Сегодня уже никого не удивить телефоном с сенсорным экраном. Ручное управление вошло в моду, но мало кто задумывается о том, что же происходит, когда вы прикасаетесь к дисплею. Я расскажу, как работают наиболее распространенные типы сенсорных экранов. Удобство и продуктивность работы с цифровой техникой зависят в первую очередь от используемых устройств ввода информации, при помощи которых человек управляет оборудованием и осуществляет загрузку данных. Наиболее массовым и универсальным инструментом является клавиатура, получившая в настоящее время повсеместное распространение. Однако использовать ее удобно далеко не всегда. Например, габариты мобильных телефонов не позволяют установить крупные клавиши, в результате чего скорость ввода информации снижается. Эта проблема решилась за счет применения сенсорных экранов. Всего за несколько лет они произвели на рынке настоящую революцию и стали внедряться повсюду - от мобильных телефонов и электронных книг до мониторов и принтеров.
Начало сенсорного бума
Покупая новый смартфон , на корпусе которого нет ни одной кнопки или джойстика, вы вряд ли задумываетесь о том, как будете им управлять. С точки зрения пользователя в этом нет ничего сложного: достаточно прикоснуться пальцем к иконке на экране, что приведет к выполнению какого-либо действия - открытию окна ввода телефонного номера, SMS или адресной книги. А между тем 20 лет назад о таких возможностях можно было только мечтать.
Сенсорный экран был изобретен в США во второй половине 60-х годов прошлого века, но до начала 90-х применялся преимущественно в медицинском и промышленном оборудовании для замены традиционных устройств ввода, использование которых сопряжено с трудностями при определенных условиях эксплуатации. По мере уменьшения размера компьютеров и появления КПК встал вопрос о совершенствовании их систем управления. В 1998 году появился первый наладонник с сенсорным экраном и системой ввода и распознавания рукописного текста Apple Newton MessagePad , а вскоре и коммуникаторы с тачскринами.
В 2006 году практически все крупные производители приступили к выпуску смартфонов с сенсорными экранами, а после появления Apple iPhone в 2007 году начался настоящий сенсорный бум - дисплеи такого типа появились в принтерах, электронных книгах, различных видах компьютеров и т. д. Что же происходит, когда вы дотрагиваетесь до сенсорного экрана, и каким образом устройство «узнает», куда именно вы нажали?
Принцип работы резистивного сенсорного экрана
За 40-летнюю историю развития сенсорных экранов было разработано несколько типов этих устройств ввода, основанных на различных физических принципах, которые используются для определения места касания. В настоящее время наибольшее распространение получили два типа дисплеев - резистивные и емкостные. Помимо этого различают экраны, способные регистрировать одновременно несколько нажатий (Multitouch ) или только одно.
Экраны, выполненные по резистивной технологии, состоят из двух основных частей - гибкого верхнего и жесткого нижнего слоев. В качестве первого могут использоваться различные пластиковые или полиэфирные пленки, а второй изготавливается из стекла. На внутренние стороны обеих поверхностей нанесены слои гибкой мембраны и резистивного (обладающего электрическим сопротивлением) материала, проводящего электрический ток. Пространство между ними заполнено диэлектриком.
По краям каждого слоя установлены тонкие металлические пластинки - электроды. В заднем слое с резистивным материалом они расположены вертикально, а в переднем - горизонтально. В первом случае на них подается постоянное напряжение, и от одного электрода к другому протекает электрический ток. При этом возникает падение напряжения, пропорциональное длине участка экрана.
При касании сенсорного экрана передний слой прогибается и взаимодействует с задним, что позволяет контроллеру определить напряжение на нем и вычислить с его помощью координаты точки касания по горизонтали (оси X). Для уменьшения влияния сопротивления переднего резистивного слоя расположенные в нем электроды заземляются. Затем проделывается обратная операция: напряжение подается на электроды переднего слоя, а расположенные в заднем слое заземляются - так удается вычислить координату точки касания по вертикали (оси Y). Таков принцип работы четырехпроводного (названного так по количеству электродов) резистивного сенсорного экрана.
Помимо четырехпроводных встречаются также пяти- и восьмипроводные сенсорные экраны. Последние обладают аналогичным принципом работы, но более высокой точностью позиционирования .
