Что такое сенсорное стекло. Как работают сенсорные экраны

Еще десять лет назад мобильные телефоны обладали кнопочным управлением.

Исключением являлись карманные персональные компьютеры, которые производители снабжали сенсорным экраном со стилусом. Презентация первого Apple iPhone послужила причиной создания сенсорных смартфонов. Подобные устройства быстро получили популярность среди покупателей благодаря простому управлению и привлекательному дизайну корпуса. Также производители получили возможность устанавливать широкие экраны - на переднем корпусе освободилось место, ранее предназначавшееся для физических клавиш.

Несмотря на разнообразие телефонов, сенсорные экраны выпускаются в двух вариантах конструкции. Покупателям доступна резистивная и емкостная технология, причем первый вариант постепенно уходит с рынка из-за конкуренции с новой технологией. Мы рассмотрим две разновидности сенсорных дисплеев и выделим их главные особенности.

Резистивный тачскрин

Резистивные тачскрины - бюджетные сенсорные экраны. Обычно ими оснащаются недорогие китайские телефоны. Деталь состоит из нескольких прозрачных компонентов, между которыми располагается токопроводящая сетка. После касания цепь замыкается, и специальный электронный контроллер рассчитывает координаты совершенного нажатия. Из-за особенности конструкции резистивный экран способен обработать только единственное нажатие.

Преимуществом резистивного тачскрина считается возможность использования для нажатия любых предметов. Раньше производители даже комплектовали телефоны стилусами для удобного выбора элементов на экране.

Недостатком резистивных экранов считается повышенная подверженность повреждениям. Элемент невозможно выполнить из твердого материала, поэтому такие тачскрины постоянно покрывались царапинами, сколами и трещинами. Ситуацию спасало лишь наклеивание защитной пленки на поверхность сенсора.

Емкостный тачскрин

Емкостные сенсорные экраны обладают принципиально другой технологией создания. Производители создают стеклянную панель с токопроводящей поверхностью. По углам располагаются четыре датчика, регистрирующие утечку подающегося на панель тока. В результате контроллер обрабатывает расположение утечек и передает процессору координаты.

Благодаря такой технологии, емкостные тачскрины поддерживают несколько нажатий. Также владельцы смартфонов способны пользоваться жестами для увеличения изображения или прокрутки информации.

Главным преимуществом емкостных сенсоров считается высокая чувствительность - чтобы совершить нажатие, достаточно легкого прикосновения. Это было невозможно в резистивных экранах, где пользователям приходилось буквально надавливать на поверхность панели. Дополнительно достоинство - высокая прочность. Современные производители производят тачскрины из закаленного стекла, выдерживающего механические воздействия. Экраны смартфонов хорошо выносят прикосновения острыми предметами и даже незначительные удары.

Заключение

Тачскрин в телефоне и смартфоне - удобный инструмент взаимодействия с операционной системой и всеми функциями устройства. Благодаря этой технологии отпала необходимости в большом количестве физических кнопок. Это экономит место и позволяет увеличить размер дисплея благодаря отсутствию клавиш. Технология сенсорного управления быстро развивается - сейчас многие современные телефоны поддерживают 10 одновременных нажатий.

Инструкция

Технология тачскрин (от англ.t ouch-касаться и screen-экран) была разработана на замену кнопочного управления более 40 лет назад на Западе с целью удобства пользования и экономии места на рабочей поверхности банкоматов. Позднее же она нашла применение практически во всех сферах современной действительности: от уже привычных смартфонов и платежных терминалов до приборной панели в автомобилях. Тачскрин представляет собой сенсорный экран, управляемый при помощи касания пальцами или специальным стиллусом. Причем ввиду отсутствия кнопок и, следовательно, зазоров между ними, исключается риск попадания пыли или влаги внутрь самого прибора.

