Сенсор емкостный. Экраны на поверхностно-акустических волнах. Ёмкостный тачскрин: принцип работы
Перед тем как рассмотреть емкостной или резистивный экран, требуется определиться с тем, что собой представляет сенсорная технология вообще. Тут все понятно: это экран, который определяет координаты нажатия. Если выражаться научно, то тут подразумевается метод управления интерфейсом, с помощью которого пользователь может нажимать непосредственно на интересующее место. На данный момент существует несколько методов реализации сенсорных экранов. Стоит рассмотреть каждый по отдельности.
Резистивная технология
Чтобы определиться, какой тип экрана, емкостный или резистивный, вам больше подходит, необходимо рассмотреть их. Второй вариант предполагает использование определенной производственной технологии. Снизу размещена панель из стекла, поверх которой находится прозрачная гибкая мембрана. На панели и мембране присутствует токопроводящее покрытие, то есть резистивное. При нажатии на экран происходит замыкание в определенной точке. Если знать напряжение на электродах с одной стороны и измерить его же на мембране, то получается отследить одну координату. Две координаты потребуют отключить одну группу электродов, чтобы включить другую. Это все в автоматическом режиме делает микропроцессор, как только происходит изменение напряжения на мембране. Резистивные экраны не позволяют реализовать мультитач.
Особенности резистивной технологии
Как и у любого другого типа реализованных устройств, тут имеются определенные черты, которые являются положительными или отрицательными в зависимости от ситуации. В качестве преимуществ обычно отмечается дешевое производство, а также возможность нажимать чем угодно, так как требуется только продавить мембрану. Точность позиционирования повышается за счет применения стилусов.
Негативные моменты
Основными недостатками можно назвать низкую степень пропускания света, высокую скорость появления царапин на поверхности, возможность нажатий в одну точку не более 35 миллионов раз, невозможность реализовать мультитач. Если вы не можете решить, емкостной или резистивный экран выбрать, то важно отметить еще и невозможность использования жестов типа скольжения, так как требуется нажать пальцем на экран и вести его не отпуская. В устройствах с такими элементами управления лучше использовать софт, требующий минимального использования «листающих» жестов.
Разбираясь в особенностях этой технологии, стоит отметить, что она может быть реализована несколькими способами, имеющими определенные различия. Емкостный сенсорный экран может быть просто емкостным и проекционно-емкостным. Первый вариант предполагает использование определенных элементов. Поверх стеклянной панели размещается прозрачный резистивный материал, например, сплав оксида олова или индия. По углам размещены электроды, которые подают небольшое переменное напряжение на проводящий слой. Если к экрану прикасаются токопроводящим предметом, то возникает утечка, и чем этот предмет ближе к электроду, тем ниже сопротивление экрана, то есть сила тока заметно увеличивается. А называется это все емкостной экран, так как переменный ток проводится предметом большей емкости. Чаще всего речь идет о пальце.
Особенности емкостных экранов
Как и прочие виды технологий, в данном случае речь идет о совокупности достоинств и недостатков. В качестве преимуществ перед остальными можно назвать высокую светопропускающую способность, значительный ресурс нажатий, простоту и удобство работы методом «листания». Недостатки здесь тоже имеются: требуется использовать только пальцы либо специализированные стилусы. Обычный емкостной экран не поддерживает технологию мультитач. Часто бывают случайные нажатия. К примеру, система может распознавать жест как «листание» даже в том случае, когда он не предполагается, так как сложно удержать палец строго на одном месте после нажатия.
Проекционно-емкостной сенсорный экран
В данном случае устройство отличается от предыдущих довольно сильно. Внутренняя сторона экрана представляет собой сетку электродов. Если происходит прикосновение предметом большей емкости к электроду, то образуется конденсатор, обладающий постоянной емкостью. Такие экраны используются на улице, так как позволяют устанавливать стекло, толщина которого достигает 18 мм, при этом удается получить не только максимально твердую поверхность, но и обеспечить вандалоустойчивость.
Особенности проекционно-емкостных сенсоров
В данном случае, как и во всех остальных, имеются определенные преимущества и недостатки, о которых следует знать. В качестве достоинств можно назвать возможность реализации мультитач, реагирование на нажатие в перчатке, высокую степень пропускания света, а также долговечность самого экрана. Такие экраны способны реагировать на приближение пальцев без факта нажатия. Порог, когда происходит завершение касания, обычно настраивается программно. Крайняя точка - это обычно сам экран, так как продавливать его совершенно бесполезно.
