Принцип работы емкостного сенсора. Как работает сенсорный экран в телефоне – что это такое и чем отличается от дисплея

Нечасто мы задумываемся о том, как работает дисплей устройства лежащего у нас в руках. Но иногда бывают случаи, когда недавно купленный телефон или планшет отказывается реагировать на привычное цифровое перо от старого девайса. В этом случае, становится очевидным, что экран новинки собран по какой-то другой технологии. Тут уже вспоминается, что есть резистивные экраны и емкостные, последние из которых постепенно вытесняют первых.

Стоит заметить, что мало кто знает о различии между поверхностно- и проекционно-емкостными дисплеями. А ведь экраны почти всех современных планшетов, смартфонов с Android или iOS от Apple относятся именно к проекционно-емкостным, благодаря которым и возможна такая уже необходимая функция, как мультитач.

Поверхностно-емкостные экраны

Все емкостные скрины при работе используют тот факт, что все предметы, обладающие электрической емкостью, тело человека в том числе, хорошо проводят переменный ток.

Первые экземпляры емкостных тач-скринов работали на постоянном токе, что упрощало устройство электроники, аналого-цифрового преобразователя в частности, но загрязненность экрана или рук часто приводила к сбоям. Для постоянного тока даже ничтожное емкостное сопротивление является непреодолимой преградой.

Емкостные экраны так же, как и резистивные собраны в простейшем случае из LCD или AMOLED экрана, дающего изображение в самом низу и сенсорной активной панели поверху .

Активная часть поверхностно-емкостных экранов представляет собой кусок стекла, покрытый на одной стороне прозрачным, с высоким сопротивлением материалом. В качестве этого электропроводящего вещества применяется оксид индия или оксид олова.

По углам экрана расположены четыре электрода, через которые подается небольшое переменное напряжение, одинаковое со всех сторон. При касании поверхности экрана электропроводящим предметом или напрямую пальцем появляется утечка тока через тело человека. Протекание ничтожно малых токов регистрируется одновременно во всех четырех углах датчиками, а микропроцессор по разности величин токов определяет координаты места касания.

Поверхностно-емкостной экран всё ещё хрупок, так как его проводящее покрытие нанесено на внешнюю поверхность и ничем не защищено. Но не такой нежный, как резистивный, поскольку на его поверхности нет тонкой мягкой мембраны. Отсутствие мембраны улучшает прозрачность дисплея, и позволяет применять менее яркую и энергоэкономную подсветку.

Проекционно-ёмкостные экраны

Этот тип сенсорного экрана способен определять одновременно координаты двух и более точек прикосновения, то есть поддерживает функцию мультитач. Именно этого типа дисплеи устанавливаются на все современные мобильные устройства.

Работают они по схожему с поверхностно-емкостными экранами принципу, отличие заключается в том, что активный проводящий слой у них нанесен внутри, а не на внешней поверхности. Благодаря чему активная панель получается значительно более защищенной. Можно закрыть её стеклом толщиной вплоть до 18 мм, таким образом, сделав сенсорный экран крайне вандалоустойчивым.

При прикосновении к сенсорному экрану, между пальцем человека и одним из электродов за стеклом образуется небольшая ёмкость. Микроконтроллер прощупывает импульсным током, в каком именно месте на сетке электродов возросло напряжение из-за внезапно образовавшейся ёмкости. На стекающие капли воды экран не реагирует, так как такие проводящие помехи легко подавляются программным методом.

Общим недостатком для всех емкостных экранов является невозможность работать с ними любыми изолирующими предметами. Можно только специальным стилусом или голым пальцем. На удобное пластмассовое перо или руку в теплой перчатке они не среагируют.

Травление печатных плат Самодельный миниатюрный низковольтный паяльник Хитрый способ распайки плат

Человечество всегда любило делиться на группы: католики и протестанты, вегетарианцы и мясоеды, поклонники сенсорных экранов и те, кто не испытывает к ним особой тяги. К счастью, техно-гики вряд ли развяжут войну или крестовый поход против тех, кто не разделяет их точку зрения, несмотря на то, что армия приверженцев «пальцеориентированных» интерфейсов растет со скоростью развития самой технологии. Как же это все устроено?

Смартфоны и планшеты: как работает экран?