Помимо широкого спектра применения сенсорных технологий в работе самих мониторов используются разные системы, способные распознать прикосновение человека. Резистивная панель состоит из двух пластин, разделенных диэлектриком и покрытых специальным токопроводящим составом. Верхняя пластина гибкая, а нижняя – жесткая. Заряд проходит через два слоя в момент и в месте касания пользователем экрана. Данное изменение электроды, расположенные по краям пластин, передают контроллеру, который и обрабатывает сигнал, вычисляя координаты касания. Данный тип экрана является самым распространенным, однако, несмотря на свою простоту и дешевизну, он имеет существенный недостаток. Гибкая пластина подвержена быстрому износу и рассчитана на миллион касаний в одной точке.

Больший «запас» касаний имеет емкостный тип экрана. Еще одним преимуществом перед резистивной моделью является способность передачи более четкого изображения. Принцип же работы данного типа экрана основывается на способности человека проводить электрический заряд. В данной системе, слой, который хранит электрический заряд, находится на стеклянной панели монитора. В момент касания часть заряда переходит к пользователю. Уменьшение заряда на емкостном слое передается электродами контроллеру, который определяет координаты касания.

Самой интересной и дорогостоящей системой является технология поверхностных акустических волн. Вместо электродов по углам экрана размещаются пьезоэлектрические излучатели, преобразующие сигнал в ультразвуковую волну, которая равномерно распространяется отражателями по всей площади экрана. Затем ультразвук фокусируется на приемнике, который преобразует полученное колебание обратно в электрический сигнал.

Любое касание экрана приводит к изменению картины за счет распространения волн. Контроллер сравнивает его с эталонной матрицей и вычисляет искомую координату. Также контроллер может определять и силу нажатия, что, помимо высокой точности и высокого качества картинки, является одним самых главных достоинств ПАВ-панелей.

iPhone 2G был первым мобильным телефоном, управление которым полностью строилось на взаимодействии с сенсорным экраном. С момента его презентации прошло больше десяти лет, но многие из нас все еще не знают, как устроен Touchscreen. А ведь мы сталкиваемся с этим интуитивным средством ввода не только в смартфонах, но и в банкоматах, платежных терминалах, компьютерах, автомобилях и самолетах - буквально повсюду.
До тачскринов самым распространенным интерфейсом для ввода команд в электронные устройства были различные клавиатуры. Хотя, кажется, что у них с тачскринами нет ничего общего, на самом деле то, насколько сенсорный экран по принципам работы схож с клавиатурой, может удивить. Давайте рассмотрим их устройство в деталях.

Клавиатура представляет собой печатную плату, на которой устанавливается несколько рядов переключателей-кнопок. Вне зависимости от их конструкции, мембранной или механической, при нажатии каждой из клавиш происходит одно и то же. На компьютерной плате под кнопкой замыкается электрическая цепь, компьютер регистрирует прохождение тока в этом месте схемы, «понимает», какая клавиша нажата и выполняет соответствующую ей команду. В случае с сенсорным экраном происходит почти тоже самое.

Существует порядка десятка различных видов сенсорных экранов, однако большинство из этих моделей или давно устарело и не используется, или относится к экспериментальным и вряд ли когда-нибудь появится в серийных устройствах. Прежде всего, я расскажу об устройстве актуальных технологий, тех из них, с которыми постоянно взаимодействуете или хотя бы можете столкнуться в повседневной жизни.

Резистивный сенсорный экран

Резистивные сенсорные экраны изобретены еще в 1970 году и с тех пор изменились мало.
В дисплеях с такими сенсорами над матрицей располагается пара дополнительных слоев. Впрочем, оговорюсь, матрица здесь вовсе не обязательна. Первые резистивные сенсорные устройства не были экранами вовсе.

Нижний сенсорный слой состоит из стеклянной основы и называется резистивным слоем. На него наносится прозрачное металлическое покрытие, хорошо передающее ток, например, из такого полупроводника, как оксид индия-олова. Верхний слой тачскрина, с которым взаимодействует пользователь нажимая на экран, сделан из гибкой и упругой мембраны. Он называется проводящим слоем. В пространстве между слоями оставляют воздушную прослойку, либо равномерно усеивают его микроскопическими изолирующими частицами. По краям к сенсорному слою подводится четыре, пять или восемь электродов, связывающих его с датчиками и микроконтроллером. Чем больше электродов, тем выше чувствительность резистивного такчскрина, поскольку изменение напряжения на них постоянно отслеживается.

