое возникло между краями этих элементов, вычисляя после этого координаты точки, на которую было произведено нажатие. Такие экраны весьма просто устроены, они дешевы, а также обладают отличной устойчивостью к загрязнениям. Основное достоинство такого типа сенсора состоит в том, что он чувствителен ко всяким прикосновениям. Недостаток заключается в высокой чувствительности к механическим повреждениям, что требует использования специальной Такие панели отлично работают при низких температурах.
Совсем по-иному работает технология емкостного сенсора. Тут за основу взят принцип того, что предмет большой емкости может проводить электрический ток. На стекло наносится электропроводный слой, а на все четыре угла подается переменное напряжение. При касании экрана заземленным предметом большей мощности происходит утечка тока. Управляющая электроника регистрирует эти утечки, определяя координаты.
В данной статье были кратко и понятно описаны основные типы сенсорных экранов, получивших наибольшую популярность.
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
Вместо заключения
За очень краткий срок тачскрины завоевали мир электроники. Несмотря на отсутствие тактильного отклика и другие свои недостатки, сенсорные экраны стали очень интуитивным, понятным и удобным методом ввода информации в компьютеры. Не в последнюю очередь, своим успехом они обязаны разнообразием технических реализаций. Каждая со своими преимуществами и недостатками, подходящая для своего класса устройств. Резистивные экраны для самых дешевых и массовых гаджетов, емкостные экраны для смартфонов и планшетов и настольных компьютеров с которыми мы взаимодействуем каждый день и инфракрасные тачскрины для тех случаев, когда конструкцию экрана следует оставить в неприкосновенности. В заключение, остается лишь констатировать, что сенсорные экраны с нами надолго, замены им в ближайшем будущем не предвидится.Многие думают, что эра сенсорных экранов началась в нулевых, с выходом первых КПК (надеюсь, нет таких, кто думает, что первый сенсорный экран появился в iPhone?) Однако это не так - первым потребительским устройством с сенсорным дисплеем стал... телевизор в 1982 году. Годом позже появился первый сенсорный ПК от HP. Через 10 лет, в 1993 году, появился Apple Newton - родоначальник КПК, который ввел моду на стилусы (хотя это скорее была необходимость - экран-то резистивный), и уже в 2007 году с выходом iPhone появился современный емкостный экран в том виде, в котором мы все привыкли его видеть. Так что история сенсорных экранов насчитывает 35 лет, и за это время произошло достаточно много.
Уже из названия понятно, что лежит в основе таких дисплеем - это электрическое сопротивление. Устройство такого экрана просто: над дисплеем находится подложка (дабы при сильном нажатии его не деформировать), после чего идет один резистивный слой, изолятор и второй резистивный слой уже на мембране:
На левый и правый край мембраны и нижний и верхний край резистивного слоя на подложке подведено напряжение. Что происходит, когда мы нажимаем на такой дисплей? Резистивные слои замыкаются, сопротивление меняется, а значит меняется и напряжение - а это легко зарегистрировать, после чего, зная сопротивление единицы резистивного слоя, можно легко узнать сопротивление по обеим осям до точки нажатия, а значит и высчитать саму точку нажатия:
Это - принцип действия четырехпроводного резистивного экрана, и такие уже больше не используются по одной простой причине: малейшее повреждение мембраны с резистивным слоем ведет к тому, что экран перестает корректно работать. А с учетом того, что в такой экран обычно тыкают острым стилусом, добиться повреждения отнюдь не трудно.
Тогда решили сделать по-другому: мембрана стала токопроводящей, а на резистивном слое подложки теперь расположены все 4 электрода, но уже по углам, а напряжение подведено только к мембране - то есть экран стал пятипроводным. Что происходит при нажатии? Мембрана касается резистивного слоя, начинает идти ток, который снимается с 4 электродов, что опять же позволяет, зная сопротивление резистивного слоя, определить точку касания:
Вот этот тип уже более «вандалоустойчив» - даже при порезе мембраны экран продолжит функционировать нормально (кроме, разумеется, места пореза). Но, увы, это не отменяет других проблем, общих для всех резистивных экранов, а их много.
Во-первых, такой экран воспринимает только одно касание: несложно догадаться, что при нажатии сразу двумя пальцами экран будет думать, что вы нажали в середину линии, соединяющей точки нажатия. Вторая проблема - на экран действительно нужно давить, причем желательно острым предметом (ногтем, стилусом). Разумеется, привыкнуть к этому можно, но это зачастую приводило к характерным царапинам, что красоты экрану не добавляло. Третья проблема - такой экран пропускает не более 85% светового потока, и из-за его толщины нет ощущения того, что вы касаетесь пальцем изображения напрямую.
Но, тем ни менее, у него есть и плюсы: во-первых, разбить дисплей в таком экране очень и очень сложно - у него «тройная защита» в виде мембраны, изоляторов и подложки. Второй плюс - экрану безразлично, чем вы в него тыкаете - с ним можно работать и в обычных перчатках (что зимой очень актуально). Но, увы, это достоинства не перевесили недостатки, и с выходом iPhone начался бум на емкостные экраны.