Первый сенсорный экран появился 40 лет назад в США. Сетка ИК-лучей, состоявшая из 16х16 блоков, была установлена в компьютерную систему Plato IV. Первый телевизор с сенсорным экраном показали на всемирной ярмарке 1982 года, спустя год презентовали первый персональный компьютер HP-150. В телефонах сенсорные экраны появились гораздо позже: в 2004 году на 3GSM Congress (так в то время называли выставку Mobile World Congress) компания Philips представила на суд журналистов три модели (Philips 550, 755 и 759). В то время операторы сотовой связи возлагали большие надежды на сервис MMS, поэтому основные функции сенсорного экрана сводились к развлекательным: для того чтобы сделать MMS более эмоциональными, разработчики предлагали пользователям обрабатывать фото с помощью стилуса – подписывать, пририсовывать детали – и только потом отправлять адресату.

Тогда же появилась возможность пользоваться виртуальной клавиатурой, но так как все модели обладали цифровой, а сенсорный экран значительно увеличивал стоимость устройств, про них на время забыли. Через год появился Fly X7 – полностью сенсорный бесклавиатурный моноблок, к сожалению, с рядом аппаратных недоработок, которые вкупе с тогдашней безызвестностью брэнда похоронили его среди ничем не примечательных моделей. И это были не единственные попытки создать что-то новое, однако несмотря на ряд предшественников, первыми полноценными «пальцеориентированными» моделями можно назвать лишь Apple iPhone, LG KE850 PRADA и линейку HTC Touch, появившуюся на рынке в 2007 году. Именно они положили начало эре сенсорных телефонов.

Строго говоря, сенсорный элемент экраном не является – это проводящая поверхность, которая работает в паре с экраном и позволяет вводить данные с помощью пальца или иного предмета.

Как экран распознает касание?

Существует множество типов сенсорных экранов, но мы остановимся только на тех, которые широко используются в мобильных устройствах: смартфонах и планшетах.

Резистивный дисплей состоит из гибкой пластиковой мембраны и стеклянной панели, пространство между которыми заполнено микроизоляторами, которые изолируют токопроводящую поверхность. Когда вы нажимаете на экран пальцем или стилусом, панель и мембрана замыкаются, а контроллер регистрирует изменение сопротивления, ориентируясь на которое умная электроника определяет координаты нажатия. Основные плюсы – дешевизна и простота изготовления, что позволяет снизить рыночную стоимость конечного устройства.

Также к несомненным преимуществам можно отнести то, что экран реагирует на любое нажатие – при работе с ним не обязательно использовать специальный токопроводящий стилус или палец, для этого вполне подойдет авторучка или любой другой предмет, которым вы сможете надавить на определенную точку экрана. Резистивный экран устойчив к загрязнениям. Ряд операций можно провести даже рукой в перчатке – например, ответить на звонок в холодное время года. Однако не обошлось и без недостатков. Резистивный экран легко царапается, поэтому его желательно закрывать специальной защитной пленкой, что в свою очередь не лучшим образом сказывается на качестве изображения. Более того, эти царапины имеют свойство увеличиваться в размерах.

Экран обладает невысокой прозрачностью – пропускает всего 85% света, исходящего от дисплея. При низких температурах экран «подмерзает» и хуже реагирует на нажатия, не очень долговечен (35 млн нажатий в одну точку). Предтечей резистивных экранов были матричные сенсорные, основу которых составляла сенсорная сетка: на стекло наносились горизонтальные проводники, на мембрану – вертикальные. При прикосновении к экрану направляющие замыкались и указывали координаты точки. Эта технология используется до сих пор, но в смартфонах ее уже практически не встретишь.

Схема резистивного экрана

Технология емкостных экранов основана на том, что человек обладает большой электрической емкостью и способен проводить ток. Для того чтобы все работало, на экран наносится тонкий токопроводящий слой, а к каждому из четырех углов подводится слабый переменный ток небольшой величины. При прикосновении к экрану происходит утечка точка, которая зависит от того, насколько далеко от угла дисплея произошло касание. По этой величине и определяются координаты точки. Такие экраны более устойчивы к царапинам, не пропускают жидкость, более долговечны (около 200 млн нажатий) и прозрачны по сравнению с резистивными, к тому же, реагируют на легчайшие прикосновения. Однако у этого есть и свои минусы – во время разговора можно неловко задеть телефоном ухом и запросто запустить какое-нибудь приложение, рукой в перчатке на звонок не ответишь – электропроводимость не та. Более высокая стоимость экрана, разумеется, сказывается на цене устройства.

Схема емкостного экрана

Как работает мой "айфон"?