Вот экран с резистивным тачскрином включен. Пока ничего не происходит. Электрический ток свободно течет по проводящему слою, но когда пользователь дотрагивается до экрана, мембрана сверху прогибается, изолирующие частицы расступаются, и она касается нижнего слоя тачскрина, вступает в контакт. За этим следует изменение напряжения разом на всех электродах экрана.

Контроллер тачскрина обнаруживает изменения напряжения и считывает показания с электродов. Четыре, пять, восемь значений и все разные. По разнице в показаниях между правым и левым электродами микроконтроллер вычислит X-координату нажатия, а по различиям в напряжении на верхнем и нижнем электродах, определит Y-координату и, таким образом, сообщит компьютеру точку, в которой слои сенсорного слоя экрана соприкоснулись.

Резистивные сенсорные экраны могут похвастать длинным перечнем недостатков. Так, они в принципе не способны распознать двух одновременных нажатий, не говоря уже о большем числе. Они плохо ведут себя на холоде. Из-за необходимости в прослойке между слоями сенсора, матрицы таких экранов заметно теряют в яркости и контрастности, склонны бликовать на солнце, и в целом выглядят заметно хуже. Тем не менее, там, где качество изображения играет второстепенную роль, их продолжают применять в силу устойчивости к загрязнениям, возможности использования в перчатках и, что самое главное, низкой стоимости.

Такие средства ввода повсеместно монтируются в недорогих массовых устройствах, вроде информационных терминалов в общественных местах и все еще встречаются в устаревающих гаджетах, типа дешевых MP3-плееров.

Инфракрасный сенсорный экран

Следующим, куда менее распространенным, но, тем не менее, актуальным вариантом сенсорного экрана является инфракрасный тачскрин. Он не имеет ничего общего с резистивным сенсором, хотя и выполняет схожие функции.

Инфракрасный тачскрин сконструирован из массивов светодиодов и светочувствительных фотоэлементов, расположенных на противоположных сторонах экрана. Светодиоды подсвечивают поверхность экрана невидимым инфракрасным светом, образуя на ней нечто вроде паутины или координатной сетки. Это напоминает охранную сигнализацию, какой ее показывают в шпионских боевиках или компьютерных играх.

Когда к экрану что-то прикасается, не важно палец это, рука в перчатке, стилус, или карандаш, два или более луча прерываются. Фотоэлементы фиксируют это событие, контроллер тачскрина выясняет, какие из них недополучают инфракрасный свет и по их положению вычисляет зону экрана, в которой возникло препятствие. Остальное - сопоставить прикосновение с тем, какой элемент интерфейса находится на экране в этом месте - задача программного обеспечения.

Сегодня с инфракрасными сенсорными экранами можно столкнуться в тех гаджетах, чьи экраны обладают нестандартной конструкцией, там, где добавлять дополнительные сенсорные слои технически сложно или нецелесообразно - в электронных книгах на базе дисплеев E-link, например, Amazon Kindle Touch и Sony Ebook. Кроме того, устройства с подобными сенсорами из-за простоты и ремонтопригодности приглянулись военным.

Емкостный сенсорный экран

Если в резестивных сенсорных экранах компьютер регистрирует изменение проводимости, последовавшее за нажатием на экран, непосредственно между слоями сенсора, то емкостные сенсоры фиксируют прикосновение непосредственно.

Человеческое тело, кожа - хорошие проводники электричества и обладают электрическим зарядом. Обычно это замечаешь пройдясь по шерстяному ковру или сняв любимый свитер, а затем прикоснувшись к чему-либо металлическому. Все мы знакомы со статическим электричеством, испытывали его действие на себе и видели крошечные искры, срывающиеся с наших пальцев в темноте. Более слабый, незаметный обмен электронами между человеческим телом и различными проводящими поверхностями происходит постоянно и именно его фиксируют емкостные экраны.