Принцип работы и устройство пятипроводных резистивных сенсорных экранов несколько отличаются от описанного выше. Слой переднего резистивного покрытия в них заменен проводящим слоем и используется исключительно для считывания значения напряжения на заднем резистивном слое. В него встроено четыре электрода по углам экрана, пятый электрод является выводом переднего проводящего слоя. Изначально все четыре электрода заднего слоя находятся под напряжением, а на переднем слое оно равно нулю. Как только происходит касание такого сенсорного экрана, верхний и нижний слои соединяются в определенной точке, и контроллер улавливает изменение напряжения на переднем слое. Так он определяет, что до экрана дотронулись. Далее два электрода в заднем слое заземляются, вычисляется координата точки касания по оси X, а затем заземляются два других электрода, и вычисляется координата точки касания по оси Y.
Принцип работы емкостного сенсорного экрана
В основе принципа работы емкостных сенсорных экранов лежит свойство человеческого тела проводить электрический ток, что указывает на наличие электрической емкости. В простейшем случае такой экран состоит из прочной стеклянной подложки, на которую наносится слой резистивного материала. По его углам размещаются четыре электрода. Сверху резистивный материал укрывается токопроводяшей пленкой.
На все четыре электрода подается небольшое переменное напряжение. В момент прикосновения человека к экрану электрический заряд перетекает по коже на тело, при этом возникает электрический ток. Его значение пропорционально расстоянию от электрода (угла панели) до точки касания. Контроллер замеряет силу тока по всем четырем электродам и на основе этих значений вычисляет координаты точки касания.
Точность позиционирования емкостных экранов почти такая же, как у резистивных. При этом они пропускают больше света (до 90%), испускаемого отображающим устройством. А отсутствие подвергающихся деформации элементов делает их более надежными: емкостный экран выдерживает более 200 млн нажатий в одной точке и может работать при низких температурах (до -15 °С). Однако переднее проводящее покрытие, используемое для определения координат, чувствительно к влаге, механическим повреждениям и проводящим ток загрязнениям. Емкостные экраны срабатывают только при касании их проводящим предметом (рукой без перчатки или специальным стилусом). Выполненные по классической технологии экраны такого типа также не способны отслеживать одновременно несколько нажатий.
Такой возможностью обладает проекционно-емкостный сенсорный экран, который используется в телефонах iPhone и аналогичных устройствах. Он имеет более сложное строение по сравнению с обычными емкостными экранами. На подложку из стекла наносится два слоя электродов, разделенные диэлектриком и формирующие решетку (электроды в нижнем слое расположены вертикально, а в верхнем - горизонтально). Сетка электродов вместе с телом человека образует конденсатор. В месте касания пальцем происходит изменение его емкости, контроллер улавливает это изменение, определяет, на каком пересечении электродов оно произошло, и вычисляет по этим данным координату точки касания.
Такие экраны также имеют высокую прозрачность и способны работать при еще более низких температурах (до -40 °С). Проводящие электрический ток загрязнения влияют на них в меньшей степени, они реагируют на руку в перчатке. Высокая чувствительность позволяет использовать для защиты таких экранов толстый слой стекла (до 18 мм).
Принцип работы четырехпроводного резистивного сенсорного экрана
- Верхний резистивный слой прогибается и соприкасается с нижним.
- Контроллер определяет напряжение в точке касания на нижнем слое и вычисляет координату точки касания по оси X.
- Контроллер определяет напряжение в точке касания на верхнем слое и определяет координату точки касания по оси Y.
Принцип работы пятипроводного резистивного сенсорного экрана
- До экрана дотрагиваются любым твердым предметом.
- Верхний проводящий слой прогибается и соприкасается с нижним, что указывает на прикосновение к экрану.
- Два из четырех электродов нижнего слоя заземляются, контроллер опреде ляет напряжение в точке касания и вычисляет координату точки по оси X.
- Заземляются другие два электрода, контроллер определяет напряжение в точке касания и вычисляет координату точки по оси Y.
Преимущества
- Низкая стоимость
- Высокая стойкость к загрязнениям
- Можно прикасаться любым твердым предметом
Недостатки
- Низкая долговечность (1 млн нажатий в одной точке для четырехпроводного, 35 млн нажатий для пятипроводного) и вандало-устойчивость
- Низкое светопропускание (не более 85%)
- Не поддерживают Multitouch
Примеры устройств
- Телефоны (например, Nokia 5800, НТС Touch Diamond), КПК, компьютеры (например, MSI Wind Top АЕ1900), промышленное и медицинское оборудование.
Принцип работы
- До экрана дотрагиваются проводящим ток предметом (пальцем, специальным стилусом).
- Ток перетекает с экрана на предмет.
- Контроллер измеряет силу тока по углам экрана и определяет координаты точки касания.
Преимущества
- Высокая долговечность (до 200 млн нажатий), возможность работы при низких температурах (до -15 °С)
Недостатки
- Восприимчивы к воздействию влаги, токопроводящих загрязнений
- Не поддерживают Multitouch
Примеры устройств
- Телефоны, тачпады (например, в плеере iRiver ВЗО), КПК, банкоматы, киоски.
Принцип работы
- Экрана касаются или подносят к нему на близкое расстояние проводящий ток предмет, образующий вместе с ним конденсатор.
- В месте касания изменяется электрическая емкость.
- Контроллер регистрирует изменение и определяет, на каком пересечении электродов оно произошло. На основании этих данных вычисляются координаты точки касания.
Преимущества
- Высокая долговечность (до 200 млн нажатий), возможность работы при низких температурах (до -40 °С)
- Высокая вандалоустойчивость (экран можно покрыть слоем стекла толщиной до 18 мм)
- Высокое светопропускание (более 90%)
- Поддерживают Multitouch
Недостатки
- Реагируют на прикосновение только токопроводящего предмета (пальца, специального стилуса)
Примеры устройств
- Телефоны (например, iPhone), тачпады, экраны ноутбуков и компьютеров (например, HP TouchSmart tx2) электронные киоски, банкоматы, платежные терминалы.
Windows 7
В появилась возможность управления компью тером с помощью жестов «Прокрутка», «Вперед/назад», «Поворот» и «Масштабирование». Операционная система Windows 7 намного лучше адаптирована для работы с сенсорными дисплеями, чем все предыдущие версии. 06 этом свидетельствуют видоизмененный интерфейс и панель задач, в которой на месте прямоугольных кнопок, символизирующих запущенные программы, появились квадратные иконки - на них намного удобнее нажимать пальцем. Кроме того, появилась новая функция - списки переходов, позволяющие быстро найти недавно открывавшиеся файлы или часто запускаемые элементы. Для активации этой возможности достаточно перетащить иконку программы на Рабочий стол.
Впервые в операционную систему Windows добавлена опция распознавания сенсорных жестов, к которым привязано выполнение отдельных функций. Так, в Windows 7 появились сенсорная прокрутка и такая же, как, например, в Apple iPhone, возможность увеличения картинок или документов движением двух пальцев рук в разные стороны. Не обошлось и без движения, отвечающего за поворот изображения. Таким операциям, как копирование, удаление и вставка, также можно назначить отдельные жесты. Кнопки экранной клавиатуры подсвечиваются при касании, что облегчает ее использование на сенсорном экране. А возможность распознавания рукописного текста позволяет быстро вводить небольшие сообщения.
Планшеты, очень многие смартфоны, а также мониторы, дисплеи на бытовой технике оснащены сенсорными экранами. Эта технология радует, во-первых, своим привлекательным дизайном, во-вторых, своей функциональностью и простотой. К тому же, теперь нет необходимости расходовать пространство на размещение кнопок, что тоже очень удобно. О разновидностях экранов, их строении, принципах работы, плюсах и минусах читайте в нашей статье.
Самые популярные виды сенсоров
Резистивные сенсоры
Резистивный сенсор состоит из пластиковой мембраны (идет первой) и панели, изготовленной из стекла (идет вторым слоем). Между этими слоями прокладывается микроизолятор, призванный обезопасить друг от друга токопроводящие поверхности. На поверхностях слоев располагаются электроды (в первом слое они идут горизонтально, во втором - вертикально). Нажимая на экран, вы провоцируете замыкание слоев, специальный датчик считывает ваше нажатие и преобразовывает его в сигнал, который передается в процессор. В итоге экран реагирует на поставленную вашим касанием задачу - например, запускает видео, открывает документ и проч.
Данная технология считается достаточно простой, а потому на изготовление резистивных экранов тратится не слишком много средств. В итоге продукция с ними часто оказывается в бюджетном ценовом сегменте, что является главным достоинством техники с резистивными экранами. Техника с резистивными дисплеями представлена в большом количестве и ассортименте. В числе минусов этого типа сенсоров - отсутствие поддержки мультижестов, плохая видимость на солнце/при ярком свете, низкая износостойкость, невысокая точность.
Емкостные сенсоры
Данная технология является более совершенной - она поддерживает мультитач, отличается приличной видимостью при ярком свете и лучшей износостойкостью, более высоким уровнем точности. В числе недостатков - более значительная цена устройств с емкостными экранами, негативная реакция на воздействие жидкостей.
Как работает сенсорный экран данного типа? Ключевую роль здесь выполняют электроды, располагающиеся в углах дисплея и передающие друг другу переменные потоки электричества. В итоге образуется своеобразная сетка тока. Нажимая на экран, человек смещает направление тока, что позволяет системе определить место нажатия и соответственно вычислить и выполнить требующуюся команду. Тело человека в этом случае вместе с самим экраном выступают проводниками тока. Дисплей состоит из стекла, покрытого резистивным материалом, обеспечивающим эффективный электрический контакт.
Инфракрасные сенсоры
Рамка экрана (выполнен из стекла) включает приемники и излучатели инфракрасных лучей. Работая, они образуют на поверхности дисплея инфракрасную сетку. Нажав на экран, мы перекроем доступ определенным лучам - система вычислит это место и считает соответствующую задачу, которую ей нужно будет выполнить.
В числе недостатков - не очень высокая точность (особенно при ярком свете), «боязнь» загрязнений и высокая стоимость изделий с инфракрасными дисплеями. В числе плюсов - хорошая видимость на солнце, долговечность.
Менее популярные виды сенсоров
Матричные сенсоры
Матричная система подобна тому, как работает сенсор в резистивных моделях дисплеев. Только на мембрану наносятся вертикальные проводники тока, а на стекло - горизонтальные. Нажатие вызывает замыкание, которое система вычисляет и далее преобразует в выполнение той или иной задачи.
Матричные экраны сегодня редко где используются, поскольку они считаются очень неточными, а потому непродуктивными.
Экраны на поверхностно-акустических волнах
В разные углы стеклянной панели встраиваются пьезоэлектрические преобразователи. По периметру же дисплея находятся датчики, принимающие и отражающие сигналы. Специальный контроллер обеспечивает высокую частотность формирования сигналов. Нажатие на дисплей провоцирует выполнение какой-либо задачи.
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.
В наше время ни у кого не возникает сомнений в том, что сенсорный экран на вашем телефоне - штука удобная. Такие дисплеи используются для создания множества устройств - планшетов, мобильных телефонов, ридеров, справочных устройств и кучи другой периферии. Сенсорный экран позволяет заменить многочисленные механические кнопки, и это очень удобно, поскольку в этом случае они объединяют и дисплей, и высококачественное устройство ввода. Уровень надежности устройств значительно повышается, ведь механические части отсутствуют. В настоящее время сенсорные экраны принято подразделять на несколько видов: резистивные (бывают четырех-, пяти-, восьмипроводными), проекционно-емкостные, матрично-емкостные, оптические и тензометрические. Кроме того, дисплеи могут создаваться на основе поверхностно-акустических волн либо инфракрасных лучей. Насчитывается уже несколько десятков запатентованных технологий. В наше время чаще всего используются емкостные и резистивные экраны. Их и рассмотрим подробнее.Резистивный экран.
Самый простой вид – это четырехпроводной, который состоит из специальной стеклянной панели, а также пластиковой мембраны. Пространство между стеклом и пластиковой мембраной обязательно должно заполняться микроизоляторами, которые могут надежно изолировать токопроводящие поверхности друг от друга. По всей поверхности слоев установлены электроды, являющиеся тонкими пластинками, сделанными из металла. В заднем слое электроды находятся в вертикальном положении, а в переднем слое – в горизонтальном для того, чтобы могло производиться вычисление координат. Если на дисплей нажать, то панель и мембрана автоматически замкнутся, а специальный датчик будет воспринимать нажатие, преобразовывая его в сигнал. Наиболее усовершенствованным видом считаются восьмипроводные дисплеи, которые отличаются высоким уровнем точности. Однако данные экраны отличаются низким уровнем надежности и недолговечностью. Если же важно, чтобы дисплей был надежным, необходимо остановить выбор на пятипроводном его виде.
1 - стеклянная панель, 2 - резистивное покрытие, 3 - микроизоляторы, 4 - пленка с проводящим покрытием
Матричные экраны.
Конструкция похожа на резистивный дисплей, хотя она и была упрощена. На мембрану специально нанесли вертикальные проводники, а на стекло – горизонтальные. Если нажать на дисплей, то проводники обязательно соприкоснутся, замкнутся крест-накрест. Процессор может отследить, какие проводники замкнулись, и это помогает обнаружить координаты нажатия. Матричные экраны нельзя назвать высокоточными, поэтому их уже продолжительное время не используют.
Емкостные экраны.
Конструкция емкостных экранов является достаточно сложной, и основана она на том, что тело человека и дисплей вместе образуют конденсатор, проводящий переменный ток. Подобные экраны выполняются в виде стеклянной панели, которую покрывают резистивным материалом для того, чтобы электрический контакт не затруднялся. Электроды располагаются по четырем углам дисплея, и на них подано переменное напряжение. Если же коснуться поверхности дисплея, то будет происходить утечка переменного тока через вышеупомянутый \"конденсатор\". Это регистрируется датчиками, после чего информацию обрабатывает микропроцессор устройства. Емкостные дисплеи могут выдержать до 200 миллионов нажатий, они отличаются средним уровнем точности, но, увы, они боятся любого влияния жидкостей.
Проекционно-емкостные экраны.
Проекционно-емкостные экраны могут, в отличие от предыдущих рассмотренных типов, способны определить сразу несколько нажатий. На внутренней стороне всегда есть специальная сетка элетродов, и во время соприкосновения с ними обязательно будет образован конденсатор. В данном месте будет изменена электрическая емкость. Контроллер сможет определить точку, в которой пересеклись электроды. Затем происходят вычисления. Если сразу нажать экран в нескольких местах, то будет образован не один конденсатор, а несколько.
Экран с сеткой инфракрасных лучей.
Принцип работы подобных дисплеев является простым, и он в какой-то степени похож на матричный. В этом случае проводники заменяют специальными инфракрасными лучами. Вокруг данного экрана проходит рамка, в которой есть встроенные излучатели, а также приемники. Если нажать на экран, то некоторые лучи будут перекрываться, и они не могут достигнуть собственного пункта назначения, а именно приемника. В итоге контроллер вычисляет место контакта. Подобные экраны могут пропускать свет, они долговечны, поскольку чувствительного покрытия нет и механического касания не происходит вообще. Однако такие дисплеи в настоящий момент не отвечают высокой точности и боятся любых загрязнения. Зато время диагональ рамки такого дисплея может достигать 150 дюймов.
Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах.
Данный дисплей всегда выполняется в виде стеклянной панели, в которую встроены пьезоэлектрические преобразователи, расположенные по разным углам. По периметру также находятся отражающие, приемные датчики. Контроллер отвечает за формирование сигналов, частота которых является высокой. После этого сигналы всегда посылаются на пьезоэлектрические преобразователя, которые могут преобразовывать поступившие сигналы в акустические колебания, отражающиеся впоследствии от отражающих датчиков. Затем волны могут улавливаться приемниками, повторно посылаться на пьезоэлектрические преобразователи, после чего превращаются в электрический сигнал. Если нажать на дисплей, то энергия акустических волн будет частично поглощена. Приемники отличаются восприимчивостью к подобным изменениям, а процессор может вычислить точки касания. Основным преимуществом является то, что сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах отслеживают координаты точки нажатия, силу нажатия. Дисплеи данного вида отличаются долговечностью, ведь они могут выдержать 50 миллионов касаний. Чаще всего их используют для игровых автоматов, справочных системах. Следует учитывать то, что работа такого дисплея может быть неточной в условии окружающих шумов, вибрации, акустического загрязнения.