Из чего состоит сенсор. Сенсорные экраны: как это работает

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

Начало сенсорного бума

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

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

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

Принцип работы резистивного сенсорного экрана

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

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

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

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

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

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

Принцип работы емкостного сенсорного экрана

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

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

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

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

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

Принцип работы четырехпроводного резистивного сенсорного экрана

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

Принцип работы пятипроводного резистивного сенсорного экрана

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

Преимущества

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

Недостатки

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

Примеры устройств

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

Принцип работы

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

Преимущества

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

Недостатки

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

Примеры устройств

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

Принцип работы

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

Преимущества

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

Недостатки

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

Примеры устройств

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

Windows 7

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

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

О том, у какого телефона экран лучше, ходят постоянные споры. Особенно между владельцами техники Apple и теми, кто предпочитает устройства на платформе Android.

Это простая инфографика красиво раскладывает по полочкам все преимущества того или иного типа сенсорного экрана. Надеюсь, при покупке очередного смартфона она поможет вам сделать правильный выбор и не переплачивать кругленькую сумму.

Итак, сущестует три типа сенсорных экранов: Резистивные (Resistive), Емкостные (Capacitive) и Инфракрасные (Infrared)

Резистивные (Resistive)

Телефоны с резистивными экранами: Samsung Messager Touch, Samsung Instinct, HTC Touch Diamond, LG Dare

Как они работают? Маленькие точки разделяют несколько слоев материала, который передает ток. Когда верхний гибкий слой надавливает на нижний слой, электрический ток меняется и рассчитывается место воздействия, то есть прикосновения.

Сколько стоит изготовление? Расходы на изготовление резистивных сенсорных экранов не очень велики — $ .

Материал экрана. Слой гибкого материала (обычно пленка из полиэстра) накладывается сверху на стекло.

Инструменты воздействия. Пальцы, пальцы в перчатках или стилус.

Видимость на улице. Плохая видимость в солнечную погоду.

Возможность мультижестов. Нет.

Долговечность. Для его стоимости экран служит достаточно долго. Легко царапается и подвержен другим мелким повреждениям. Довольно быстро изнашивается и требует замены.

Емкостные

Телефоны с емкостными сенсорными экранами: Huawei Ascend, Sanyo Zio, iPhone, HTC Hero, DROID Eris, Palm Pre, Blackberry Storm.

Как они работают? Ток транслируется из углов экрана. Когда палец касается экрана, он меняет направление тока и таким образом рассчитывается место касания.

Сколько стоит изготовление? Достаточно дорого — $$ .

Материал экрана. Стекло.

Инструменты воздействия. Только пальцы без перчаток.

Видимость на улице. Видимость в солнечный день хорошая.

Возможность мультижестов. Есть.

Долговечность.

Инфракрасные

Телефоны с инфракрасными сенсорными экранами: Samsung U600 (тепло), Neonode N2 (оптический).

Как они работают? Для того, чтобы среагировал тепло-чувствительный экран, к нему нужно прикоснуться теплым объектом. Оптический экран использует сетку невидимых датчиков прямо над экраном. Точка касания рассчитывается на основе той точки, где ось x-y была нарушена.

Сколько стоит изготовление? Очень дорого — $$$ .

Материал экрана. Стекло.

Инструменты воздействия. Оптический — пальцы, перчатки и стилус. Тепло-чувствительный — теплые пальцы без перчаток.

Видимость на улице. Видимость в солнечную погоду хорошая, но сильный солнечный свет влияет на продуктивность и точность.

Возможность мультижестов. Да.

Долговечность. Служит достаточно долго. Стекло разрушается только от серьезных повреждений.

Сначала тачскрины (сенсорные экраны) встречались достаточно редко. Их возможно было найти, только лишь в некоторых КПК, PDA (карманных компьютерах). Как известно, устройства такого плана так и не обрели широкого распространения, так как им не хватило самого важного, то есть, функциональности. История смартфонов напрямую связана с тачскринами. Именно поэтому в нынешнее время человека с «умным телефоном» сенсорным экраном сейчас не удивишь. Тачскрин получил широкое применение не только в модных дорогостоящих девайсах, но, даже, в относительно недорогих моделях современных телефонов. В чём же заключаются принципы работы 3-х типов сенсорных экранов, которые возможно встретить в современных устройствах.