Первые такие тачскрины назывались поверхностно-емкостными и были логичным развитием резистивных сенсоров. В них всего один проводящий слой, похожий на тот, что использовался ранее, устанавливался прямо поверх экрана. К нему также присоединялись чувствительные электроды, на этот раз по углам сенсорной панели. Следящие за напряжением на электродах датчики и их программное обеспечение были сделаны заметно чувствительнее и теперь могли улавливать малейшие изменения в течении электрического тока по экрану. Когда палец (другой проводящий ток предмет, например, стилус) касается поверхности с поверхностно-емкостным тачскрином, проводящий слой немедленно начинает обмениваться с ним электронами, а микроконтроллер это замечает.

Появление поверхностно-емкостных тачскринов стало прорывом, однако из-за того, что нанесенный прямо поверх стекла токопроводящий слой было легко повредить, они не были пригодны для устройств нового поколения.

Для создания первого iPhone потребовались проекционно-емкостные сенсоры. Этот тип тачскринов быстро стал наиболее распространенным в современной потребительской электронике: смартфонах, планшетах, ноутбуках, моноблоках и прочих бытовых устройствах.

Верхний слой экрана с тачскрином этого типа выполняет защитную функцию и может быть сделан из закаленного стекла, например, знаменитого Gorilla Glass. Ниже располагаются тончайшие электроды, образующие сетку. Поначалу их накладывали друг на друга в два слоя, затем для уменьшения толщины экрана стали располагать на одном уровне.

Выполненные из полупроводниковых материалов, в том числе уже упоминавшегося оксида индия-олова, эти токопроводящие волоски создают электростатическое поле в местах своего пересечения.

Когда палец касается стекла, за счет электропроводных свойств кожи он искажает локальное электрическое поле в местах ближайших пересечений электродов. Это искажение может быть измерено, как изменение емкости в отдельно взятой точке сетки.

Поскольку массив электродов делается достаточно мелким и плотным, такая система способна отслеживать касание очень точно и без проблем улавливает сразу несколько прикосновений. Кроме того, отсутствие дополнительных слоев и прослоек в бутерброде из матрицы, сенсора и защитного стекла положительно сказывается на качестве изображения. Правда, по той же причине, разбитые экраны, как правило, заменяются полностью. Однажды собранный воедино, экран с проекционно-емкостным сенсором чрезвычайно сложно поддается ремонту.

Сейчас преимущества проекционно-емкостных тачскринов не звучат, как что-то удивительное, но на момент презентации iPhone они обеспечили технологии колоссальный успех, несмотря на объективные минусы - чувствительность к загрязнениям и влажности.

Чувствительные к давлению сенсорные экраны - 3D Touch

Идейным предшественником сенсорных экранов, чувствительных к давлению, стала фирменная технология Apple, под названием Force Touch, применявшаяся в умных часах компании, MacBook, MackBook Pro и Magic Trackpad 2.

Опробовав на этих устройствах интерфейсные решения и различные сценарии использования распознавания силы нажатия, Apple начала внедрение похожего решения в свои смартфоны. В iPhone 6s и 6s Plus распознавание и измерение давления стало одной из функций тачскрина и получило коммерческое наименование 3D Touch.

Хотя в Apple и не скрывали, что новая технология лишь модифицирует привычные нам емкостные сенсоры и даже показали схему, в общих чертах объяснявшую принцип ее действия, подробности об устройстве сенсорных экранов с 3D Touch появились только после того, как первые iPhone нового поколения были разобраны энтузиастами.

Для того, чтобы научить емкостной сенсорный экран распознавать нажатия и различать несколько степеней давления, инженерам из Купертино потребовалось пересобрать бутерброд сенсорного экрана. Они внесли изменения в отдельные его части и добавили к емкостному еще один, новый слой. И, что интересно, делая это, они явно вдохновлялись устаревшими резистивными экранами.

Сетка емкостных сенсоров осталась без изменений, однако она была перенесена назад, ближе к матрице. Между набором электрических контактов, следящих за местом прикосновения к дисплею, и защитным стеклом был интегрирован дополнительный массив из 96 отдельных датчиков.

