Принцип работы сенсора. Емкостные экраны в телефонах
В настоящее время уже никого не удивишь сенсорным экраном. Более того, уже странно видеть устройства без сенсора, особенно, когда речь идет о мобильных гаджетах. Это обусловлено стремлением увеличить площадь рабочей поверхности. Но часто ли мы задумываемся о том, какой тип дисплея используется в том или ином устройстве? Случалось ли такое, что, купив новый планшет или смартфон, мы пытаемся управлять им с помощью привычно цифрового пера, но вот незадача, устройство попросту не реагирует на его прикосновение. Видимо, экран выполнен по другой технологии, емкостной, которая постепенно начинает вытеснять своего предшественника, дисплей резистивного типа.
Можно встретить большое количество сенсорных дисплеев, отличающихся не только конструктивными особенностями, но и принципом работы. На сегодняшний день существуют следующие типы сенсорных экранов: резистивный, емкостной, проекционно-емкостной, матричный, сенсорный экран на поверхностно-акустических волнах, инфракрасный, тензометрический, индуктивный.
В настоящий момент в электронной технике используются два основных типа сенсорных экранов: резистивный и емкостной. О них мы и поговорим подробней, а также попытаемся выделить сильные и слабые стороны каждого.
Резистивный сенсорный экран
Вначале рассмотрим принцип работы резистивного сенсорного экрана. Он состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые в свою очередь надежно изолируют проводящие поверхности, равномерно распределившись по активной области экрана. При нажатии на дисплей, панель и мембрана замыкаются, а контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления, преобразовывая его в координаты касания. Именно по этой причине на такой экран можно нажимать любым твердым предметом, это может быть, как ноготь, так и специальный стилус, и даже обычный карандаш. Как следствие такого строения, резистивные экраны постепенно изнашиваются, из-за чего и возникает необходимость в периодической калибровке экрана, чтобы при нажатии на дисплей происходила правильная обработка координат точки касания.
Бывают четырех-, восьми-, пяти-, шести- или семиэлектродные экраны. Самыми простыми в изготовлении, следовательно, и самыми дешевыми, являются четырехэлектродные. Они выдерживают всего 3 миллиона нажатий в одну точку. Пятипроводные уже будут значительно надежнее - до 35 миллионов нажатий, в них четыре электрода расположены на панели, а пятый находится на мембране, которая покрыта токопроводящим составом. Стоит отметить, что пятипроводные и последующие версии шести- и семипроводные экраны продолжают работать даже при повреждении части мембраны.
Преимущества
К достоинствам резистивного экрана можно отнести невысокую стоимость его производства, а, следовательно, и устройства, в котором он используется. Кроме этого, стоит отметить, что отзыв сенсора здесь не зависит от состояния поверхности экрана, даже в случае загрязнения, тачскрин остается таким же чувствительным. Следует также выделить точность попадания в нужную точку, т.к. используется густая решетка резистивных элементов.
Недостатки
В качестве недостатков резистивных экранов выделим низкое светопропускание, не более 70% или 85%, поэтому требуется повышенная яркость подсветки. Также это низкая чувствительность, т.е. просто прикасаться пальцем не достаточно, требуется надавливание, так что без цифрового пера или длинных ногтей не обойтись. Данный тип в большинстве случаев не поддерживает мультитач, т. е. экран понимает лишь одно касание. При взаимодействии с экраном нужно прилагать определенные усилия, чтобы передать какую-либо команду, а переусердствовав можно не только поцарапать, но и повредить дисплей. Как уже было сказано выше, для правильного функционирования периодически необходимо производить калибровку экрана.
Емкостной сенсорный экран
Емкостной экран представляет собой стеклянную панель, которая покрыта прозрачным резистивным материалом, в котором, как правило, используется сплав оксида индия и оксида олова. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение, они следят за течением зарядов в экране, и передают данные в контроллер, определяя, таким образом, координаты точки касания. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом; при касании пальцем на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы электрода, т. к. тело человека обладает способностью проводить электрический ток и имеет некоторую емкость. На экране нет никаких гибких мембран, что обеспечивает высокую надежность и позволяет снизить яркость подсветки. Данный тип экрана способен одновременно определять координаты двух и более точек касания, что и означает поддержку мультитач.
