Как работают сенсорные экраны. Принцип работы проекционно-емкостных сенсорных экранов

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.

Видео обзор: виды тачскрина

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

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.

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.

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

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 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.

Сенсорные экраны получили широкое распространение благодаря своему удобству

Термин Touch Screen образован из двух английских слов. Первое обозначает «прикосновение», а второе − «экран». Это словосочетание полно передаёт принцип работы данного типа дисплеев, который заключается в реагировании на касание пальцев человека и выполнение определённых действий. Несмотря на то, что данный вид технологии нам кажется современным, датой изобретения первого сенсорного экрана считается 1970 год. Именно тогда преподаватель университета из Кентукки Семуэль Хёрст первым решил упростить процесс считывания информации с лент самописцев. Итогом разработки учёного стало появление первого в мире экрана, поддерживающего технологию сенсорного ввода.

К СВЕДЕНИЮ!

В новинке применялся самый примитивный тип работы: четырёхпроводной резистивный способ определения координаты точки касания.

Первыми устройствами, которые получили подобную систему ввода информации, стали компьютеры, и только в 1998 году на свет появился первый сотовый телефон, в котором применялся сенсорный набор. Им стало детище компании Alcatel. Следом свою версию тачскрина в мобильном устройстве предложила компания Ericsson. Но эти прообразы имели мало схожести с современными версиями сенсорных экранов.

Панель являлась монохромной, малого размера и давала пользователю возможность только набрать номер. Первой моделью, где сенсорный экран приобрёл современные очертания, стал коммуникатор от HTC Qtek 1010/02 XDA, выпущенный в 2002 году. А на качественно новый уровень идею применения тачскрина в мобильных устройствах вывела компания Apple, которая реализовала возможность Multitouch или реагирование на одновременное касание экрана двумя или более пальцами.

ВАЖНО !

Изобретение и массовое внедрение тачскринов принесло большое количество положительных сторон для пользователя и повысило удобство использования смартфона. Но это привело к одному значительному минусу – устройства стали более «нежными» и требовали бережного отношения, поскольку повреждение стекла могло вывести из строя весь сенсор.

Одной из областей применения тачскрина являются графические планшеты, использование которых упрощает процесс создания анимации

Что такое сенсор, и где он применяется

Современный человек уже не представляет своей жизни без устройств, имеющих сенсорный ввод, настолько прочно вошло в жизнь это изобретение. По статистике, более 90% всего населения Земли хотя бы раз сталкивались с тачскрином, который применяется в разнообразных электронных устройствах и гаджетах:

• смартфоны;
• планшеты и планшетные компьютеры;
• банковские или платёжные терминалы;
• устройства для приобретения электронных билетов;
• дисплеи (компьютерные, в холодильниках, бытовой технике).

Развитие технологии сенсорного ввода не ограничивается только мобильными устройствами. Существуют разработки, где тачскрин внедряется в значительные по площади поверхности.

К СВЕДЕНИЮ!

Не так давно был анонсирован смарт-стол, поверхность которого представляет собой один большой тачскрин. Подобную столешницу можно применять в качестве мультимедийного центра в «умном доме». Также несколько лет назад была представлена целая сенсорная стена, при нажатии на любую область которой можно вызвать различные функции.

Интерактивная стена – это технология будущего, в которой также задействован тачскрин

Некоторые люди, несведущие в технике, задаются вопросом, что такое тачскрин на планшете и чем он отличается от аналогичного устройства ввода на смартфоне. Ответ на этот вопрос прост – ничем, поскольку принцип работы сенсорного экрана аналогичен, вне зависимости от устройства, в котором он применяется.

В специальной публикации нашего портала мы подробно расскажем о сенсорных недорогих смартфонах. Вы узнаете может ли бюджетный смартфон быть хорошим: преимущества и недостатки, как выбрать смартфон по параметрам: дисплей, память, процессор.

Как работает сенсорный экран

Чтобы до конца понять, что такое тачскрин на телефоне, необходимо разобраться, из чего состоит экран смартфона и как работает сенсор. Основными элементами сенсорного экрана являются:

1. Матрица, состоящая из слоя жидких кристаллов. Аналогичная технология отображающей поверхности используется в телевизоре или мониторе компьютера.
2. Микродиоды, которые располагаются вторым слоем под матрицей и служат для подсвечивания рабочей поверхности.
3. Диоды, находящиеся на поверхности отображающего слоя, которые являются главным инструментом обработки касания.
4. Стекло, которое покрывает сам экран и предотвращает его от повреждений.
5. Антибликовое покрытие, предотвращающее появление бликов и позволяющее комфортно смотреть на экран в солнечную погоду.

Простейшая схема устройства тачскрина

Исходя из того, как работает тачскрин, можно выделить ряд преимуществ и недостатков подобной технологии диалога пользователя с электронным устройством, которые подразделяются на плюсы и минусы для стационарных устройств и мобильной техники.

К СВЕДЕНИЮ!

Множество производителей, особенно стационарных устройств, использующих в работе тачскрин, исходя из недостатков, пошли по пути дублирования возможности ввода механическими клавишами. Это нужно при выходе сенсорного экрана из строя.