Его задача заключалась не в том, чтобы определить местоположение пальца на экране iPhone. С этим по-прежнему отлично справлялся емкостный тачскрин. Эти пластины необходимы для обнаружения и измерения степени изгиба защитного стекла. Компания Apple специально для iPhone заказала у Gorilla Glass разработку и производство такого защитного покрытия, которое бы сохраняло прежнюю прочность и, в то же время, было достаточно гибким, чтобы экран мог реагировать на давление.

На этой разработке можно было закончить материал, повествующий о сенсорных экранах, если бы не еще одна технология, которой несколько лет назад прочили большое будущее.

Волновые сенсорные экраны

Пользователи смартфонов, плохо владеющие английским, бывают озадачены, услышав название «тачскрин» - это что за часть телефона? Обычно так именуют любой сенсорный экран вне зависимости от того, на каком устройстве он установлен. В настоящее время подобные дисплеи используются не только для мобильных гаджетов, но и встраиваются в различные терминалы самообслуживания.

Что представляет собой тачскрин?

Данный термин произошел от слияния 2 английских слов: touch и screen, что в переводе обозначает «сенсорный экран». Такой дисплей реагирует на прикосновения и позволяет упростить управление техникой. Однако стоит различать несколько типов оборудования, поскольку принцип их работы не совсем похож.

В современных гаджетах, например на айфоне, устанавливают емкостные и проекционно-емкостные дисплеи. Последний вид можно назвать более продвинутым, поскольку он способен считывать определенное количество прикосновений одновременно. Сами по себе такие тачскрины являются стеклянными панелями со слоем резистивного материала и электродами.

Также существуют дисплеи, на которые нанесена гибкая мембрана. Между ней и стеклом располагаются микроизоляторы, нажатие на которые провоцирует изменение сопротивления. Его фиксирует контроллер и преобразует в координаты, в результате чего происходит управление девайсом.

Основное различие между этими типами технологий в том, что емкостный дисплей не реагирует на касание каким-либо предметом и даже простым стилусом, чего не скажешь о резистивном тачскрине. Таким образом, блокировка смартфона на нем срабатывает намного лучше, чем на его устаревшем «собрате».

Принцип работы разных экранов

Существует всего 3 вида Touch Screen, 2 из которых уже были кратко описаны:

емкостный;
волновой;
резистивный.

Начать стоит с наиболее используемого, т. е. емкостного дисплея. Как работает такой экран на телефоне? Все довольно просто. Резистивный слой служит накопителем заряда, который пропускают электроды, в то время как пользователь своим касанием выталкивает часть энергии в определенной точке. Это работает благодаря тому, что в человеческом теле тоже присутствует ток. Когда степень заряда уменьшается, данное изменение фиксируют микросхемы и передают его драйверу тачскрина.

Главное преимущество таких дисплеев в том, что они довольно износостойкие. В течение долгого времени не теряют изначальной яркости и способны передавать более четкие изображения.

Принцип работы резистивного экрана был изложен выше. Если разбираться в этом подробнее, то следует сказать, что гибкая мембрана представляет собой упругую металлическую пластину, которая пропускает ток. Между ней и слоем проводника находится пустое пространство. Взаимодействуя с дисплеем, пользователь производит легкое нажатие на его поверхность, смыкая мембрану с проводником в этой точке. Далее все происходит по той же схеме: система считывает координаты, а драйвер отдает команды ОС.

Резистивные дисплеи уже давно не являются ходовыми, поскольку их функциональность несколько ограничена в сравнении с емкостными тачскринами. Такие экраны можно встретить только в сильно устаревшей технике или различных терминалах, но реже.

Что такое тачскрин волновой? Это также стеклянная поверхность с сеткой координат и преобразователями. Один из них передает импульсы, в то время как другой принимает сигналы, отраженные рефлектором. Таким образом, заряд «гуляет» по преобразователям, создавая акустическую волну, которую пользователь прерывает нажатием. Так определяется место прикосновения.