Подвидом емкостных стали проекционно-емкостные экраны. Работают они по схожему принципу. Отличие заключается в том, что базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, благодаря чему сенсор получается более защищенным. В основном дисплеи такого типа используются в современных мобильных устройствах.
Взаимодействие с емкостным экраном должно осуществляться только проводящим предметом, голым пальцем или специальным стилусом, который обладает электрической емкостью. Количество нажатий до выхода сенсорных элементов из строя достигает более 200 млн раз.
Преимущества
Из плюсов емкостных экранов выделим, что даже на ярком солнце видимость остается достаточно хорошей, чего нельзя сказать о резистивном экране, т. к. он отражает много окружающего света. Преимуществом также стала возможность быстрого и точного распознавания касания без использования дополнительных аксессуаров. Несомненным достоинством экранов этого типа является более длительное время службы сенсора, по сравнению с предыдущим типом. Также появился «многопальцевый» интерфейс или мультитач, хотя далеко не во всех устройствах с экраном такого типа он реализован в полной мере.
Недостатки
К негативным сторонам использования емкостного сенсорного экрана можем отнести более высокую стоимость по причине сложности производства. Взаимодействие с дисплеем возможно только при касании с материалом, который является проводником. По этой причине для работы с ним приобретаются специальные емкостные стилусы или перчатки, особенно это становится актуальным в холодную погоду, а это еще одна статья расходов.
Подводя итог, напомним, что резистивные экраны чувствительны к нажатию, а емкостные реагируют на касание. Точность емкостных дисплеев сравнима с точностью резистивных, но емкостной тип отличается более высокой надежностью за счет отсутствия гибкой мембраны, а меньшее количество слоев делает их более прозрачными.
Бытует мнение, что резистивные дисплеи уже отжили свое, а будущее - за емкостными. Действительно, переход от механико-электрического ввода к электрическому уже много значит, т. к. возросла точность определения координат, и появился мультитач.
Тем не менее, сегодня на рынке электронной техники еще остается большое количество устройств с резистивными экранами, но они потихоньку начинают вытесняться гаджетами с емкостными сенсорами. Наблюдая эту тенденцию, можно предположить, что первые в скором времени и вовсе исчезнут. Сенсорный экран – это устройство, предназначенное для ввода и вывода информации с использованием чувствительного к нажатиям и жестам дисплея. Экраны современных устройств не только показывают изображение, но и дают возможность взаимодействовать с устройством. Первоначально для такого рода взаимодействия использовались знакомые всем кнопки, потом появилась не менее известная «мышь», которая сильно облегчила действия с информацией на экране компьютера. Но для работы «мыши» нужна горизонтальная поверхность, поэтому для мобильных устройств такой вариант не очень подходит. Вот тут и помогает дополнение к обычному экрану – Touch Screen, так же известный под названиями Touch Panel, сенсорная панель или сенсорная пленка. По своей сути, сенсорный элемент не является экраном – это дополнительное устройство, расположенное поверх дисплея снаружи, защищающее его и предназначенное для ввода координат прикосновения к экрану пальцем или другим предметом.
Сегодня сенсорные экраны широко применяются в мобильных электронных устройствах. Изначально тачскрин использовался в конструкции карманных персональных компьютеров, теперь он в основном применяется в коммуникаторах, мобильных телефонах, плеерах и даже фото- и видеокамерах. Однако механизм управления пальцем через кнопки на экране оказался таким удобным, что он используется почти во всех платежных терминалах, многих современных банкоматах, электронных справочных и других устройствах.
Стоит отметить и ноутбуки, в конструкции которых имеется поворотный сенсорный дисплей, что обеспечивает мобильный компьютер не только более широкой функциональностью, но и большей гибкостью в управлении на улице и на весу.