Размеры современных тачскринов зависят от потребности производителя и устройства, в котором они будут применяться

Типы сенсорных экранов

Общая классификация тачскринов, которые представлены на рынке, подразумевает деление на разновидности по типу и особенностям конструкции. Наиболее используемыми остаются резистивный и ёмкостной виды, которые применяются в большинстве мобильных гаджетов. Также существуют:

• матричные;
• инфракрасные;
• проекционно-ёмкостные;
• оптические;
• сенсоры DST;
• волновые;
• индукционные.

Резистивный сенсор считается «прошлым веком» в силу несовершенства технологии

Резистивный сенсорный экран

Говоря о том, что такое Touch Screen, первым делом следует упомянуть резистивные экраны, которые стали первыми в массовом производстве. Подобные экраны состоят из двух прозрачных пластин, изготовленных из пластика, на которые нанесена тончайшая токопроводящая сетка. Между пластинками устанавливается диэлектрический слой, который требуется для улавливания нажатия на нужную область экрана пользователем.

При совершении действия владельцем смартфона (например, нажатие на нужную область экрана) происходит раздвижение диэлектрика в этом месте, что приводит к соприкосновению двух пластин между собой. Появляется ток, который регистрируется специальным контроллером, определяющим по сетке координат конкретную точку нажатия. Далее эти данные поступают в обрабатывающую программу, которая по заранее созданному алгоритму совершает необходимое действие.

За определение координат точки нажатия отвечают специальные электроды, расположенные по углам матрицы

Резистивные экраны имеют, в свою очередь, разделение на два подтипа:

1. Четырёхпроводной сенсор . Они изготавливаются всего из одной панели, выполненной из стекла и пластиковой мембраны, на которую нанесено резистивное обеспечение самого экрана. Всё свободное пространство между стеклом и пластиком заполнено изоляторами. При совершении нажатия происходит замыкание цепи, что приводит к появлению координат точки соприкосновения.
2. Пятипроводные . Отличительной особенностью данного типа является отсутствие резистивного обеспечения мембраны, наличие проводящего слоя. Это обеспечивает большую надёжность, поскольку даже после повреждения матрицы она продолжает работать. Отслеживание точки нажатия осуществляется по степени изменения напряжения мембраны.

К СВЕДЕНИЮ!

Существуют также восьмипроводные резистивные экраны, позволяющие повысить точность обработки нажатия, но не повышают надёжности данного типа сенсора.

Минусом резистивного сенсора является отсутствие поддержки мультитача

Говоря о резистивных сенсорных экранах, следует отметить их низкую стоимость, возможность совершения нажатия пальцем, стилусом и даже рукой в перчатке. Из недостатков можно выделить:

• низкую степень проводимости световых лучей;
• подверженность появления царапин и трещин вследствие удара;
• отсутствие мультитача;
• короткий срок службы, который составляет в среднем не более 34 млн нажатий;
• невозможность реализации функции скольжения по экрану, поскольку резистивная матрица реагирует только на нажатие.

Ёмкостный сенсорный экран

Современным типом матрицы является ёмкостный тип экрана. Что это такое? Суть работы данной разновидности заключается в следовании законам элементарной физики, а именно в свойстве предмета большей ёмкости проводить переменный ток.

В основе работы ёмкостного типа лежит правило разницы электрических потенциалов

По своему устройству данный тип матрицы представляет собой пластину из стекла, на поверхность которой нанесён слой резистивного материла.

К СВЕДЕНИЮ!

В качестве наилучших резисторов в данном случае используются сплавы оксида индия и оксида олова.

На углах экрана располагаются электроды, подающие небольшое напряжение на всю поверхность матрицы. При соприкосновении с пальцем человека происходит утечка, которая регистрируется датчиками и передаётся в обрабатывающий контроллер, вычисляющий координаты точки нажатия. Отличительными особенностями данного типа экранов является длительный срок службы, который составляет более 200 млн нажатий, повышенная прозрачность, способность не пропускать жидкость. Но поверхность данного сенсора всё равно остаётся уязвима для механического воздействия, поэтому подобные типы матрицы применяют в стационарных устройствах, располагающихся в защищённом от воздействия внешних факторов месте.

В большинстве современных мобильных устройств применяются проекционно-ёмкостные сенсоры

Проекционно-ёмкостные сенсоры

Говоря о том, что такое сенсорный экран, обязательно следует отметить тип матрицы, который применяется в большинстве современных смартфонов и планшетных компьютеров. Речь идёт о проекционно-ёмкостном сенсоре. Конструкция подобного типа представлена, кроме привычной панели, сеткой электродов, которые нанесены на обратную сторону матрицы. Имеющиеся электроды вкупе с телом человека образуют конденсатор, а встроенная электроника требуется для измерения ёмкости полученной системы.

К СВЕДЕНИЮ!

Один из лидеров в производстве экранов, компания Samsung, сумела уместить чувствительные к нажатию электроды между субпискелями, что позволило упростить конструкцию и повысить прозрачность.