Данный вид дисплея является лучшим вариантом для художников и графических дизайнеров, т. к. он не искажает изображение в связи с отсутствием металлического покрытия. Он же является самым дорогостоящим, при этом многие относят его к технологиям будущего, считая что даже емкостный дисплей уйдет в небытие, уступив место волновой технологии.

Все мы пользуемся мобильными телефонами, большинство из нас – современными мобильными гаджетами: смартфонами и планшетами, которыми можно управлять при помощи нажатия на экран, а если быть точнее – при помощи прикосновения к экрану.

Это довольно удобно. Но что за технология позволяет отдавать команды смартфону простыми нажатиями? Давайте разбираться.

Тачскрин – это сенсорный экран, который позволяет отдавать команды устройству за счёт взаимодействия с элементами при помощи прикосновений. Слово «тачскрин» образовано от двух английских слов «touch» (трогать, прикасаться) и «screen» (экран).

По принципу работы тачскрины делятся на резистивные и ёмкостные.

Тачскрин (сенсорный экран)

Резистивные сенсорные экраны

Резистивный тачскрин – это сенсорный экран, который представляет собой гибкую прозрачную мембрану с токопроводящим покрытием. Такое покрытие ещё называют «резистивным», отсюда и название. Под мембраной располагается стекло со слоем, проводящим ток.

Работают резистивные сенсорные экраны следующим образом. При нажатии на экран происходит замыкание стекла с мембраной в определённой точке, что позволяет микропроцессору вычислить координаты касания. Чем точнее прикосновение (попадание по нужному элементу на экране минимальной поверхностью), тем лучше. Поэтому с резистивными тачскринами лучше работать при помощи стилуса.

Резистивные сенсорные экраны использовались в старых КПК, смартфонах, используются в банкоматах, терминалах оплаты.

Резистивный сенсорный экран

Явными плюсами таких тачскринов является их дешевизна в производстве (по сравнению с ёмкостными) и возможность нажимать на экран любыми предметами (это, правда, не всегда плюс).

К минусам можно отнести низкую прочность, небольшую долговечность, невозможность реализации мультитача (восприятие одновременного нажатия на несколько частей экрана), большое количество ошибок при обработке скользящих жестов (например, перелистывание или прокрутка).

Ёмкостные сенсорные экраны

Вот мы и подобрались к хорошо знакомым нам ёмкостным сенсорным экранам. Такие устанавливаются во всех современных смартфонах и планшетах. Вот только они тоже делятся – на два подтипа: обычные ёмкостные и проекционно-ёмкостные тачскрины.

Обычные ёмкостные сенсорные экраны

В этом случае стекло покрыто токопроводящим слоем, а в углах экрана располагаются электроды, которые подают переменное напряжение. Когда Вы касаетесь экрана, то происходит утечка тока. В зависимости от расстояния до каждого из углов, где расположены электроды, высчитывается точка нажатия. Естественно, работает такое нажатие только с токопроводящим предметом, например, с пальцем человека. При использовании данной технологии мультач также реализовать нельзя.

Более современные экраны имеют на внутренней стороне дисплея сетку электродов. Прикосновение к одному из них при помощи пальца приводит к образованию конденсатора, ёмкость которого измеряется для последующих вычислений и действий. Такие экраны позволяют реализовать мультитач, так как можно создать несколько конденсаторов одновременно. В других типах сенсорных экранов вычисление нескольких нажатий одновременно невозможно.

Слева - ёмкостный сенсорный экран, справа - проекционно-ёмкостный сенсорный экран

К плюсам ёмкостных экранов можно отнести возможность реализации мультитача (только в проекционно-ёмкостных), надёжность, отсутствие необходимости давления (сильного нажатия) на дисплей, высокое светопропускание.

К минусам ёмкостных тачскринов относится цена (они достаточно дороги в производстве), невозможность работы со стилусом. Последнее является минусом далеко не для всех. К тому же, сейчас уже имеются специальные стилусы для работы с ёмкостными тачскринами. Так что основным минусом остаётся более высокая производственная стоимость по сравнению с резистивными тачскринами.

Существуют также и другие сенсорные экраны и тачскрины, но в повседневной жизни они встречаются значительно реже.

Сенсорные экраны: