Кто придумал сенсорный экран. Типы сенсорных экранов

Устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему. Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах. Но мы рассмотрим лишь те которые встречаются в мобильных телефонах и другой переносной технике.

Принцип работы резистивных сенсорных экранов

Резистивные сенсорные экраны бывают двух видов, четырехпроводные и пятипроводные. Рассмотрим принцип работы каждого из типов в отдельности.

Четырёхпроводной резистривный экран

Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Пятипроводной резистивный экран

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем . Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Принцип работы емкостных сенсорных экранов

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.

Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова ). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток - это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят не проводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, установленных в охраняемом помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Принцип работы проекционно-емкостных сенсорных экранов

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор ; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Многие модели реагируют на руку в перчатке. В современных моделях конструкторы добились очень высокой точности - правда, вандалоустойчивые исполнения менее точны.

ПЁЭ реагируют даже на приближение руки - порог срабатывания устанавливается программно. Отличают нажатие рукой от нажатия проводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач . Поэтому такая технология применяется в тачпадах и мультитач-экранах.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран iPhone является проекционно-ёмкостным.

Заключение

Каждый из видов сенсорных экранов имеет свои преимущества и недостатки, для наглядности рассмотрим таблицу.

	Резистивный 4-х проводной	Резистивный 5-ти проводной	Емкостной	Проекционно-емкостной
Функциональность
Рука в перчатке	Да	Да	Нет	Да
Твёрдый проводящий предмет	Да	Да	Да	Да
Твёрдый непроводящий предмет	Да	Да	Нет	Нет
Мультитач	Нет	Да	Да	Да
Измерение силы нажатия	Нет	Нет	Нет	Да
Предельная прозрачность, %	75	85	90	90
Точность	Выс	Выс	Выс	Выс
Надёжность
Срок жизни, млн. нажатий	10	35	200	∞
Защита от грязи и жидкостей	Да	Да	Да	Да
Устойчивость к вандализму	Нет	Нет	Нет	Да

Статья написана по материалам сайта

Наверняка все из вас пользуются компьютерами и мобильными устройствами, и лишь единицы в общем способны рассказать, как работают их процессоры, операционные системы и прочие компоненты.

В эру мобильных гаджетов у всех есть с сенсорным (ещё его называют интеллектуальным) экраном, и почти никто не знает, что такое этот сенсорный дисплей, как он работает и какие его виды существуют.

Что это такое

Сенсорный дисплей (экран) – это устройство для визуализации цифровой информации с возможностью оказывать управленческое воздействие посредством прикосновений к поверхности дисплея.

Основываясь на различных технологиях, разные дисплеи реагируют только на определенные факторы.

Одни считывают изменение ёмкости или сопротивления в области соприкосновения, другие на перепады температуры , некоторые сенсоры реагируют только на специальное перо , чтобы избежать случайных нажатий.

Мы рассмотрим принцип действия всех распространённых видов дисплеев, области их применения, сильные и слабые стороны.

Среди всех существующих принципов управления устройством посредством чувствительной к каким-либо факторам матрицы, обратим внимание на следующие технологии:

резистивная (4-5-ти проводная);
матричная;
ёмкостная и её варианты;
поверхностно-акустическая;
оптическая и иные менее распространённые и практичные.

В общем схема работы следующая: пользователь прикасается к области экрана, датчики передают контроллеру данные об изменении какой-либо переменной (сопротивления, ёмкости), тот рассчитывает точные координаты места соприкосновения и отправляет их .

Последний, основываясь на программе, соответствующим образом реагирует на нажатие.

Резистивные

Самый простой сенсорный экран – резистивный. Он реагирует на изменение сопротивления в области касания постороннего предмета и экрана.

Это самая примитивная и распространённая технология. Устройство состоит из двух основных элементов:

токопроводящая прозрачная подложка (панель) из полиэстера или иного полимера толщиной в несколько десятков молекул;
светопроводящая мембрана из полимерного материала (как правило, используется тонкий слой пластика).

На оба слоя напылен резистивный материал. Между ними расположены микроизоляторы в виде шариков.

Во время этапа эластичная мембрана деформируется (прогибается), соприкасается со слоем подложки и замыкает её.

Контроллер посредством аналого-цифрового преобразователя реагирует на замыкание. Он высчитывает разницу между исходным и текущим сопротивлением (или проводимостью) и координаты точки или области, где это осуществляется.

Практика быстро выявила недостатки таких устройств, и инженеры приступили к поиску решений, которые вскоре были найдены путём добавления 5-го провода.

Четырёхпроводной

Верхний электрод находится под напряжением 5В, а нижний заземлён.

Левый с правым соединены напрямую, они и являются индикатором изменения напряжения по оси Y.

Затем верхний с нижним закорачиваются, а на левый с правым подается 5В, чтобы считать X-координату.

Пятипроводной

Надёжность обусловлена заменой резистивного покрытия мембраны на токопроводящее.

Панель же изготавливается из стекла и остается покрытой резистивным материалом , а на её углах размещаются электроды.

Сначала все электроды заземляются, а мембрана находится под напряжением, которое постоянно мониторится тем же аналого-цифровым преобразователем.

Во время прикосновения контроллер (микропроцессор) улавливает изменение параметра и проводит расчёты точки/области, где напряжение изменилось по схеме с четырьмя проводами.

Важное преимущество – возможность наносить на выпуклые и вогнутые поверхности.

На рынке встречаются и 8-ми проводные экраны. Их точность выше, чем рассмотренные, но на надёжность это ни коим образом не влияет, а цена заметно отличается.

Заключение

Рассмотренные сенсоры используются повсеместно ввиду низкой себестоимости и стойкости к влиянию факторов внешней среды, таких как загрязнение и пониженные температуры (но не ниже нуля).

Они отлично откликаются на прикосновение практически любым предметом, но не острым.

Площади карандаша или спички, как правило, недостаточно для вызова реакции контроллера.

Ставятся такие дисплеи на , используются в сфере обслуживания (офисы, банки, магазины), медицине и образовании.

Везде, где устройства изолированы от внешней среды, а вероятность быть повреждённым минимальна.

Невысокая надёжность (экран легко повредить) частично компенсируется защитной плёнкой.

Плохое функционирование на морозе, низкое светопропускание (0,75 и 0,85 соответственно), ресурс (не более 35 миллионов нажатий для терминала, которым постоянно пользуются, совсем немного) – слабые стороны технологии.

Матричные

Более упрощенная резистивная технология, возникшая ещё до неё.

Мембрана покрыта рядами вертикальных проводников , а подложка – горизонтальными.

При нажатии происходит вычисление области, где сомкнулись проводники и полученные данные передаются в процессор.

Он уже вырабатывает управляющий сигнал и устройство определённым образом реагирует, например, выполняет закреплённое за кнопкой действие).

Особенности:

очень низкая точность (количество проводников весьма ограничено);
самая низкая цена среди всех;
реализации функции мультитач из-за опроса экрана по строчкам.

Используются только в устаревшей электронике и почти вышли из обихода ввиду наличия прогрессивных решений.

Ёмкостные

Принцип основан на способности объектов большой ёмкости становиться проводниками переменного электрического тока.

Экран изготовлен в виде стеклянной панели с тонким слоем напыленного резистивного вещества.

Электроды по углам дисплея подают небольшое напряжение переменного тока на проводящий слой.

В момент соприкосновения осуществляется утечка тока , если предмет имеет большую электрическую ёмкость, чем экран.

По углам экрана регистрируется ток, а сведения с датчиков отправляются контроллеру на обработку. На их основании происходит вычисление области контакта.

В первых прототипах использовалось напряжение постоянного тока. Решение делало конструкцию проще, но часто возникали сбои, когда пользователь не соприкасался с землёй.

Данные девайсы очень надёжны, их ресурс превышает резистивные ~ в 60 раз (порядка 200 млн. нажатий), влагостойкие и отлично терпят загрязнения, не проводящие электрический ток.

Прозрачность находится на уровне 0,9, что немного выше, резистивных, и работают при температуре до - 15 0 С.

Недостатки:

не реагирует на перчатку и большинство посторонних предметов;
проводящее покрытие находится в верхнем слое и очень уязвимо к механическим повреждениям.

Используются в тех же банкоматах и терминалах под закрытым небом.

Проекционно-ёмкостные

На внутреннюю поверхность наносится электродная сетка, образующая с телом человека ёмкость (конденсатор). Электроника (микроконтроллер и датчики) работают над расчётом координат при и отправляет расчёты центральному процессору.

Обладают всеми особенностями ёмкостных.

Вдобавок могут оснащаться толстой пленкой до 1,8 см, что повышает защиту от механических воздействий.

Токопроводящие загрязнения, где их тяжело или невозможно устранить, без проблем убираются программным методом.

Чаще всех иных устанавливаются в персональные электронные устройства, банкоматы и различную технику, установленную фактически под открытым небом (под накрытием). Apple также отдают предпочтение проекционно-ёмкостным дисплеям.

Поверхностно-акустическая волна

Изготавливается в виде стеклянной панели, оснащённой пьезоэлектрическими преобразователями ПЭП, расположенными на противоположных углах, и приёмниками.

Их тоже пара и находятся на противоположных углах.

Генератор отправляет электрический сигнал ВЧ на ПЭП, тот превращает череду импульсов в ПАВ, а отражатели распространяют её.

Отраженные волны улавливаются датчиками и поступают на ПЭП, который преобразовывает их обратно в электричество.

Сигнал отправляется на контроллер, который анализирует его.

При касании параметры волны изменяются, в частности поглощается часть её энергии в определённом месте. На основании этой информации производится расчёт области касания и его силы.

Весьма высокая прозрачность (выше 95%) обусловлена отсутствием проводящих/резистивных поверхностей.

Порой для устранения бликов отражатели света вместе с приёмниками монтируются непосредственно на экран.

Сложность конструкции никоим образом не отражается на эксплуатации девайса с таким экраном, а число прикосновений в одной точке равняется 50 млн раз, что немного превышает ресурс резистивной технологии (65 млн. раз в общем).

Выпускаются с тонкой плёнкой порядка 3 мм и утолщенной – 6 мм. Благодаря такой защите дисплей выдерживает несильный удар кулаком.

Слабые стороны:

плохая работа в условиях вибрации и тряски (в транспорте, при ходьбе);
отсутствие стойкости к загрязнениям – любой посторонний предмет влияет на функционирование дисплея;
помехи при наличии акустических шумов определённой конфигурации;
точность немногим ниже, чем в ёмкостных, из-за чего непригодны для рисования.

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.

Еще совсем недавно мало кто мог поверить в то, что телефоны с привычными кнопками уступят место устройствам, которые управляются с помощью прикосновения к экрану. Но времена меняются и спрос на кнопочные телефоны постепенно падает, а на смартфоны - растет.

Термин «тачскрин» образовался от двух слов - Touch и Screen, что в переводе с английского языка переводится как «сенсорный экран». Да, именно так - тачскрин и есть сенсорный экран, к которому вы прикасаетесь, когда пользуетесь своим смартфоном или планшетом. На деле же сенсорные экраны встречаются не только в мире мобильной техники. Так, вы могли видеть их при внесении средств на счет мобильного устройства через терминал, в банкомате, в билетных устройствах и т.д.

Своим появлением touch-screen обязан западным учёным. Самые первые образцы появились на свет во второй половине 60-ых годов прошлого века. На основании этого можно сделать вывод о том, что тачскрин используется вот уже более 40 лет. До появления смартфонов они использовались в банкоматах и т.д. В настоящий момент каждый человек, который пользуется сотовой связью, автомобильными навигаторами, посещает банки и магазины, сталкивается с данной технологией, порой даже не догадываясь о том, как она называется. Итак, мы разобрались в том, что такое тачскрин в телефонах. По сути, это то же самое, что и дисплей, реагирующий на касание пальцев. Он прекрасно используется вместо клавиатуры и активно применяется в мобильных технологиях. К достоинствам тачскрин можно отнести защиту от пыли, влаги и прочих неблагоприятных факторов окружающей среды, а также высокую степень надёжности. Если наше сенсорное устройство не всегда реагирует на касание, либо и вовсе отказывается это делать, к примеру, не желает менять яркость на iPad, скорее всего, из строя вышел именно touch-screen. Стоит он относительно недорого (особенно если нас интересует резистивный дисплей), и заменить его легко.

Основа тачскрина

Основа любого тачскрина - это матрица на жидких кристаллах, которая фактически является уменьшенной копией той, что находится в мониторе. На обратной стороне расположены диоды подсветки, а на лицевой - ряд слоев, которые фиксируют нажатие (резистивный экран) или прикосновение (емкостной экран).

Человек, который хорошо разбирается в том, что такое тачскрин, понимает, что большая часть произведенных устройств использует резистивный сенсорный экран. Это следует из их дешевизны и относительной простоты конструкции. Многие китайские «смартфоны», заполонившие рынок, имеют резистивный тип экрана, технология изготовления которого, кстати, появилась раньше, чем емкостная.

Виды сенсорных экранов

Сенсорные экраны подразделяются на резистивные, матричные, проекционно-ёмкостные, сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах, инфракрасные, оптическиие, тензометрические, сенсорные экраны DST и индукционные.

Резистивные сенсорные экраны

Подразделяются на четырехпроводные и пятипроводные.

Сенсор резистивного экрана состоит из двух прозрачных пластмассовых пластин с тонкой токопроводящей сеткой, которые находятся на поверхности обычного жидкокристаллического экрана. Между пластинами - прозрачный диэлектрический слой. Программа выводит графический интерактивный интерфейс, который благодаря прозрачным материалам на матрице хорошо видно. Отвечая на запрос программы, пользователь нажимает на нужную точку интерфейса (например, изображение кнопки). - Расходится пластичный диэлектрик расходится, соприкасаются пластмассовые пластины, подавая ток с электрода одной на сетку другой. Появление тока фиксируется регистрирующим контроллером, который в соответствии с сеткой координат определит точку нажатия. Координаты точки поступают в программу и обрабатываются по заложенным алгоритмам.

Четырёхпроводной экран

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микро-изоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

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

Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надёжности.

Пятипроводной экран

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

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

Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Резистивные сенсорные экраны дёшевы и стойки к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твёрдым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, медиатором. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры не исключены: для автоматизации промышленных процессов, в медицине, в сфере обслуживания (POS-терминалы), в персональной электронике (КПК). Лучшие образцы обеспечивают точность в 4096×4096 пикселей.

Недостатками резистивных экранов являются низкое светопропускание (не более 85% для 5-проводных моделей и ещё более низкое для 4-проводных), низкая долговечность (не более 35 млн нажатий в одну точку) и недостаточная вандалоустойчивость (плёнку легко разрезать).

Матричные сенсорные экраны

Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану - вертикальные.

При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессор соответствующие координаты.

Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учётом клеток матричного экрана. Единственное достоинство - простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить мультитач. Постепенно заменяются резистивными.

Ёмкостные сенсорные экраны

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят токонепроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90%. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран, например, iPhone является проекционно-ёмкостным, а не ёмкостным.

Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Компания Samsung сумела установить чувствительные электроды прямо между субпикселями AMOLED-экрана, это упрощает конструкцию и повышает прозрачность.