Типы тачскринов

Сенсорные экраны уже не являются слишком дорогими. Кроме этого, тачскрины (touchscreen) сегодня намного «отзывчивее» - касания пользователя распознают просто превосходно. Именно эта характеристика проложила им дорогу к большому числу пользователей во всем мире. В нынешнее время существуют три основные конструкции тачскринов:

1. Ёмкостные.
2. Волновые.
3. Резистивные или попросту «упругие».

Ёмкостный тачскрин: принцип работы

В тачскринах конструкции такого рода стеклянную основу покрывают слоем, который выполняет роль вместилища-накопителя заряда. Пользователь своим касанием высвобождает в определённой точке часть электрического заряда. Данное уменьшение определяется микросхемами, которые расположены в каждом углу экрана. Компьютером вычисляется разница электрических потенциалов, существующих между разными частями экрана, при этом, информация о касании в подробностях передаётся немедленно в программу-драйвер тачскрина.

Довольно важное преимущество ёмкостных тачскринов - это способность данного типа экранов сохранять практически 90 % от изначальной яркости дисплея. Из-за этого изображения на ёмкостном экране смотрятся более чёткими, чем на тачскринах, имеющих резистивную конструкцию.

Видео про ёмкостный сенсорный экран:

Будущее: волновые сенсорные дисплеи

На концах осей координатной сетки экрана из стекла располагается два преобразователя. Один из них является передающим, второй - принимающим. На стеклянной основе имеются и рефлекторы, «отражающие» электрический сигнал, который передаётся от одного к другому преобразователю.

Преобразователь-приёмник стопроцентно точно «знает» было ли нажатие, а также в какой конкретно точке оно произошло, так как пользователь своим касанием прерывает акустическую волну. При этом, стекло волнового дисплея не имеет металлического покрытия - это предоставляет возможность сохранить в полном объёме 100 % изначального света. В связи с этим, волновой экран представляет собой наилучший вариант для тех пользователей, которые работают в графике с мелкими деталями, потому, что резистивные и ёмкостные тачскрины не являются идеальными в вопросе чёткости изображений. Их покрытие задерживает свет, что в результате существенно искажает картинку.

Видео про принцип работы сенсорных экранов на ПАВ:

Прошлое: о резистивном тачскрине

Резистивная система - это обычное стекло, которое покрыто слоем проводника электричества, а также упругой металлической «плёнкой», также обладающей токопроводящими качествами. Между этими 2-мя слоями с помощью специальных распорок есть пустое пространство. Поверхность экрана покрыта специальным материалом, который обеспечивает ему защиту от механических повреждений, например, царапин.

Электрический заряд в процессе работы пользователя с тачскрином, проходит через два эти слоя. Каким же образом это происходит? Пользователь в определённой точке касается экрана и упругий верхний слой соприкасается с проводниковым слоем - только в этой точке. Потом компьютером определяются координаты той точки, которой пользователь коснулся.

Когда координаты становятся известны устройству, то специальный драйвер переводит прикосновения в команды, известные операционной системе. В данном случае можно провести аналоги с драйвером самой обычной компьютерной мышки, ведь он занимается точно тем же: объясняет операционной системе то, что конкретно хотел сказать ей пользователь посредством перемещения манипулятора или же нажатия кнопки. С экранами данного типа используют, как правило, специальные стилусы.

Резистивные экраны возможно обнаружить в относительно немолодых устройствах. Как раз таким сенсорным дисплеем оборудован IBM Simon - самый древний смартфон из тех, что были сознаны нашей цивилизацией.

Видео про принцип работы резистивного сенсорного экрана:

Особенности различных типов тачскринов

Наиболее дешёвыми сенсорными экранами, но, при этом, наименее чётко транслирующими изображение являются резистивные тачскрины. Кроме этого, они являются и самыми уязвимыми, ведь абсолютно любым острым предметом возможно серьёзно повредить достаточно нежную резистивную «плёночку».

Следующий тип, т.е. волновые тачскрины, представляют собой самые дорогостоящими среди себе подобных. При этом, резистивная конструкция, вероятнее всего, относится, всё-таки, к прошлому, ёмкостная - к настоящему, а волновая - к будущему. Понятное дело, что грядущее абсолютно никому стопроцентно не известно и, соответственно, в нынешнее время можно только лишь предполагать, какая именно технология имеет большие перспективы для использования её в будущем.

Для резистивной системы тачскринов не имеет никакого особого значения, коснулся резиновым наконечником стилуса или же просто пальцем пользователь экрана устройства. Достаточно того, что между двумя слоями произошло соприкосновение. При этом, ёмкостной экран распознает только лишь касания какими-то токопроводящими предметами. Зачастую пользователи современных устройств работают с ними с помощью собственных пальцев. Экраны волновой конструкции в этом отношении ближе к резистивным. Отдать команду возможно практически любым предметом - при этом нужно только избегать использования тяжёлых или же слишком маленьких объектов, например, стержень шариковой ручки для этого не подойдёт.

Универсальный тип сенсорных экранов еще не разработали, а используемые сейчас технологии имеют как свои преимущества, так и недостатки. О плюсах и минусах основных типов сенсорных экранов читайте в этом материале.

Применение сенсорных экранов наиболее целесообразно в небольших портативных устройствах. Во-первых, это связано с неудобством использования мышки, клавиатуры и прочих устройств ввода в телефонах и другой небольшой электронике. Во-вторых, отказ от аппаратных кнопок позволяет серьезно увеличить площадь экрана. В-третьих, производство сенсорных панелей обходится недешево, и их использование в больших экранах пока как минимум экономически невыгодно.

Тем не менее, начав с таких небольших устройств как КПК, сенсорные экраны уже добрались до среднего формата (планшетов и некоторых ноутбуков), и их появление на большом экране лишь вопрос времени.

Существует всего несколько типов сенсорных экранов. Ниже речь пойдет о трех наиболее распространенных технологиях, а также нескольких ее разновидностях.

РЕЗИСТИВНЫЕ ПАНЕЛИ

Сенсорная часть таких экранов состоит из двух слоев, разделенных небольшим пространством, каждый из которых имеет массив резистивных или проводящих элементов (в зависимости от конкретной реализации).

При нажатии пальцем, стилусом (или любым другим предметом) на поверхность экрана эти слои соприкасаются, элементы замыкаются, и экран «понимает», в каком месте к нему дотронулись.

Учитывая, что контакт между двумя слоями возможен только при использовании гибкого материала, который будет прогибаться под давлением, резистивные экраны, как правило, покрывают специальной гибкой пленкой, а не стеклом. Это приводит к появлению царапин и более частым повреждениям экрана при чрезмерном надавливании стилусом.

Технология является одной из наиболее простых, поэтому она первой появилась в сенсорных устройствах. У нее до сих пор есть определенные преимущества, однако недостатков больше, чем в других типах сенсорных экранов.

Преимущества

Помимо низкой цены (стоимость таких дисплеев приблизительно в два раза ниже емкостных), точность резистивных экранов также мало зависит от состояния верхнего слоя, поэтому в случае его загрязнения или намокания отзывчивость сенсора практически не меняется.

Несмотря на возраст технологии, она до сих пор позволяет делать самые точные сенсорные панели. В правильно откалиброванном дисплее фактически можно попадать стилусом в конкретный пиксель благодаря густой решетке резистивных элементов.

Недостатки

Несмотря на то что из этого правила есть исключения, большинство резистивных экранов не распознают мультитач, то есть экран понимает лишь одно касание (самое первое, либо самое сильное), что существенно ограничивает возможности управления интерфейсом. Даже в устройствах, где мультитач реализован, все равно распознается меньше одновременных касаний, чем в самых обычных емкостных экранах.

Использование нескольких слоев снижает контрастность и яркость экрана. Коэффициент прохождения света составляет ~75%, что на ~15% ниже, чем в емкостных экранах. Таким образом, в устройствах с резистивным сенсором содержимое экрана сложнее рассматривать под прямыми солнечными лучами или при сильном искусственном освещении.

Использование двух слоев, разделенных небольшим зазором, является косвенной причиной снижения точности работы сенсора. Если держать стилус перпендикулярно экрану, то точность может быть одной, однако под углом, расхождение будет составлять несколько пикселей за счет того, что точка, на которую давит стилус, находится не непосредственно над нужным пикселем (эффект параллакса).

Защитой от случайного ввода в резистивных экранах является определенное давление, которое необходимо преодолеть для того чтобы устройство засчитало команду. Следовательно, резистивные экраны сложнее оборудовать дополнительным защитным покрытием, которое лишь увеличит порог срабатывания. В паре с пластиковым покрытием, которое необходимо для гибкости сенсорного слоя, резистивные экраны более других подвержены повреждениям, особенно царапинам, а при неправильном обращении (сильном нажатии острым предметом), могут и попросту треснуть.

Несмотря на то что количество нажатий в каждой конкретной точке оценивается в 30 млн., резистивные экраны все же раньше других типов выходят из строя и являются самыми ненадежными по этому показателю.

Вывод

Небольшая стоимость и устойчивость к загрязнениям (а точнее, сохранению точности ввода при загрязнении), в паре со всеми вышеперечисленными недостатками стали причиной того, что резистивные экраны медленно вытесняются из обихода, хотя и смогли закрепиться в некоторых нишах, например, в секторе терминалов для быстрой оплаты.

Стилусы

Характерной особенностью устройств с резистивным сенсором является распространенное использование стилуса, площадь контакта которого с поверхностью меньше, чем у пальца, а сила давления больше, что является причиной более точного ввода.

Наличие стилуса желательно, хоть и необязательно для экранов с небольшой диагональю (в основном это телефоны, а несколько лет назад и КПК), однако в планшетах достаточной точности можно добиться и с помощью пальцев.

После того как несколько лет назад КПК были полностью вытеснены смартфонами и другими устройствами, казалось, что вместе с ними навсегда сцену покинули и стилусы, однако сейчас все чаще можно встретить их реинкарнацию, особенно в устройствах промежуточных размеров между смартфонами и планшетами.

Поскольку резистивные экраны сейчас используются все реже, стилусы тоже немного изменились. Подстраиваясь под современные реалии, они стали выпускаться со специальными насадками на конце, которые распознаются емкостными экранами.

ЕМКОСТНЫЕ ПАНЕЛИ

Принцип работы емкостных экранов заключается в том, что на специальный слой электропроводника, находящегося на внешней поверхности экрана, подается небольшое напряжение, формирующее однородное электростатическое поле. Когда к экрану прикладывается палец, являющийся проводником электричества, свойства поля меняются вследствие появления утечки (пользователь работает как заземлитель и «крадет» ток у экрана). По изменению емкости можно определить наличие контакта и его координаты.

Для определения координат в углах экрана установлены электроды, измеряющие силу тока утечки, и чем она сильнее на каждом конкретном датчике, тем ближе произошло нажатие. Определив конкретные значения, можно очень точно вычислить координаты нажатия.

Подклассом емкостных экранов являются проекционно-емкостные экраны, принцип работы которых также заключается в измерении емкости, однако базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, что повышает защищенность сенсора. Именно такие экраны сейчас и используются повсеместно в смартфонах.

В отличие от резистивных панелей, где используется гибкий материал, емкостные сенсоры покрывают стеклом. Это лучше защищает их от царапин, хотя с большей вероятностью станет причиной появления трещины при сильном ударе или падении.

Достоинства

Отсутствие нескольких слоев дополнительных материалов не только увеличивает яркость экрана (прозрачность для света составляет приблизительно 90%), но также снижает расстояние между поверхностью экрана и изображением, что позволяет точнее попадать в нужные пиксели. Пускай выигрыш и не большой, но он все же заметен, особенно когда устройство находится под некоторым углом относительно оси зрения, то есть в те моменты, когда разница между реальным положением нужного пикселя на экране и точкой, в которую нужно попасть, смещаются максимально друг относительно друга.

Дисплеи Super AMOLED компании Samsung позволяют еще больше снизить толщину экрана за счет отказа от дополнительного слоя емкостных элементов. В этом типе экранов они встраиваются непосредственно в матрицу.