Увы, пока похожих моделей ноутбуков, называемых еще «трансформерами», не так много, но они есть.
В общем, технологию сенсорного экрана можно назвать наиболее удобной в том случае, когда нужен мгновенный доступ к управлению устройством без особой подготовки и с отличной интерактивностью: элементы управления сменяют друг друга в зависимости от активируемой функции.
Всего на сегодня существует несколько типов сенсорных панелей. Конечно, каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. Итак, основные четыре конструкции:
Резистивные
Ёмкостные
Проекционно-ёмкостные
С определением поверхностно-акустических волн
Кроме указанных выше экранов, существуют матричные и инфракрасные экраны, но из-за их невысокой точности их область применения сильно ограничена.
Резистивные
Резистивные сенсорные панели являются самыми простыми устройствами. Такая панель состоит из проводящей подложки и пластиковой мембраны, имеющих определенное сопротивление. При нажатии на мембрану возникает её замыкание с подложкой, а управляющая электроника определяет появляющееся при этом сопротивление между краями подложки и мембраны, вычисляя координаты точки нажатия.
Преимущество резистивного экрана заключается в его дешевизне и простоте устройства. Также они обладают хорошей устойчивостью к загрязнениям. Главным достоинством резистивной панели является чувствительность к любым прикосновениям, как рукой (в том числе в перчатках), так и стилусом и любым другим твердым тупым предметом. Но есть и серьезные недостатки: резистивные экраны чувствительны к механическим повреждениям, их легко поцарапать, и для защиты от этого нужно использовать специальную пленку. Резистивные панели не очень хорошо работают и при низких температурах, а также имеют невысокую прозрачность – пропускают менее 85% светового потока дисплея.
Резистивные сенсорные панели применяются в КПК, коммуникаторах, сотовых телефонах, POS-терминалах, а также в промышленности (устройства управления) и медицинском оборудовании.
Ёмкостные
Технология ёмкостного сенсорного экрана базируется на том принципе, что предмет большой ёмкости (в этом случае человек) обладает способностью проводить электрический ток. Действие ёмкостной технологии состоит в нанесении на стекло электропроводного слоя, при этом на все четыре угла экрана подается слабый переменный ток. Если дотронутся до экрана заземленным предметом большой емкости (пальцем), то произойдет утечка тока. Чем ближе точка касания к электродам в углах экрана, тем больше сила тока утечки, которая и регистрируется управляющей электроникой, определяющей координаты точки касания.
Ёмкостные дисплеи очень надежны и долговечны, они рассчитаны на сотни миллионов нажатий, хорошо противостоят загрязнениям, но только тем, которые не проводят электрический ток. По сравнению с резистивными экранами, они более прозрачны. Однако есть все же и недостатки: возможность повреждения электропроводного покрытия и нечувствительность к прикосновениям непроводящими предметами (руками в перчатках).
Ёмкостные экраны применяются в охраняемых помещениях, информационных киосках и некоторых банкоматах.
Проекционно-ёмкостные
Проекционно-ёмкостные экраны используют измерение ёмкости конденсатора, образующегося между телом человека и прозрачным электродом на поверхности стекла, которое является в этом случае диэлектриком. Из-за того, что электроды расположены на внутренней поверхности экрана, экран очень устойчив к механическим повреждениям. Учитывая возможность применения толстого стекла, проекционно-ёмкостные экраны можно использовать в общественных местах и на улице без каких-либо ограничений, и более того, этот тип экрана распознает нажатие пальцем в перчатке.
Данные экраны довольно чувствительны и различают нажатия пальцем и проводящим пером, а некоторые модели способны распознавать несколько нажатий (мультитач). Достоинства проекционно-ёмкостного экрана: высокая прозрачность, долговечность, нечувствительность к большинству загрязнений. Недостатками такого экрана является не очень высокая точность и сложность электроники, вычисляющей координаты нажатия.
