Емкостный сенсорный ввод. Емкостной и резистивный сенсорные экраны

20.07.2016 14.10.2016 by Почемучка

История создания сенсорного экрана.

Сегодня сенсорным дисплеем, а вернее экраном с возможностью введения информации посредством касания, никого не удивишь. Практически все современные смартфоны, планшетные ПК, некоторые электронные книги и другие современные гаджеты оснащены подобными устройствами. Какова же история этого чудесного устройства ввода информации?

Считается, что родителем первого в мире сенсорного устройства является американский преподаватель университета штата Кентукки, Сэмуэль Херст. В 1970 году он столкнулся с проблемой считывания информации с огромного количества лент самописцев. Его идея автоматизации этого процесса стала толчком к созданию первой в мире компании по производству сенсорных экранов – Elotouch. Первая разработка Херста и его единомышленников носила название Elograph. Она увидела свет в 1971 году и использовала четырех проводной резистивный метод определения координат точки касания.

Первой же компьютеризированным устройством с сенсорным дисплеем была система PLATO IV, появившаяся на свет в 1972 году благодаря исследованиям, проходившим в рамках компьютерного обучения в США. Она имела сенсорную панель, состоящую из 256 блоков (16×16), и работающую при помощи сетки инфракрасных лучей.

В 1974 году снова дал о себе знать Сэмюэль Херст. Образованная им компания Elographics выпустила прозрачную сенсорную панель, а еще через три года в 1977 ими была разработана пяти проводная резистивная панель. Спустя несколько лет компания объединяется с крупнейшим производителем электроники Siemens и в 1982 году они совместно выпускают первый в мире телевизор, оборудованный сенсорным экраном.

В 1983 году производитель компьютерной техники компания Hewlett-Packard выпускает компьютер HP-150, оборудованный сенсорным дисплеем, работающим по принципу инфракрасной сетки.

Первым мобильным телефоном с сенсорным устройством для ввода информации была модель Alcatel One Touch COM, выпущенная в 1998 году. Именно она стала прообразом современных смартфонов, хотя и имела по сегодняшним меркам весьма скромные возможности – небольшой монохромный дисплей. Еще одной попыткой смартфона с сенсорным экраном стала модель Ericsson R380. Она также имела монохромный дисплей и была весьма ограничена в своих возможностях.

Сенсорный экран в современном виде предстал в 2002 году в модели Qtek 1010/02 XDA, выпущенной компанией HTC. Это был полноцветный дисплей с достаточно хорошей разрешающей способностью, поддерживающий 4096 цветов. Он использовал резистивную технологию определения координат касания. На более высокий уровень сенсорные экраны вывела компания Apple. Именно благодаря ее IPhone, устройства с сенсорными дисплеями получили невероятную популярность, а их разработка Multitouch (определение касания двумя пальцами) существенно упрощала ввод информации.

Однако появление сенсорных экранов стало не только удобным новшеством, но и повлекло за собой некоторые неудобства. Электронные устройства, оснащенные сенсором, более чувствительны к неаккуратному обращению, поэтому и ломаются чаще. Ломаются даже экраны в Iphone. Благо, что заменить их может даже неквалифицированный специалист.

Как устроен сенсорный экран.

Такая диковинка как сенсорный экран – дисплей с возможностью ввода информации простым нажатием на его поверхность при помощи специального стилуса или просто пальца, давно уже перестал вызывать удивление у пользователей современных электронных гаджетов. Давайте попробуем разобраться, как же он работает.

На самом деле видов сенсорных экранов существует достаточно большое количество. Друг от друга они отличаются принципами, заложенными в их работе. Сейчас на рынке современной высокотехнологичной электроники используются в основном резистивные и емкостные сенсоры. Однако существуют также матричные, проекционно-емкостные, использующие поверхностно-акустические волны, инфракрасные и оптические. Особенность двух первых, самых распространенных в том, что сам сенсор отделен от дисплея, поэтому при поломке его с легкостью может заменить даже начинающий электромастер. Вам останется лишь купить тачскрин для сотового или любого другого электронного устройства.

Резистивный сенсорный экран состоит из гибкой пластиковой мембраны, на которую собственно мы и нажимаем пальцем, и стеклянной панели. На внутренние поверхности двух панелей нанесен резистивный материал, по сути, являющийся проводником. Между мембраной и стеклом равномерно расположен микроизолятор. Когда мы нажимаем на одну из областей сенсора, в этом месте замыкаются проводящие слои мембраны и стеклянной панели и происходит электрический контакт. Электронная схема-контроллер сенсора преобразует сигнал от нажатия в конкретные координаты на области дисплея и передает их в схему управления самим электронным устройством. Определение координат, а вернее ее алгоритм, очень сложен и основан на последовательном вычислении сначала вертикальной, а потом горизонтальной координаты контакта.

Резистивные сенсорные экраны достаточно надежны, поскольку нормально функционируют даже при загрязнении активной верхней панели. К тому же они, ввиду своей простоты более дешевы в производстве. Однако у них есть и недостатки. Одним из основных является низкая светопропускная способность сенсора. То есть поскольку сенсор наклеен на дисплей, изображение получается не таким ярким и контрастным.

Емкостный сенсорный экран. В основу его работы заложен тот факт, что любой предмет, имеющий электрическую емкость, в данном случае палец пользователя, проводит переменный электрический ток. Сам сенсор представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным веществом, которое образует проводящий слой. На этот слой при помощи электродов подается переменный ток. Как только палец или стилус касается одной из областей сенсора, в этом месте происходит утечка тока. Его сила зависит от того на сколько близко к краю сенсора произведен контакт. Специальный контроллер измеряет ток утечки и по его значению вычисляет координаты контакта.

Емкостный сенсор также как и резистивный не боится загрязнений, к тому же ему не страшна жидкость. Однако по сравнению с предыдущим он имеет более высокую прозрачность, что делает изображение на дисплее более четким и ярким. Недостаток емкостного сенсора происходит из его конструктивных особенностей. Дело в том, что активная часть сенсора, по сути, находится на самой поверхности, поэтому подвержена износу и повреждениям.

Теперь поговорим о принципах работы менее популярных на сегодняшний день сенсоров.

Матричные сенсоры работают по принципу резистивных, однако отличаются от первых максимально упрощенной конструкцией. На мембрану наносятся вертикальные проводящие полосы, на стекло – горизонтальные. Или наоборот. При давлении на определенную область, замыкаются две проводящие полосы и контроллеру достаточно легко вычислить координаты контакта.

Недостаток такой технологии виден невооруженным глазом – очень низкая точность, а следовательно и невозможность обеспечить высокую дискретность сенсора. Из-за этого некоторые элементы изображения могут не совпадать с расположением полос проводника, а следовательно нажатие на эту область может либо вызвать неправильное исполнение нужной функции либо вообще не сработать. Единственным достоинством этого типа сенсоров является их дешевизна, которая собственно говоря, и выплывает из простоты. Кроме этого матричные сенсоры не прихотливы в использовании.

Проекционно-емкостные сенсорные экраны являются как бы разновидностью емкостных, однако работают немного по-другому. На внутреннюю сторону экрана наносится сетка электродов. При касании пальцем между соответствующим электродом и телом человека возникает электрическая система – эквивалент конденсатора. Контроллер сенсора подает импульс микротока и измеряет емкость образовавшегося конденсатора. В результате того что в момент касания одновременно задействованы несколько электродов, контроллеру достаточно просто вычислить точное место касания (по самой большой емкости).

Основные достоинства проекционно-емкостных сенсоров – это большая прозрачность всего дисплея (до 90 %), чрезвычайно широкий диапазон рабочих температур и долговечность. При использовании такого типа сенсора несущее стекло может достигать толщины 18 мм, что дает возможность делать ударопрочные дисплеи. К тому же сенсор устойчив к непроводящему загрязнению.

Сенсоры на поверхностно-акустических волнах – волнах, распространяющихся на поверхности твердого тела. Сенсор представляет собой стеклянную панель, по углам которой расположены пьезоэлектрические преобразователи. Суть работы такого сенсора в следующем. Пьезоэлектрические датчики генерируют и принимают акустические волны, которые распространяются между датчиками по поверхности дисплея. Если касания нет – электрический сигнал преобразуется в волны, а потом обратно в электрический сигнал. Если произошло касание часть энергии акустической волны поглотится пальцем, а следовательно не дойдет до датчика. Контроллер проанализирует полученный сигнал и посредством алгоритма вычислит место касания.

Достоинства таких сенсоров в том, что используя специальный алгоритм можно определять не только координаты касания, но и силу нажатия – дополнительная информационная составляющая. К тому же конечное устройство отображения (дисплей) имеет очень высокую прозрачность, поскольку на пути света нет полупрозрачных проводящих электродов. Однако сенсоры имеют и ряд недостатков. Во-первых, это очень сложная конструкция, а во-вторых – точности определения координат очень сильно мешают вибрации.

Инфракрасные сенсорные экраны. Принцип их работы основан на использовании координатной сетки из инфракрасных лучей (излучатели и приемники света). Примерно тоже, что и в банковских хранилищах из художественных фильмов про шпионов и грабителей. При касании в определенной точке сенсора прерывается часть лучей, а контроллер по данным от оптических приемников определяет координаты контакта.

Основной недостаток таких сенсоров – очень критичное отношение к чистоте поверхности. Любое загрязнение может привести к полной его неработоспособности. Хотя из-за простоты конструкции этот тип сенсора используется в военных целях, и даже в некоторых мобильных телефонах.

Оптические сенсорные экраны являются логическим продолжением предыдущих. Инфракрасный свет используется в качестве информационной подсветки. Если на поверхности нет сторонних предметов – свет отражается и попадает в фотоприемник. Если произошло касание – часть лучей поглощается, а контроллер определяет координаты контакта.

Недостатком технологии является сложность конструкции в виду необходимости использования дополнительного светочувствительного слоя дисплея. К достоинствам можно отнести возможность достаточно точного определения материала, с помощью которого произведено касание.

Тензометрические и сенсорные экраны DST работают по принципу деформацииповерхностного слоя. Их точность достаточно низкая, но они прекрасно выдерживают механические воздействия, поэтому применяются в банкоматах, билетных автоматах и прочих публичных электронных устройствах.

Индукционные экраны основаны на принципе формирования электромагнитного поля под верхней частью сенсора. При касании специальным пером, меняется характеристика поля, а контроллер в свою очередь вычисляет точные координаты контакта. Применяются в художественных планшетных ПК самого высокого класса, поскольку обеспечивают большую точность определения координат.

Сенсорный экран – это устройство ввода и вывода информации посредством чувствительного к нажатиям и жестам дисплея. Как известно, экраны современных устройств не только выводят изображение, но и позволяют взаимодействовать с устройством. Изначально для подобного взаимодействия использовались всем знакомые кнопки, потом появился не менее известный манипулятор «мышь», существенно упростивший манипуляции с информацией на дисплее компьютера. Однако «мышь» для работы требует горизонтальной поверхности и для мобильных устройств не очень подходит. Вот тут на помощь приходит дополнение к обычному экрану – Touch Screen, который так же известен под названиями Touch Panel, сенсорная панель, сенсорная пленка. То есть, по сути, сенсорный элемент экраном не является – это дополнительное устройство, устанавливаемое поверх дисплея снаружи, защищающее его и служащее для ввода координат прикосновения к экрану пальцем или иным предметом.

Использование

Сегодня сенсорные экраны находят широкое применение в мобильных электронных устройствах. Изначально тачскрин применялся в конструкции карманных персональных компьютеров (КПК, PDA), теперь первенство держат коммуникаторы, мобильные телефоны, плееры и даже фото- и видеокамеры. Однако технология управления пальцем через виртуальные кнопки на экране оказалась настолько удобной, что ею оснащаются почти все платежные терминалы, многие современные банкоматы, электронные справочные киоски и другие устройства, используемые в общественных местах.

Ноутбук с сенсорным экраном

Нельзя не отметить и ноутбуки, некоторые модели которых оснащаются поворотным сенсорным дисплеем, что придает мобильному компьютеру не только более широкую функциональность, но и большую гибкость в управлении им на улице и на весу.

К сожалению, пока подобных моделей ноутбуков, называемых в народе «трансформеры», не так много, но они есть.

В целом, технологию сенсорного экрана можно охарактеризовать как наиболее удобную в случае, когда необходим мгновенный доступ к управлению устройством без предварительной подготовки и с потрясающей интерактивностью: элементы управления могут сменять друг друга в зависимости от активируемой функции. Тот, кто хоть раз работал с сенсорным устройством, сказанное выше прекрасно понимает.

Типы сенсорных экранов

Всего на сегодня известно несколько типов сенсорных панелей. Естественно, что каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. Выделим основные четыре конструкции:

• Резистивные
• Ёмкостные
• Проекционно-ёмкостные

Кроме указанных экранов, применяются матричные экраны и инфракрасные, но ввиду их низкой точности их область применения крайне ограничена.

Резистивные

Резистивные сенсорные панели относятся к самым простым устройствам. По своей сути, такая панель состоит из проводящей подложки и пластиковой мембраны, обладающих определенным сопротивлением. При нажатии на мембрану происходит её замыкание с подложкой, а управляющая электроника определяет возникающее при этом сопротивление между краями подложки и мембраны, вычисляя координаты точки нажатия.

Преимущество резистивного экрана в его дешевизне и простоте устройства. Они обладают отличной стойкостью к загрязнениям. Основным достоинством резистивной технологии является чувствительность к любым прикосновениям: можно работать рукой (в том числе в перчатках), стилусом (пером) и любым другим твердым тупым предметом (например, верхним концом шариковой ручки или углом пластиковой карты). Однако имеются и достаточно серьезные недостатки: резистивные экраны чувствительны к механическим повреждениям, такой экран легко поцарапать, поэтому зачастую дополнительно приобретается специальная защитная пленка, защищающая экран. Кроме того, резистивные панели не очень хорошо работают при низких температурах, а также обладают невысокой прозрачностью – пропускают не более 85% светового потока дисплея.

Использование пера с сенсорным экраном

Применение

• Коммуникаторы
• Сотовые телефоны
• POS-терминалы
• Tablet PC
• Промышленность (устройства управления)
• Медицинское оборудование

Коммуникатор

Ёмкостные

Технология ёмкостного сенсорного экрана основана на принципе того, что предмет большой ёмкости (в данном случае человек) способен проводить электрический ток. Суть работы ёмкостной технологии заключается в нанесении на стекло электропроводного слоя, при этом на каждый из четырех углов экрана подается слабый переменный ток. Если прикоснуться к экрану заземленным предметом большой емкости (пальцем), произойдет утечка тока. Чем ближе точка касания (а значит, и утечки) к электродам в углах экрана, тем больше сила тока утечки, которая и регистрируется управляющей электроникой, вычисляющей координаты точки касания.

Ёмкостные экраны очень надежны и долговечны, их ресурс составляет сотни миллионов нажатий, они отлично противостоят загрязнениям, но только тем, которые не проводят электрический ток. По сравнению с резистивными они более прозрачны. Однако недостатками является все же возможность повреждения электропроводного покрытия и нечувствительность к прикосновениям непроводящими предметами, даже руками в перчатках.