Емкостные экраны гораздо долговечнее резистивных (практически на порядок) когда речь заходит о количестве нажатий до выхода сенсорных элементов из строя. Число таких повторений оценивается в 200+ млн раз.

Недостатки

Емкостные экраны обходятся дороже резистивных в производстве и требуют, чтобы материал, касающийся их поверхности, обязательно обладал свойствами проводника. Следовательно, использовать любой удобный предмет или работать в обычных перчатках с емкостными экранами не получится. В связи с этим широкое распространение приобретают специальные емкостные стилусы и перчатки для работы с сенсорными панелями в холодную погоду.

Точность емкостных экранов несколько ниже чем, у резистивных, хотя в практических задачах эта разница не сильно заметна, поскольку составляет буквально 1-3 пикселя, и учитывая, что в большинстве случаев интерфейс программ уже и так заточен под устранение этих погрешностей, недостатком это назвать сложно.

Вывод

Емкостные панели по своим характеристикам и цене лучше всего подошли для экранов мобильных устройств, поэтому и доминируют сейчас в этом секторе.

ИНФРАКРАСНЫЕ ПАНЕЛИ

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры начали появляться в устройствах позже других типов панелей, их не стоит считать более совершенными. Несколько преимуществ у них есть, однако, скорее всего, как и резистивные экраны, они останутся нишевыми и не смогут потеснить емкостные панели.

Оптические

Главное отличие инфракрасных сенсоров от всех остальных заключается в том, что специальные датчики расположены не на поверхности экрана, а по краям от него и формируют серию горизонтальных и вертикальных инфракрасных лучей непосредственно над дисплеем. Когда предмет касается экрана, лучи разрываются и таким образом определяется место контакта.

Тепловые

Разновидностью инфракрасных экранов являются экраны с тепловыми сенсорами. Для того, чтобы они реагировали на касания, предмет должен быть теплым.

Как и в емкостных панелях, устройства с инфракрасными датчиками используют защитное покрытие из стекла, что является причиной тех же преимуществ и недостатков: лучшая устойчивость к появлению царапин, но большая вероятность возникновения трещины при сильном ударе.

Достоинства

Расположение сенсоров по бокам от матрицы позволяет отказаться от промежуточного слоя на LCD матрице, что улучшает яркость картинки (прозрачность покрытия составляет практически 100%), уменьшает зазор между реальным изображением и поверхностью экрана, делает дисплей более устойчивым к повреждениям, а также позволяет работать с загрязненным экраном, но при условии, что загрязнения не мешают свободному распространению инфракрасных лучей.

Инфракрасными (оптическими) экранами можно управлять в перчатках, либо используя любые другие удобные предметы.

Недостатки

Любые загрязнения по краям матрицы, заслоняющие инфракрасные источники сигналов, приводят к сбоям в работе сенсоров. Проблемы возникают и при небольших искривлениях устройства, когда лучи покидают плоскость, параллельную экрану.

Однако одной из наиболее распространенных проблем с инфракрасными датчиками является ложное срабатывание. Поскольку пользователям не обязательно физически касаться экрана, то иногда сенсоры активируются и при достаточном приближении пальца к экрану или во время его движения от одной точки к другой.

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры часто используются в устройствах с относительно небольшой стоимостью (например, в электронных книгах), сами экраны с инфракрасным сенсором дороже как резистивных, так и емкостных экранов.

Вывод

Если резистивные и емкостные экраны можно было условно отнести к соответственно отмирающим и доминирующими типам экранов, то инфракрасные сенсоры — технология устройств-маргиналов, поскольку они используются в малоизвестных моделях портативной электроники. Исключение составляют электронные книги, например Nook Touch.

ВМЕСТО ЭПИЛОГА

Сенсорные и обычные дисплеи в ближайшее время ждет еще много инноваций (гибкая матрица, новые защитные покрытия), однако когда речь заходит о технологиях, отвечающих за распознавание ввода, то здесь на горизонте не видно никаких революционных альтернатив, поэтому и дальше доминировать будут емкостные сенсоры, как самые удобные и относительно недорогие по сравнению с другими типами сенсоров.

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.