Проекционно-ёмкостные экраны применяются в электронных киосках на улицах, платежных терминалах, банкоматах, тачпадах ноутбуков и в iPhone.
С определением поверхностно-акустических волн
Принцип работы сенсорной панели с определением поверхностно-акустических волн состоит в наличии ультразвуковых колебаний в толще экрана. При прикосновении к вибрирующему стеклу, волны поглощаются, а точка прикосновения определяется датчиками экрана. Плюсами этих экранов является высокая надежность и распознавание нажатия (в отличие от ёмкостных экранов). Минусы – это слабая защищенность от окружающей среды, поэтому экраны с поверхностно-акустическими волнами нельзя использовать на улице, а еще такие экраны боятся любых загрязнений, мешающих их работе. Применяются редко.
Редкие типы сенсорных экранов
Оптические экраны. Стекло подсвечивается инфракрасным светом, и в результате прикосновения к нему происходит рассеивание света, которое регистрируется датчиком.
Индукционные экраны. Внутри экрана находится катушка и сетка чувствительных проводов, отвечающих на нажатия активным пером, питающимся от электромагнитного резонанса. Такие экраны реагируют на прикосновения только специальным пером. Применяются в дорогих графических планшетах.
Тензометрические экраны. Реагируют на деформацию экрана, имеют низкую точность, зато они очень прочные.
Сетка инфракрасных лучей. Это одна из самых первых технологий для распознавания прикосновений к экрану. Сетка состоит из большого количества светоизлучателей и приемников, находящихся по сторонам экрана. Реагирует на блокировку лучей предметами и таким образом определяет координаты нажатия.
Мультитач (Multi-touch)
Мультитач, о котором так много говорят, не является типом сенсорного экрана. Технология множественного нажатия – что является свободным переводом словосочетания multi-touch – это дополнительная опция к сенсорному экрану (обычно выполненному по проекционно-ёмкостной технологии), позволяющая экрану распознавать несколько точек нажатия. В итоге мультитач-экран может распознавать жесты. Вот только некоторые из них:
Сдвигаем два пальца вместе – уменьшение изображения или текста
Раздвигаем два пальца в стороны – увеличение изображения
Движение несколькими пальцами одновременно – прокрутка текста или страницы в браузере
Вращение двумя пальцами – поворот изображения
Преимущества и недостатки сенсорных экранов
В портативных устройствах сенсорные экраны стали использоваться давно. На это есть несколько причин:
Возможность делать небольшое количество кнопок управления
Несложный графический интерфейс
Легкость в управлении
Оперативность доступа к функциям устройства
Увеличение мультимедийных возможностей
Однако и недостатков у сенсорных экранов тоже хватает:
Отсутствие тактильной обратной связи
Необходимость в использовании пера
Опасность повреждения экрана
Появление отпечатков пальцев и загрязнений на экране
Более высокое потребление энергии
Таким образом, совсем избавиться от клавиатуры не всегда возможно, ведь намного удобнее набирать текст с помощью обычных клавиш. Но зато сенсорный экран обладает большей интерактивностью, более оперативным доступом к элементам меню и настройкам современных устройств.
Если вы не относитесь к числу подкованных в техническом плане пользователей и перед вами в скором будущем станет вопрос выбора мобильного телефона или смартфона с сенсорным экраном, наверняка, читая спецификации мобильных устройств вы встретите такие термины, как «емкостный экран» или «резистивный экран». И тут вам в голову придет вполне логичный вопрос – какой из них лучше: резистивный или емкостный? Давайте выясним, чем отличаются сенсорные дисплеи, какие их виды существуют и в чем заключаются их преимущества и недостатки.
РЕЗИСТИВНЫЕ ЭКРАНЫ
Если говорить доступным языком, избегая мудрых технических терминов и оборотов, то резистивный сенсорный экран представляет собой гибкую прозрачную мембрану, на которую нанесено токопроводящее (иначе говоря – резистивное) покрытие. Под мембраной находится стекло, также покрытое токопроводящим слоем. Принцип действия резистивного экрана состоит в том, что при нажатии на экран пальцем или стилусом происходит замыкание стекла с мембраной в конкретной точке. Микропроцессор фиксирует изменение напряжения мембраны и вычисляет координаты касания. Чем точнее нажатие, тем процессору проще вычислить точные координаты. Поэтому с резистивными экранами на много проще работать со стилусом.
Основные преимущества резистивных экранов заключаются в том, что они сравнительно дешевы в производстве, а также в том, что данный тип дисплея реагирует на нажатие любыми предметами. Это очень полезно при проведении презентаций, тем более что цены на проекторы сегодня падают с каждым днем.
Недостатки резистивных экранов таковы: невысокая прочность; небольшая долговечность (порядка 35 млн. нажатий на точку); невозможность реализации ; большое число ошибок при обработке таких жестов, как скольжение, перелистывание.
Так какой экран лучше: резистивный или емкостный?
Если вы внимательно прочитали данную статью, то без проблем сможете и сами сделать вывод. Я же лишь скажу о том, что спор это обречен на провал. Некоторым пользователям нравится работать со стилусом и они не приемлют емкостные дисплеи. Но все же большинству комфортнее управлять устройством, оборудованным емкостным экраном – это удобнее, да и возможность мультитача решает многое. Ведь не спроста все современные смартфоны и планшеты, работающие под управлением Android, имеют именно емкостные дисплеи.
В настоящее время уже никого не удивишь сенсорным экраном. Более того, уже странно видеть устройства без сенсора, особенно, когда речь идет о мобильных гаджетах. Это обусловлено стремлением увеличить площадь рабочей поверхности. Но часто ли мы задумываемся о том, какой тип дисплея используется в том или ином устройстве? Случалось ли такое, что, купив новый планшет или смартфон, мы пытаемся управлять им с помощью привычно цифрового пера, но вот незадача, устройство попросту не реагирует на его прикосновение. Видимо, экран выполнен по другой технологии, емкостной, которая постепенно начинает вытеснять своего предшественника, дисплей резистивного типа.
Можно встретить большое количество сенсорных дисплеев, отличающихся не только конструктивными особенностями, но и принципом работы. На сегодняшний день существуют следующие типы сенсорных экранов: резистивный, емкостной, проекционно-емкостной, матричный, сенсорный экран на поверхностно-акустических волнах, инфракрасный, тензометрический, индуктивный.
В настоящий момент в электронной технике используются два основных типа сенсорных экранов: резистивный и емкостной. О них мы и поговорим подробней, а также попытаемся выделить сильные и слабые стороны каждого.
Резистивный сенсорный экран
Вначале рассмотрим принцип работы резистивного сенсорного экрана. Он состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые в свою очередь надежно изолируют проводящие поверхности, равномерно распределившись по активной области экрана. При нажатии на дисплей, панель и мембрана замыкаются, а контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления, преобразовывая его в координаты касания. Именно по этой причине на такой экран можно нажимать любым твердым предметом, это может быть, как ноготь, так и специальный стилус, и даже обычный карандаш. Как следствие такого строения, резистивные экраны постепенно изнашиваются, из-за чего и возникает необходимость в периодической калибровке экрана, чтобы при нажатии на дисплей происходила правильная обработка координат точки касания.
Бывают четырех-, восьми-, пяти-, шести- или семиэлектродные экраны. Самыми простыми в изготовлении, следовательно, и самыми дешевыми, являются четырехэлектродные. Они выдерживают всего 3 миллиона нажатий в одну точку. Пятипроводные уже будут значительно надежнее - до 35 миллионов нажатий, в них четыре электрода расположены на панели, а пятый находится на мембране, которая покрыта токопроводящим составом. Стоит отметить, что пятипроводные и последующие версии шести- и семипроводные экраны продолжают работать даже при повреждении части мембраны.