Поверхностно-емкостные экраны
Это, можно сказать, переходный тип между привычными нам емкостными экранами (которые являются проекционными) и старыми резистивными. Принцип действия тут схож с пятипроводным экраном: есть стеклянная пластина, покрытая резистивным слоем, и 4 электрода по углам, которые подают на пластину небольшое переменное напряжение (почему не постоянное - объясню чуть ниже). При нажатии на такой экран токопроводящим заземленным предметом мы получаем в месте нажатия утечку тока, которую легко можно зарегистрировать:
Тут и разгадка, почему напряжение переменное - с постоянным при плохом заземлении могут быть перебои в работе, а с переменным такого нет.
Проблем у них тоже хватает: экран теперь менее защищен, и при повреждении стеклянной пластины перестает работать весь. Опять же не поддерживается мультитач, и более того - теперь экран не реагирует на руку в перчатке или же стилусы - они в основном не проводят ток.
Единственный плюс такого экрана - он стал тоньше и прозрачнее резистивного, но в общем-то это оценили немногие. Но все изменилось с выходом iPhone, где применялся несколько другой тип сенсорного экрана, который уже поддерживал мультитач.
Проекционно-емкостные экраны
Вот мы уже и подобрались к современному типу сенсорных экранов. По принципу работы он существенно отличается от предыдущих - тут электроды расположены сеткой на внутренней стороне экрана (а не 4 электрода по углам), и при нажатии на экран палец образует с электродами конденсаторы, по емкости которых и можно определить местоположение нажатия:
С таким устройством экрана можно нажимать на него сразу несколькими пальцами - если они расположены достаточно далеко (дальше, чем два соседних электрода в сетке), то такие нажатия будут определяться как разные - именно так и появился мультитач, сначала на 2 пальца в iPhone, а сейчас уже и на 10 пальцев в планшетах. Большее количество нажатий уже не нужно (людей больше чем с 10 пальцами маловато), да и определение одновременно больше чем 5-7 нажатий накладывает серьезную нагрузку на контроллер тача.
Из плюсов такого экрана, кроме поддержки мультитача - возможность сделать OGS (One Glass Solution): защитное стекло экрана с интегрированной сеткой электродов и дисплей представляют из себя одно целое: в таком случае толщина оказывается наименьшей, и кажется, что вы пальцами касаетесь изображения. Это же приводит к проблеме хрупкости: при появлении трещины на стекле гарантированно рвется сетка электродов, и экран перестает реагировать на нажатия.
Это - основные типы сенсорных экранов, однако есть и многие другие. Начнем, пожалуй, с самого старого типа, с которого сенсорные экраны и начинались.
Инфракрасные экраны
Опять же принцип действия понятен из названия: по краям экрана расположено множество светоизлучателей и приемников в ИК-диапазоне. При нажатии палец перекрывает часть света, что и позволяет определить местоположение нажатия. Плюсами таких экранов на заре их появления было то, что ими можно было оснастить любой дисплей, что и было сделано с телевизором в 1982. Минусы также очевидны - толщина такой конструкции оказывается внушительной, а точность позиционирования - достаточно низкой.
Тензометрические экраны
Экраны, которые реагируют на нажатие (сильное нажатие). Огромный их плюс в том, что они максимально «антивандальные», поэтому их и применяют в различных банкоматах, стоящих на улице.
Индукционные экраны
Из названия опять же все понятно: внутри экрана есть катушка индуктивности и сетка проводов. При касании экрана специальным активным пером меняется напряженность созданного магнитного поля - с помощью этого и регистрируется нажатие. Самый главный плюс такого экрана - максимально возможная точность, поэтому они хорошо зарекомендовали себя в дорогих графических планшетах.
Оптические экраны
Принцип основан на полном внутреннем отражении: стекло подсвечивается инфракрасной подсветкой, и пока нажатия нет, на границе стекла и воздуха лучи света полностью отражаются (то есть нет преломленного луча). При нажатии на такой экран появляется преломленный луч, а по углу преломления (ну или отражения) можно высчитать точку нажатия.
Экраны на поверхностно-акустических волнах
Пожалуй, одни из самых сложно устроенных экранов. Принцип работы заключается в том, что в толще стекла создаются ультразвуковые колебания. При прикосновении к вибрирующему стеклу волны поглощаются, а специальные датчики по углам это регистрируют и высчитывают точку прикосновения:
Плюсом этой технологии является то, что прикасаться к экрану можно любым предметом, не обязательно токопроводящим и заземленным. Минус - экран боится любых загрязнений, так что использовать его, например, в дождь, будет невозможно.
DST экраны
Их принцип действия основан на пьезоэлектрическом эффекте - при деформации диэлектрика он поляризуется, а значит - возникает разность потенциалов - а ее уже можно посчитать. Из плюсов - очень быстрая скорость реакции и возможность работы при серьезно загрязненном экране. Минус - для определения местоположения пальца он должен постоянно двигаться.
Вот в общем-то и все типы сенсорных экранов. Конечно, большинство из них диковинные и вы вряд ли с ними столкнетесь, но само разнообразие и развитие этой технологии радует.
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.