Если рассматривать проекционно-емкостной экран, то он обладает и определенными недостатками, в качестве которых принято называть сложную и довольно дорогую электронику, невозможность использования обычного стилуса, вероятность случайных нажатий.
Мультитач технология
Невозможно определить подходящий тип сенсорного экрана, емкостный или резистивный, не решив вопрос, касающийся реализации данной технологии. Мультитач - это возможность множественных касаний. Настоящая реализация предполагает отслеживание координат нескольких нажатий одновременно. Если в смартфоне или планшете реализована такая технология, то с его помощью можно имитировать игру на музыкальном инструменте, к примеру, гитаре. Следует разобраться с этим подробнее.
Можно взять обычный емкостный или резистивный экран. Если нажать сначала, например, в левый верхний угол, а потом, не отрывая палец, другим нажать в правый нижний, то электроникой в качестве координат будет определен центр экрана, то есть середина отрезка между парой этих касаний. Это будет видно, если запустить специальное приложение, отслеживающее координаты нажатия. Однако встает вопрос о том, а как же реализовано масштабирование картинок, если все равно распознается только одно нажатие?
Тут все просто. Это самый обычный программный трюк. Вы нажали на емкостной экран - электроника это определила. Это будет точка «А». Теперь, не отпуская пальца, вы нажимаете в другое место, которое будет точкой «В», получается, что в этот момент точка нажатия переместилась мгновенно в сторону, образовав «С». Именно в этот момент, когда фактически отпускания пальца не было, а точка нажатия мгновенно переместилась, программно обрабатывается в качестве мультитача. Далее, если точка «С» становится ближе к «А», то определяется сдвигание пальцев, то есть в случае с изображением, картинку надо уменьшить, и наоборот. Еще один момент: если точка «С» описывает дугу вокруг одной из точек, то программа определяет это как вращение одного пальца вокруг другого, что вызывает необходимость поворота картинки в соответствующую сторону.
Использование резистивного и емкостного экранов
Профессиональными разработчиками традиционно используется первый тип, так как он позволяет управлять любым предметом при различных погодных условиях. При реализации резистивной технологии используется большее количество датчиков на квадратный сантиметр в сравнении с емкостной, поэтому на дисплее можно отображать мельчайшие значки, на которые допускается нажимать иглой. К примеру, операционная система Windows Mobile разрабатывалась с учетом такой особенности, поэтому хорошо работает с резистивными экранами. Такие дисплеи почти нечувствительны к случайным нажатиям. Однако многие разработчики сейчас нацелены создавать приложения, ориентированные на емкостный сенсорный экран. Это уже становится проблемой для устройств, выполненных с применением резистивной технологии.
Степень защищенности
Важно понимать, что для планшетных компьютеров и коммуникаторов дисплей является самой уязвимой частью. Емкостной экран является более предпочтительным вариантом в плане надежности. Его производительность в любых условиях заметно выше, а резистивные модели могут отказать, к примеру, если нести их вниз стеклом. Емкостный экран - это отказоустойчивый вариант. Даже если он сломан, то и дальше будет исполнять свои функции. Если решать, емкостный или резистивный экран выбрать, то стоит отметить, что в полевых условиях первый будет оптимальным вариантом.
Выводы
Если подводить итоги, то можно отметить, что оба варианта реализации дисплеев имеют свои преимущества и недостатки. При том что емкостный экран - это целая совокупность возможностей, резистивный ориентирован на использование в определенных ситуациях. Обычно все зависит от интерфейса, используемого в гаджете. удобен в использовании, площадь его нажатия заметно меньше, чем у пальца, однако при хорошей отзывчивости поверхности удобно обходиться и без этого приспособления. Постоянное совершенствование резистивных дисплеев привело к тому, что появились модели вполне твердые, то есть стойкие к формированию царапин, но при этом и отзывчивые. Такие варианты стали весьма удобны в эксплуатации.
Необходимость использовать специальный стилус для емкостных экранов иногда доставляет немалое неудобство, так как он обычно не идет в комплекте с устройством. А резистивная технология предполагает и сопровождение специальным приспособлением, и возможность нажатия любым твердым предметом. Одна из причин, по которой многие выбирают емкостный сенсорный экран - мультитач, однако стоит отметить, что чаще всего это программная реализация, как уже было описано, и при должном подходе она может быть применена и для резистивного. Проекционно-емкостная технология пока еще не стала настолько доступной, как этого хотелось бы.
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
|
|
|
| |
AMOLED |
|
|
|
|
|
|
|
| TFT TN |
|
|
|
| |
IPS
|
|
|
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.
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.
Оснащенные сенсорными экранами устройства (мобильные телефоны, планшеты, нетбуки, даже персональные компьютеры) становятся все более популярными. Но если вы решились покупать устройство, экран которого реагирует на прикосновения, вам следует знать, что существуют разные типы сенсорных экранов .
Разные типы сенсорных экранов работают на разных физических принципах . Основных видов сенсорных экранов два - емкостные и резистивные. Существуют и другие типы, к примеру, экраны на поверхностно-акустических волнах, инфракрасные, оптические, тензометрические, индукционные (используются в ) и др. Но шанс столкнуться с этими типами экранов в повседневной жизни достаточно мал, поэтому поговорим о двух самых распространенных разновидностях тачскринов.
Типы сенсорных экранов: резистивный
Резистивный сенсорный экран - это более простая и дешевая технология . Такой экран состоит из двух основных частей: проводящая подложка и пластиковая мембрана. Когда вы нажимаете на мембрану, она замыкается с подложкой. При этом управляющая электроника вычисляет сопротивление, возникающее между краями мембраны и подложки, и таким образом определяет координаты точки нажатия.
Резистивные сенсорные экраны используются в КПК, коммуникаторах, некоторых моделях мобильных телефонов , POS-терминалах, планшетных компьютерах, промышленных устройствах управления, медицинском оборудовании. Обычно малогабаритные приборы, оснащенные резистивным экраном, имеют в наборе стилус, чтобы удобнее было нажимать на мембрану (при невысокой площади экрана сделать это пальцем затруднительно).
Весомое преимущество резистивных экранов - это их простота и дешевизна , что в итоге снижает цену всего устройства. Также они стойки к загрязнениям. Но главное - даже при отсутствии специального стилуса с ними можно работать практически любым твердым тупым предметом, который окажется под рукой. На прикосновения пальцев они тоже реагируют, даже если рука в перчатке, правда, прикосновение должно быть достаточно сильным.
Но есть у резистивных экранов и свои недостатки . Этот тип сенсорных экранов чувствителен к механическим повреждениям: если использовать вместо стилуса неподходящий предмет или, скажем, хранить телефон в одном кармане с ключами, можно легко его поцарапать. Поэтому для устройств с этим типом экранов лучше дополнительно приобрести специальную защитную пленку. Чувствительность резистивных экранов при низких температурах снижается. Кроме этого, прозрачность их тоже оставляет желать лучшего: они пропускают максимум 85% света, исходящего от дисплея.
Типы сенсорных экранов: емкостные
Емкостные сенсорные экраны используют тот факт, что предметы большой емкости (в данном случае - человек) проводят переменный электрический ток . Такие экраны представляют собой панель из стекла, которая покрыта прозрачным резистивным сплавом. На проводящий слой передается небольшое переменное напряжение. Если вы касаетесь пальца экраном или другим предметом, проводящим ток, происходит утечка тока, она фиксируется датчиками, и вычисляются координаты точки нажатия.
Бывают обычные емкостные экраны и проекционно-емкостные . Вторая технология - более «продвинутая». Такие экраны более чувствительны (скажем, реагируют на руку в перчатке, в зависимости от просто емкостных), поддерживают технологию мультитач (одновременное определение координат нескольких точек касания). Емкостные экраны используют в части банкоматов, информационных киосках и охраняемых помещениях. Проекционно-емкостные - в уличных электронных киосках, платежных терминалах, банкоматах, тачпадах ноутбуков, смартфонах и других устройствах с поддержкой технологи мультитач.
Достоинства таких сенсорных экранов - это долговечность, стойкость к большинству загрязнений (к тем, которые не проводят ток), высокая прозрачность экрана, возможность работы при низких температурах. При необходимости можно обеспечить высокую прочность - слой стекла на емкостном экране может быть толщиной до 2 см. Емкостные экраны реагируют на легчайшие прикосновения. Проекционно-емкостные экраны еще и поддерживают мультитач.
Недостаток емкостных экранов - более высокая стоимость по сравнению с резистивными . К тому же, такие экраны реагируют лишь на токопроводящие предметы: палец или специальный стилус (не такой, как используется с резистивными экранами). Некоторые умельцы умудряются использовать сосиски, но где гарантия, что сосиска окажется под рукой в нужный момент?
Как видите, разные типы сенсорных экранов имеют свои преимущества и недостатки , так что вам решать, какой из них более подходящий лично для вас.
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