Преимущества
К достоинствам резистивного экрана можно отнести невысокую стоимость его производства, а, следовательно, и устройства, в котором он используется. Кроме этого, стоит отметить, что отзыв сенсора здесь не зависит от состояния поверхности экрана, даже в случае загрязнения, тачскрин остается таким же чувствительным. Следует также выделить точность попадания в нужную точку, т.к. используется густая решетка резистивных элементов.
Недостатки
В качестве недостатков резистивных экранов выделим низкое светопропускание, не более 70% или 85%, поэтому требуется повышенная яркость подсветки. Также это низкая чувствительность, т.е. просто прикасаться пальцем не достаточно, требуется надавливание, так что без цифрового пера или длинных ногтей не обойтись. Данный тип в большинстве случаев не поддерживает мультитач, т. е. экран понимает лишь одно касание. При взаимодействии с экраном нужно прилагать определенные усилия, чтобы передать какую-либо команду, а переусердствовав можно не только поцарапать, но и повредить дисплей. Как уже было сказано выше, для правильного функционирования периодически необходимо производить калибровку экрана.
Емкостной сенсорный экран
Емкостной экран представляет собой стеклянную панель, которая покрыта прозрачным резистивным материалом, в котором, как правило, используется сплав оксида индия и оксида олова. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение, они следят за течением зарядов в экране, и передают данные в контроллер, определяя, таким образом, координаты точки касания. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом; при касании пальцем на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы электрода, т. к. тело человека обладает способностью проводить электрический ток и имеет некоторую емкость. На экране нет никаких гибких мембран, что обеспечивает высокую надежность и позволяет снизить яркость подсветки. Данный тип экрана способен одновременно определять координаты двух и более точек касания, что и означает поддержку мультитач.
Подвидом емкостных стали проекционно-емкостные экраны. Работают они по схожему принципу. Отличие заключается в том, что базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, благодаря чему сенсор получается более защищенным. В основном дисплеи такого типа используются в современных мобильных устройствах.
Взаимодействие с емкостным экраном должно осуществляться только проводящим предметом, голым пальцем или специальным стилусом, который обладает электрической емкостью. Количество нажатий до выхода сенсорных элементов из строя достигает более 200 млн раз.
Преимущества
Из плюсов емкостных экранов выделим, что даже на ярком солнце видимость остается достаточно хорошей, чего нельзя сказать о резистивном экране, т. к. он отражает много окружающего света. Преимуществом также стала возможность быстрого и точного распознавания касания без использования дополнительных аксессуаров. Несомненным достоинством экранов этого типа является более длительное время службы сенсора, по сравнению с предыдущим типом. Также появился «многопальцевый» интерфейс или мультитач, хотя далеко не во всех устройствах с экраном такого типа он реализован в полной мере.
Недостатки
К негативным сторонам использования емкостного сенсорного экрана можем отнести более высокую стоимость по причине сложности производства. Взаимодействие с дисплеем возможно только при касании с материалом, который является проводником. По этой причине для работы с ним приобретаются специальные емкостные стилусы или перчатки, особенно это становится актуальным в холодную погоду, а это еще одна статья расходов.
Подводя итог, напомним, что резистивные экраны чувствительны к нажатию, а емкостные реагируют на касание. Точность емкостных дисплеев сравнима с точностью резистивных, но емкостной тип отличается более высокой надежностью за счет отсутствия гибкой мембраны, а меньшее количество слоев делает их более прозрачными.
Бытует мнение, что резистивные дисплеи уже отжили свое, а будущее - за емкостными. Действительно, переход от механико-электрического ввода к электрическому уже много значит, т. к. возросла точность определения координат, и появился мультитач.
Тем не менее, сегодня на рынке электронной техники еще остается большое количество устройств с резистивными экранами, но они потихоньку начинают вытесняться гаджетами с емкостными сенсорами. Наблюдая эту тенденцию, можно предположить, что первые в скором времени и вовсе исчезнут.