Повышенная прозрачность, возможность использования толстого стекла (вплоть до 19 мм) – всё это обеспечивает снижение риска повреждения проекционно-ёмкостных экранов, поэтому они устанавливаются в устройствах, находящихся на открытой территории.

В инфракрасном сенсоре принцип действия заключается в прерывании ИК лучей в месте касания

Матричные и инфракрасные сенсорные экраны

В числе разновидностей сенсоров можно упомянуть два не самых распространённых типа – матричные и инфракрасные экраны. Матричные работают по общим принципам резистивных конструкций, но их отличительной особенностью является простота. На поверхность мембраны наносятся вертикальные токопроводящие полосы, а на стеклянную поверхность – горизонтальные. При нажатии происходит соприкосновение полос, а контроллер вычисляет место контакта и определяет координаты точки. Существенным минусом является невозможность обеспечения высокой дискретности сенсора в силу простоты конструкции.

В инфракрасных типах применяется аналогичный принцип пересекающихся полос, которые представляют собой инфракрасные лучи. При касании экрана любым предметом сетка из лучей прерывается в этом месте. Подобный вид применяется на устройствах, где требуется высокая чёткость передачи изображения, например, электронные книги. Недостатком ИК сенсора является его подверженность загрязнению.

Интерактивные карты используют тензометрический тип сенсора

Оптические и тензометрические сенсорные экраны

Оптический тип отличается наличием инфракрасной подсветки, которая распределяется между стеклом и матрицей, и способной осуществлять до 100% отражения света внутри себя. При касании пальцем происходит рассеивание. Электронике только остаётся создать картину рассеивания для определения точки нажатия. Это осуществляется следующими способами:

• установкой камеры рядом с проектором;
• внедрением вспомогательного субпикселя.

Подобные типы экранов применяются в интерактивных школьных досках. Тензометрический сенсор чувствителен к деформации поверхности экрана. Подобный тип отличает повышенная устойчивость к повреждениям, поэтому данные матрицы применяются на устройствах по продаже билетов, банкоматах.

DST-технология работает по принципу регистрации пьезоэлектрических проявлений внутри панели стекла при нажатии пальцем

Сенсорные экраны DST

Основа работы данного типа заключается в фиксации пьезоэлектрического явления в панели стекла. Главной особенностью является возможность реагирования на прикосновения любым предметом и функционирования в любых условиях запылённости. Для качественного срабатывания палец должен постоянно находиться в движении.

Как сделать калибровку сенсорного экрана

Владельцы гаджетов, имеющих сенсорный экран, часто сталкиваются с проблемой, когда сенсор перестаёт «слушать» или правильно реагировать на нажатия. Это может случиться вследствие повреждения матрицы, попадания влаги внутрь устройства или замены дисплея.

После попадания влаги внутрь смартфона может потребоваться проведение калибровки тачскрина

Существует два основных способа, как можно провести калибровку сенсорного экрана:

• штатными средствами операционной системы;
• с применением стороннего софта.

Встроенная технология калибровки практически одинакова у всех производителей смартфонов. Для осуществления настройки штатными средствами требуется:

• перейти к настройкам телефона;
• найти пункт «Калибровка»;
• нажать не менее трёх раз в центр появившейся на экране мишени.

Устройство самостоятельно запоминает касания и осуществляет корректировку тачскрина.

Замену тачскрина лучше всего производить в специализированном сервисе

Тачскрин не работает – как это определить

В некоторых случаях сенсорный экран может выходить из строя. При механическом повреждении матрицы определять поломку не требуется, поскольку она видна невооружённым взглядом. Признаками, указывающими на выход тачскрина из строя при отсутствии внешних повреждений, являются:

• отсутствие реакции на касания;
• частичное реагирование экрана на нажатие, например, может работать только определённая область;
• искажения восприятия касаний.

Появление артефактов на экране может свидетельствовать о неполадках не только самого дисплея, но также сенсора

При выходе сенсора из строя потребуется ремонт устройства. Современные технологии подразумевают изготовление общего дисплейного модуля, в котором тачскрин и дисплей совмещены в единый узел. Поэтому для ремонта требуется полная замена блока при невозможности отделения тачскрина. Это можно сделать только в условиях сервиса.

Тачскрин и дисплей: в чём разница

Разница этих двух деталей заключается в выполняемых функциях. Дисплей – это часть смартфона, которая необходима для вывода изображения и информации.

Всё чаще производители совмещают тачскрин и дисплей в единый узел

Тачскрин – это сенсорное стекло, которое применяется для срабатывания аппарата на действия пользователя и реакцию на нажатия для вызова определённой функции. Современные производители всё чаще стали выпускать своеобразные «бутерброды», где применяется технология ламинирования, когда дисплей и тачскрин объединяются в монолитный узел, склеенный прозрачным герметиком. Это улучшает эксплуатационные характеристики, но требует полной замены детали при выходе из строя любого компонента.

Теперь вы по-новому посмотрите на свой смартфон или планшетный ПК. В любом случае делитесь в комментариях своим опытом разблокировки «уснувшего экрана» и задавайте вопросы автору статьи.

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.