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁСЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны широко применяются и в персональной электронике, и в автоматах, в том числе установленных на улице. Многие разновидности поддерживают мультитач.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах

Экран представляет собой стеклянную панель с пьезоэлектрическими преобразователями (ПЭП), находящимися по углам. По краям панели находятся отражающие и принимающие датчики. Принцип действия такого экрана заключается в следующем. Специальный контроллер формирует высокочастотный электрический сигнал и посылает его на ПЭП. ПЭП преобразует этот сигнал в ПАВ, а отражающие датчики его соответственно отражают.

Эти отражённые волны принимаются соответствующими датчиками и посылаются на ПЭП. ПЭП, в свою очередь, принимают отражённые волны и преобразовывают их в электрический сигнал, который затем анализируется с помощью контроллера. При касании экрана пальцем часть энергии акустических волн поглощается. Приёмники фиксируют это изменение, а микроконтроллер вычисляет положение точки касания. Реагирует на касание предметом, способным поглотить волну (палец, рука в перчатке, пористая резина).

Главным достоинством экрана на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является возможность отслеживать не только координаты точки, но и силу нажатия (здесь, скорее, способность точно определять радиус или область нажатия), благодаря тому, что степень поглощения акустических волн зависит от величины давления в точке касания (экран не прогибается под нажатием пальца и не деформируется, поэтому сила нажатия не влечет за собой качественных изменений в обработке контроллером данных о координатах воздействия, который фиксирует только область, перекрывающую путь акустических импульсов).

Данное устройство имеет очень высокую прозрачность, так как свет от отображающего прибора проходит через стекло, не содержащее резистивных или проводящих покрытий. В некоторых случаях для борьбы с бликами стекло вообще не используется, а излучатели, приёмники и отражатели крепятся непосредственно к экрану отображающего устройства. Несмотря на сложность конструкции, эти экраны довольно долговечны. По заявлению, например, американской компании Tyco Electronics и тайваньской фирмы GeneralTouch, они выдерживают до 50 млн касаний в одной точке, что превышает ресурс 5-проводного резистивного экрана.

Экраны на ПАВ применяются, в основном, в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило, экраны ПАВ различают на обычные - толщиной 3 мм, и вандалостойкие - 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0.5 кг с высоты 1.3 метра (по данным Elo Touch Systems). На рынке предлагаются варианты подключения к компьютеру как через интерфейс RS232, так и через интерфейс USB. На данный момент большей популярностью пользуются контроллеры к сенсорным экранам ПАВ, поддерживающие и тот, и другой тип подключения - combo (данные Elo Touch Systems).

Главным недостатком экрана на ПАВ являются сбои в работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами, а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённый на экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует его работу. Кроме того, данная технология требует касания предметом, который обязательно поглощает акустические волны, - то есть, например, пластиковая банковская карточка в данном случае неприменима.

Точность этих экранов выше, чем матричных, но ниже, чем традиционных ёмкостных. Для рисования и ввода текста они, как правило, не используются.

Инфракрасные сенсорные экраны

Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост - сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.

Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения, например, в электронных книгах. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Часто на таком принципе делают клавиатуры домофонов. Данный тип экрана применяется в обильных телефонах компании Neonode.

Оптические сенсорные экраны

Стеклянная панель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе «стекло-воздух» получается полное внутреннее отражение, на границе «стекло - посторонний предмет» свет рассеивается. Остаётся заснять картину рассеивания, для этого существуют две технологии:

В проекционных экранах рядом с проектором ставится камера.

Так устроен, например, Microsoft PixelSense.

Либо светочувствительным делают дополнительный четвёртый субпиксель ЖК-экрана.

Позволяют отличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами, есть мультитач. Возможны большие сенсорные поверхности, вплоть до классной доски.

Тензометрические сенсорные экраны

Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Основное применение - банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.

Сенсорные экраны DST

Сенсорный экран DST (Dispersive Signal Technology) регистрирует пьезоэлектрический эффект в стекле. Возможно нажатие на экран рукой или любым предметом.

Отличительной особенностью является высокая скорость реакции и возможность работы в условиях сильного загрязнения экрана. Однако палец должен двигаться, неподвижный палец система не замечает.

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.

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.