К более продвинутым разновидностям емкостных экранов относятся проекционно-емкостные. На внутреннюю поверхность стекла наносится электрод, в качестве второго электрода выступает человек. При прикосновении к экрану образуется конденсатор, измеряя емкость которого можно определить координаты нажатия. Так как электрод нанесен на внутреннюю поверхность экрана, тот весьма устойчив к загрязнениям; слой стекла может достигать 18 мм, что позволяет значительно повысить срок жизни дисплея и устойчивость к механическим повреждениям.

Одна из самых интересных фишек проекционно-емкостных экранов – поддержка технологии мультитач. Также они обладают большой чувствительностью и имеют относительно широкий температурный диапазон работы, но с рукой в перчатке взаимодействуют по-прежнему не очень. Казалось бы, это может смутить потенциальных покупателей, однако несколько лет назад кто-то из предприимчивых корейских фанатов iPhone догадался использовать в качестве стилуса обыкновенную сосиску, электропроводимость которой позволяла ответить на звонок. Неоднозначный тренд вызвал бурю восторга на форумах и привлек внимание производителей аксессуаров, которые запустили в продажу специальный стилус-сосиску. Перед обычной сосиской у него есть как минимум один плюс – он не оставляет жирных следов на экране девайса.

Схема проекционно-емкостного экрана

Вне зависимости от технологии работы экрана, у него есть ряд типичных характеристик. Помимо разрешения, к основным характеристикам экрана можно отнести угол обзора и цветопередачу, которая зависит от типа дисплея. Понятие цветопередачи неразрывно связано с «глубиной цвета» - термином, обозначающим объем памяти в количестве бит, используемых для хранения и передачи цвета. Чем больше бит, тем глубже цвета. Современные LCD-дисплеи в смартфонах и планшетах отображают 18-битный цвет (более 262 тысяч оттенков). Максимально возможным на данный момент является 24-битный TrueColor, который способен воспроизвести более 16 млн оттенков в AMOLED и IPS-матрицах.

Угол обзора, как и любой угол, измеряется в градусах и характеризует величину, при которой яркость и читаемость экрана падает не больше, чем в два раза, если смотреть на него прямо перпендикулярно. Этой характеристикой обладают LCD-дисплеи, но не OLED.

Сравнение медиаплееров: плюсы и минусы

Модель	Тип экрана	Недостатки	Достоинтсва
	Проекционно-емкостный	Не управляется при помощи стилуса	Поддержка multitouch
	AMOLED	Сильно бликует на солнце
		Неравномерная подсветка	Достоверная цветопередача Большие углы обзора Низкий уровень энергопотребления
	TFT TN	Плохая цветопередача Малый угол обзора	Быстрый отклик Низкая стоимость
	IPS	Время отклика	Хорошие углы обзора Хорошая контрастность Хорошая цветопередача

ZOOM.CNews

Типы экранов смартфонов и планшетов

На данный момент при производстве смартфонов и планшетов, как правило, используются либо LCD, либо OLED-дисплеи.

В основе LCD-экранов лежат жидкие кристаллы, которые не обладают собственным свечением, поэтому в ультимативном порядке требуют лампу задней подсветки. Под внешним воздействием (температурным или электрическим) кристаллы могут изменять структуру и становиться непрозрачными. Управляя током, на дисплее можно создавать надписи или картинки.

Схема ЖК-пикселя

Дисплеи на жидких кристаллах, используемые в смартфонах и планшетах, в большинстве своем имеют активную матрицу (TFT). В TFT-матрицах используются прозрачные тонкопленочные транзисторы, которые располагаются прямо под поверхностью экрана. За каждую точку изображения отвечает отдельный транзистор, поэтому картинка обновляется быстро и непринужденно.

С появлением LCD TFT-матриц время отклика дисплея значительно повысилось, но остались проблемы с цветопередачей, углами обзора и битыми пикселями.

Схема ЖК-пикселя

Самые распространенные TFT-матрицы - TN+film и IPS. TN+film – самая простая технология. Film – это дополнительный слой, который применяют для увеличения угла обзора. Из плюсов таких матриц – маленькое время отклика и невысокая себестоимость, минусы – плохая цветопередача и, увы, углы обзора (120-140 градусов). В IPS-матрицах (In-Plane-Switchin) удалось увеличить угол обзора до 178 градусов, повысить контрастность и цветопередачу до 24 бит и добиться глубокого черного цвета: в этой матрице второй фильтр всегда перпендикулярен первому, поэтому свет через него не проходит. Но время отклика по-прежнему осталось на низком уровне. Super-IPS является прямым наследником IPS с уменьшенным временем отклика.

PLS-матрица (Plain-to-Line Switchin) появилась в недрах компании Samsung как альтернатива IPS. К ее достоинствам можно отнести более высокую плотность пикселей, чем у IPS, высокую яркость и хорошую цветопередачу, низкое энергопотребление, большие углы обзора. Время отклика сравнимо с Super-IPS. Среди недостатков – неравномерная подсветка. Следующее поколение, Super-PLS, обскакало IPS в углах обзора на 100% и на 10% по показателям контрастности. Также эти матрицы оказались дешевле в производстве на целых 15%.

При производстве OLED-дисплеев используют органические светодиоды, которые под воздействием электричества испускают собственное свечение. По сравнению с LCD-дисплеями, у OLED – множество плюсов. Во-первых, они не используют дополнительную подсветку, а значит, аккумулятор смартфона разряжается не так быстро, как в случае с LCD. Во-вторых, OLED-дисплеи тоньше. От этой характеристики напрямую зависит толщина и дизайн девайса. К тому же, OLED-дисплеи могут быть гибкими, что предвещает отличные перспективы развития. У OLED отсутствует такой параметр как «угол обзора» - изображение хорошо просматривается с любого угла. По яркости и контрастности (1000000:1) OLED также лидирует.

Его хвалят за живые и насыщенные цвета и отдельно – за глубокий черный. Но есть, конечно, и минусы. Одним из основных можно назвать недолговечность: органические соединения неустойчивы к окружающей среде и имеют обыкновение выгорать, причем, одни цвета спектра страдают больше, чем другие. Хотя если вы меняете телефон раз в три года, вряд ли это станет аргументов против покупки. К тому же, до сих пор изготовление OLED обходится дороже, чем LCD.

Схема OLED

OLED-экраны второго поколения тоже в большинстве своем имеют активную матрицу TFT. Называются они AMOLED. Главное преимущество – еще более низкое энергопотребление, недостатки – нечитаемость картинки при ярком солнечном свете.

Схема AMOLED

Следующим шагов в развитии технологии стали SuperAMOLED-экраны, которые впервые начала использовать Samsung. Принципиальное их отличие от AMOLED состоит в том, что пленки с активными транзисторами (TFT) интегрированы в пленку из полупроводников. Это дает прирост яркости на 20%, снижение электропотребления на 20% и повышение читаемости на солнечном свете на целых 80%!

Схема SUPERAMOLED

Не стоит путать экраны, произведенные по технологии OLED, с экранами с LED-подсветкой – это совсем разные вещи. В последнем случае обычный ЖК-дисплей получает заднюю или боковую светодиодную подсветку, которая, конечно, улучшает качество изображения, но до AMOLED или SuperAMOLED все равно не дотягивает.

Что нас ждет в будущем?

На данный момент самые ясные и предсказуемые перспективы ожидают OLED-экраны. Уже сейчас в Сети можно найти информацию о технологии ближайшего будущего QLED – светодиодах на основе квантовых точек (полупроводниковый нанокристалл, который светится, когда подвергается воздействию тока или света). Сильными сторонами этой технологии являются высокая яркость, невысокая стоимость производства, широкий диапазон цветов, низкое энергопотребление. Квантовые точки, которые лежат в основе новой технологии, имеют еще одно важное свойство – они способны излучать спектрально чистые цвета. Уже сейчас этой технологии предрекают блестящее будущее. В Samsung уже разработали полноцветный 4-дюймовый QLED-дисплей, но в серийное производство новинку запускать пока не торопятся.

Прототип QLED-дисплея

Зато в Samsung подтвердили, что уже в этом году начнется серийное производство гибких OLED-дисплеев. Вероятно, первыми устройствами станут смартфоны и планшеты. Малая толщина экрана и физические свойства панели позволят существенно увеличить полезную площадь экрана и развяжут руки техно-дизайнерам.

В качестве другой перспективной технологии можно назвать IGZO, которой занимается компания Sharp. В ее основе лежат исследования профессора Хидео Хосоно, который решил присмотреться к альтернативным полупроводникам и в результате разработал технологию TAOS (Transparent Amorphous Oxide Semiconductors) - прозрачные аморфные оксидные полупроводники, которые содержат окислы индия, галлия и цинка (InGaZnO), сокращенно - IGZO. Отличия смеси от аморфного кремния, который использовался при производстве TFT, позволяет существенно снизить время отклика, значительно повысить разрешение экрана, сделать его ярче и контрастнее. Компания Apple весьма заинтересовалась перспективами этой технологии и вложила в производство дисплеев IGZO миллиард долларов.

В наше время ни у кого не возникает сомнений в том, что сенсорный экран на вашем телефоне - штука удобная. Такие дисплеи используются для создания множества устройств - планшетов, мобильных телефонов, ридеров, справочных устройств и кучи другой периферии. Сенсорный экран позволяет заменить многочисленные механические кнопки, и это очень удобно, поскольку в этом случае они объединяют и дисплей, и высококачественное устройство ввода. Уровень надежности устройств значительно повышается, ведь механические части отсутствуют. В настоящее время сенсорные экраны принято подразделять на несколько видов: резистивные (бывают четырех-, пяти-, восьмипроводными), проекционно-емкостные, матрично-емкостные, оптические и тензометрические. Кроме того, дисплеи могут создаваться на основе поверхностно-акустических волн либо инфракрасных лучей. Насчитывается уже несколько десятков запатентованных технологий. В наше время чаще всего используются емкостные и резистивные экраны. Их и рассмотрим подробнее.

Резистивный экран.

Самый простой вид – это четырехпроводной, который состоит из специальной стеклянной панели, а также пластиковой мембраны. Пространство между стеклом и пластиковой мембраной обязательно должно заполняться микроизоляторами, которые могут надежно изолировать токопроводящие поверхности друг от друга. По всей поверхности слоев установлены электроды, являющиеся тонкими пластинками, сделанными из металла. В заднем слое электроды находятся в вертикальном положении, а в переднем слое – в горизонтальном для того, чтобы могло производиться вычисление координат. Если на дисплей нажать, то панель и мембрана автоматически замкнутся, а специальный датчик будет воспринимать нажатие, преобразовывая его в сигнал. Наиболее усовершенствованным видом считаются восьмипроводные дисплеи, которые отличаются высоким уровнем точности. Однако данные экраны отличаются низким уровнем надежности и недолговечностью. Если же важно, чтобы дисплей был надежным, необходимо остановить выбор на пятипроводном его виде.

1 - стеклянная панель, 2 - резистивное покрытие, 3 - микроизоляторы, 4 - пленка с проводящим покрытием

Матричные экраны.

Конструкция похожа на резистивный дисплей, хотя она и была упрощена. На мембрану специально нанесли вертикальные проводники, а на стекло – горизонтальные. Если нажать на дисплей, то проводники обязательно соприкоснутся, замкнутся крест-накрест. Процессор может отследить, какие проводники замкнулись, и это помогает обнаружить координаты нажатия. Матричные экраны нельзя назвать высокоточными, поэтому их уже продолжительное время не используют.

Емкостные экраны.

Конструкция емкостных экранов является достаточно сложной, и основана она на том, что тело человека и дисплей вместе образуют конденсатор, проводящий переменный ток. Подобные экраны выполняются в виде стеклянной панели, которую покрывают резистивным материалом для того, чтобы электрический контакт не затруднялся. Электроды располагаются по четырем углам дисплея, и на них подано переменное напряжение. Если же коснуться поверхности дисплея, то будет происходить утечка переменного тока через вышеупомянутый \"конденсатор\". Это регистрируется датчиками, после чего информацию обрабатывает микропроцессор устройства. Емкостные дисплеи могут выдержать до 200 миллионов нажатий, они отличаются средним уровнем точности, но, увы, они боятся любого влияния жидкостей.

Проекционно-емкостные экраны.

Проекционно-емкостные экраны могут, в отличие от предыдущих рассмотренных типов, способны определить сразу несколько нажатий. На внутренней стороне всегда есть специальная сетка элетродов, и во время соприкосновения с ними обязательно будет образован конденсатор. В данном месте будет изменена электрическая емкость. Контроллер сможет определить точку, в которой пересеклись электроды. Затем происходят вычисления. Если сразу нажать экран в нескольких местах, то будет образован не один конденсатор, а несколько.

Экран с сеткой инфракрасных лучей.

Принцип работы подобных дисплеев является простым, и он в какой-то степени похож на матричный. В этом случае проводники заменяют специальными инфракрасными лучами. Вокруг данного экрана проходит рамка, в которой есть встроенные излучатели, а также приемники. Если нажать на экран, то некоторые лучи будут перекрываться, и они не могут достигнуть собственного пункта назначения, а именно приемника. В итоге контроллер вычисляет место контакта. Подобные экраны могут пропускать свет, они долговечны, поскольку чувствительного покрытия нет и механического касания не происходит вообще. Однако такие дисплеи в настоящий момент не отвечают высокой точности и боятся любых загрязнения. Зато время диагональ рамки такого дисплея может достигать 150 дюймов.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах.

Данный дисплей всегда выполняется в виде стеклянной панели, в которую встроены пьезоэлектрические преобразователи, расположенные по разным углам. По периметру также находятся отражающие, приемные датчики. Контроллер отвечает за формирование сигналов, частота которых является высокой. После этого сигналы всегда посылаются на пьезоэлектрические преобразователя, которые могут преобразовывать поступившие сигналы в акустические колебания, отражающиеся впоследствии от отражающих датчиков. Затем волны могут улавливаться приемниками, повторно посылаться на пьезоэлектрические преобразователи, после чего превращаются в электрический сигнал. Если нажать на дисплей, то энергия акустических волн будет частично поглощена. Приемники отличаются восприимчивостью к подобным изменениям, а процессор может вычислить точки касания. Основным преимуществом является то, что сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах отслеживают координаты точки нажатия, силу нажатия. Дисплеи данного вида отличаются долговечностью, ведь они могут выдержать 50 миллионов касаний. Чаще всего их используют для игровых автоматов, справочных системах. Следует учитывать то, что работа такого дисплея может быть неточной в условии окружающих шумов, вибрации, акустического загрязнения.

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:

1. На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
2. 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:

1. На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
2. 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

Сегодня уже никого не удивить телефоном с сенсорным экраном. Ручное управление вошло в моду, но мало кто задумывается о том, что же происходит, когда вы прикасаетесь к дисплею. Я расскажу, как работают наиболее распространенные типы сенсорных экранов. Удобство и продуктивность работы с цифровой техникой зависят в первую очередь от используемых устройств ввода информации, при помощи которых человек управляет оборудованием и осуществляет загрузку данных. Наиболее массовым и универсальным инструментом является клавиатура, получившая в настоящее время повсеместное распространение. Однако использовать ее удобно далеко не всегда. Например, габариты мобильных телефонов не позволяют установить крупные клавиши, в результате чего скорость ввода информации снижается. Эта проблема решилась за счет применения сенсорных экранов. Всего за несколько лет они произвели на рынке настоящую революцию и стали внедряться повсюду - от мобильных телефонов и электронных книг до мониторов и принтеров.

Начало сенсорного бума

Покупая новый смартфон , на корпусе которого нет ни одной кнопки или джойстика, вы вряд ли задумываетесь о том, как будете им управлять. С точки зрения пользователя в этом нет ничего сложного: достаточно прикоснуться пальцем к иконке на экране, что приведет к выполнению какого-либо действия - открытию окна ввода телефонного номера, SMS или адресной книги. А между тем 20 лет назад о таких возможностях можно было только мечтать.

Сенсорный экран был изобретен в США во второй половине 60-х годов прошлого века, но до начала 90-х применялся преимущественно в медицинском и промышленном оборудовании для замены традиционных устройств ввода, использование которых сопряжено с трудностями при определенных условиях эксплуатации. По мере уменьшения размера компьютеров и появления КПК встал вопрос о совершенствовании их систем управления. В 1998 году появился первый наладонник с сенсорным экраном и системой ввода и распознавания рукописного текста Apple Newton MessagePad , а вскоре и коммуникаторы с тачскринами.

В 2006 году практически все крупные производители приступили к выпуску смартфонов с сенсорными экранами, а после появления Apple iPhone в 2007 году начался настоящий сенсорный бум - дисплеи такого типа появились в принтерах, электронных книгах, различных видах компьютеров и т. д. Что же происходит, когда вы дотрагиваетесь до сенсорного экрана, и каким образом устройство «узнает», куда именно вы нажали?

Принцип работы резистивного сенсорного экрана

За 40-летнюю историю развития сенсорных экранов было разработано несколько типов этих устройств ввода, основанных на различных физических принципах, которые используются для определения места касания. В настоящее время наибольшее распространение получили два типа дисплеев - резистивные и емкостные. Помимо этого различают экраны, способные регистрировать одновременно несколько нажатий (Multitouch ) или только одно.

Экраны, выполненные по резистивной технологии, состоят из двух основных частей - гибкого верхнего и жесткого нижнего слоев. В качестве первого могут использоваться различные пластиковые или полиэфирные пленки, а второй изготавливается из стекла. На внутренние стороны обеих поверхностей нанесены слои гибкой мембраны и резистивного (обладающего электрическим сопротивлением) материала, проводящего электрический ток. Пространство между ними заполнено диэлектриком.

По краям каждого слоя установлены тонкие металлические пластинки - электроды. В заднем слое с резистивным материалом они расположены вертикально, а в переднем - горизонтально. В первом случае на них подается постоянное напряжение, и от одного электрода к другому протекает электрический ток. При этом возникает падение напряжения, пропорциональное длине участка экрана.

При касании сенсорного экрана передний слой прогибается и взаимодействует с задним, что позволяет контроллеру определить напряжение на нем и вычислить с его помощью координаты точки касания по горизонтали (оси X). Для уменьшения влияния сопротивления переднего резистивного слоя расположенные в нем электроды заземляются. Затем проделывается обратная операция: напряжение подается на электроды переднего слоя, а расположенные в заднем слое заземляются - так удается вычислить координату точки касания по вертикали (оси Y). Таков принцип работы четырехпроводного (названного так по количеству электродов) резистивного сенсорного экрана.

Помимо четырехпроводных встречаются также пяти- и восьмипроводные сенсорные экраны. Последние обладают аналогичным принципом работы, но более высокой точностью позиционирования .

Принцип работы и устройство пятипроводных резистивных сенсорных экранов несколько отличаются от описанного выше. Слой переднего резистивного покрытия в них заменен проводящим слоем и используется исключительно для считывания значения напряжения на заднем резистивном слое. В него встроено четыре электрода по углам экрана, пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя. Изначально все четыре электрода заднего слоя находятся под напряжением, а на переднем слое оно равно нулю. Как только происходит касание такого сенсорного экрана, верхний и нижний слои соединяются в определенной точке, и контроллер улавливает изменение напряжения на переднем слое. Так он определяет, что до экрана дотронулись. Далее два электрода в заднем слое заземляются, вычисляется координата точки касания по оси X, а затем заземляются два других электрода, и вычисляется координата точки касания по оси Y.

Принцип работы емкостного сенсорного экрана

В основе принципа работы емкостных сенсорных экранов лежит свойство человеческого тела проводить электрический ток, что указывает на наличие электрической емкости. В простейшем случае такой экран состоит из прочной стеклянной подложки, на которую наносится слой резистивного материала. По его углам размещаются четыре электрода. Сверху резистивный материал укрывается токопроводяшей пленкой.

На все четыре электрода подается небольшое переменное напряжение. В момент прикосновения человека к экрану электрический заряд перетекает по коже на тело, при этом возникает электрический ток. Его значение пропорционально расстоянию от электрода (угла панели) до точки касания. Контроллер замеряет силу тока по всем четырем электродам и на основе этих значений вычисляет координаты точки касания.

Точность позиционирования емкостных экранов почти такая же, как у резистивных. При этом они пропускают больше света (до 90%), испускаемого отображающим устройством. А отсутствие подвергающихся деформации элементов делает их более надежными: емкостный экран выдерживает более 200 млн нажатий в одной точке и может работать при низких температурах (до -15 °С). Однако переднее проводящее покрытие, используемое для определения координат, чувствительно к влаге, механическим повреждениям и проводящим ток загрязнениям. Емкостные экраны срабатывают только при касании их проводящим предметом (рукой без перчатки или специальным стилусом). Выполненные по классической технологии экраны такого типа также не способны отслеживать одновременно несколько нажатий.

Такой возможностью обладает проекционно-емкостный сенсорный экран, который используется в телефонах iPhone и аналогичных устройствах. Он имеет более сложное строение по сравнению с обычными емкостными экранами. На подложку из стекла наносится два слоя электродов, разделенные диэлектриком и формирующие решетку (электроды в нижнем слое расположены вертикально, а в верхнем - горизонтально). Сетка электродов вместе с телом человека образует конденсатор. В месте касания пальцем происходит изменение его емкости, контроллер улавливает это изменение, определяет, на каком пересечении электродов оно произошло, и вычисляет по этим данным координату точки касания.

Такие экраны также имеют высокую прозрачность и способны работать при еще более низких температурах (до -40 °С). Проводящие электрический ток загрязнения влияют на них в меньшей степени, они реагируют на руку в перчатке. Высокая чувствительность позволяет использовать для защиты таких экранов толстый слой стекла (до 18 мм).

Принцип работы четырехпроводного резистивного сенсорного экрана

1. Верхний резистивный слой прогибается и соприкасается с нижним.
2. Контроллер определяет напряжение в точке касания на нижнем слое и вычисляет координату точки касания по оси X.
3. Контроллер определяет напряжение в точке касания на верхнем слое и определяет координату точки касания по оси Y.

Принцип работы пятипроводного резистивного сенсорного экрана

1. До экрана дотрагиваются любым твердым предметом.
2. Верхний проводящий слой прогибается и соприкасается с нижним, что указывает на прикосновение к экрану.
3. Два из четырех электродов нижнего слоя заземляются, контроллер опреде ляет напряжение в точке касания и вычисляет координату точки по оси X.
4. Заземляются другие два электрода, контроллер определяет напряжение в точке касания и вычисляет координату точки по оси Y.

Преимущества

• Низкая стоимость
• Высокая стойкость к загрязнениям
• Можно прикасаться любым твердым предметом

Недостатки

• Низкая долговечность (1 млн нажатий в одной точке для четырехпроводного, 35 млн нажатий для пятипроводного) и вандало-устойчивость
• Низкое светопропускание (не более 85%)
• Не поддерживают Multitouch

Примеры устройств

• Телефоны (например, Nokia 5800, НТС Touch Diamond), КПК, компьютеры (например, MSI Wind Top АЕ1900), промышленное и медицинское оборудование.

Принцип работы

1. До экрана дотрагиваются проводящим ток предметом (пальцем, специальным стилусом).
2. Ток перетекает с экрана на предмет.
3. Контроллер измеряет силу тока по углам экрана и определяет координаты точки касания.

Преимущества

• Высокая долговечность (до 200 млн нажатий), возможность работы при низких температурах (до -15 °С)

Недостатки

• Восприимчивы к воздействию влаги, токопроводящих загрязнений
• Не поддерживают Multitouch

Примеры устройств

• Телефоны, тачпады (например, в плеере iRiver ВЗО), КПК, банкоматы, киоски.

Принцип работы

1. Экрана касаются или подносят к нему на близкое расстояние проводящий ток предмет, образующий вместе с ним конденсатор.
2. В месте касания изменяется электрическая емкость.
3. Контроллер регистрирует изменение и определяет, на каком пересечении электродов оно произошло. На основании этих данных вычисляются координаты точки касания.

Преимущества

• Высокая долговечность (до 200 млн нажатий), возможность работы при низких температурах (до -40 °С)
• Высокая вандалоустойчивость (экран можно покрыть слоем стекла толщиной до 18 мм)
• Высокое светопропускание (более 90%)
• Поддерживают Multitouch

Недостатки

• Реагируют на прикосновение только токопроводящего предмета (пальца, специального стилуса)

Примеры устройств

• Телефоны (например, iPhone), тачпады, экраны ноутбуков и компьютеров (например, HP TouchSmart tx2) электронные киоски, банкоматы, платежные терминалы.

Windows 7

В появилась возможность управления компью тером с помощью жестов «Прокрутка», «Вперед/назад», «Поворот» и «Масштабирование». Операционная система Windows 7 намного лучше адаптирована для работы с сенсорными дисплеями, чем все предыдущие версии. 06 этом свидетельствуют видоизмененный интерфейс и панель задач, в которой на месте прямоугольных кнопок, символизирующих запущенные программы, появились квадратные иконки - на них намного удобнее нажимать пальцем. Кроме того, появилась новая функция - списки переходов, позволяющие быстро найти недавно открывавшиеся файлы или часто запускаемые элементы. Для активации этой возможности достаточно перетащить иконку программы на Рабочий стол.

Впервые в операционную систему Windows добавлена опция распознавания сенсорных жестов, к которым привязано выполнение отдельных функций. Так, в Windows 7 появились сенсорная прокрутка и такая же, как, например, в Apple iPhone, возможность увеличения картинок или документов движением двух пальцев рук в разные стороны. Не обошлось и без движения, отвечающего за поворот изображения. Таким операциям, как копирование, удаление и вставка, также можно назначить отдельные жесты. Кнопки экранной клавиатуры подсвечиваются при касании, что облегчает ее использование на сенсорном экране. А возможность распознавания рукописного текста позволяет быстро вводить небольшие сообщения.