Информационный киоск

Применение

• В охраняемых помещениях
• Информационные киоски
• Некоторые банкоматы

Проекционно-ёмкостные

Проекционно-ёмкостные экраны основаны на измерении ёмкости конденсатора, образующегося между телом человека и прозрачным электродом на поверхности стекла, которое и является в данном случае диэлектриком. Вследствие того, что электроды нанесены на внутренней поверхности экрана, такой экран крайне устойчив к механическим повреждениям, а с учетом возможности применения толстого стекла, проекционно-ёмкостные экраны можно применять в общественных местах и на улице без особых ограничений. К тому же этот тип экрана распознает нажатие пальцем в перчатке.

Платежный терминал

Данные экраны достаточно чувствительны и отличают нажатия пальцем и проводящим пером, а некоторые модели могут распознавать несколько нажатий (мультитач). Особенностями проекционно-ёмкостного экрана являются высокая прозрачность, долговечность, невосприимчивость к большинству загрязнений. Минусом такого экрана является не очень высокая точность, а также сложность электроники, обрабатывающей координаты нажатия.

Применение

• Электронные киоски на улицах
• Платежные терминалы
• Банкоматы
• Тачпэды ноутбуков
• iPhone

С определением поверхностно-акустических волн

Суть работы сенсорной панели с определением поверхностно-акустических волн заключается в наличии ультразвуковых колебаний в толще экрана. При прикосновении к вибрирующему стеклу, волны поглощаются, при этом точка прикосновения регистрируется датчиками экрана. Плюсами технологии можно назвать высокую надежность и распознавание нажатия (в отличие от ёмкостных экранов). Минусы заключаются в слабой защищенности от факторов окружающей среды, поэтому экраны с поверхностно-акустическими волнами нельзя применять на улице, а кроме того, такие экраны боятся любых загрязнений, блокирующих их работу. Применяются редко.

Другие, редкие типы сенсорных экранов

• Оптические экраны. Инфракрасным светом подсвечивают стекло, в результате прикосновения к такому стеклу происходит рассеивание света, которое обнаруживается датчиком.
• Индукционные экраны. Внутри экрана расположена катушка и сетка чувствительных проводов, реагирующих на прикосновение активным пером, питающимся от электромагнитного резонанса. Логично, что такие экраны реагируют на нажатия только специальным пером. Применяются в дорогих графических планшетах.
• Тензометрические – реагируют на деформацию экрана. Такие экраны имеют малую точность, зато очень прочны.
• Сетка инфракрасных лучей – одна из самых первых технологий, позволяющих распознавать прикосновения к экрану. Сетка состоит из множества светоизлучателей и приемников, расположенных по сторонам экрана. Реагирует на блокировку соответствующих лучей предметами, на основании чего и определяет координаты нажатия.

• Сдвинуть два пальца вместе – уменьшение изображения (текста)
• Раздвинуть два пальца в стороны – увеличение (Zoom)
• Движение несколькими пальцами одновременно – прокрутка текста, страницы в браузере
• Вращение двумя пальцами на экране – поворот изображения (экрана)

О пользе и недостатках сенсорных экранов

В карманных устройствах сенсорные экраны появились давно. Причин этому несколько:

• Возможность делать минимальное количество органов управления
• Простота графического интерфейса
• Легкость управления
• Оперативность доступа к функциям устройства
• Расширение мультимедийных возможностей

Однако и недостатков хоть отбавляй:

• Отсутствие тактильной обратной связи
• Частая необходимость в использовании пера (стилуса)
• Возможность повреждения экрана
• Появление отпечатков пальцев и других загрязнений на экране
• Более высокое потребление энергии

В результате, полностью избавиться от клавиатуры не всегда получается, ведь гораздо удобнее набирать текст с помощью привычных клавиш. Зато сенсорный экран интерактивнее, благодаря более оперативному доступу к элементам меню и настройкам современных гаджетов.

Надеемся, что этот материал поможет вам при выборе устройства с сенсорным экраном.

Обсудить на форуме

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.

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

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.