Если зайти в современный магазин мобильных телефонов и ознакомиться с предлагаемой продукцией, то в спецификациях к большинству устройств на витринах будет указано: «Тип экрана - емкостный». Тем, кто часто меняет мобильные аппараты связи, этот термин хорошо знаком, но что делать, если человек не стремился покупать все самое новое, отдавая предпочтение проверенным решениям?
Он может лишь теряться в догадках: "Емкостный экран - что это такое?"
Технология ввода данных
Принцип сенсорного набора сейчас используется повсеместно. К примеру, банкоматы или аппараты для внесения различных видов оплат, на панелях которых размещено минимум кнопок, а ввод нужных цифр происходит посредством нажатия на соответствующее изображение, можно встретить практически в каждом крупном магазине. впервые были предложены еще в семидесятых годах, однако распространения они не получили из-за недостаточной точности распознавания зоны нажатия и сложности реализации. Но работы по совершенствованию данного решения продолжались.
Сенсоры в телефонах
Когда появились модели мобильных устройств связи с большими экранами, сразу возник вопрос об эргономике. Конечно, можно было уменьшить и без того небольшой блок кнопок, но на удобстве пользования это сказалось бы самым негативным образом. Применялись компромиссные решения - так называемые «слайдеры», однако это слишком утолщало устройство и делало его менее надежным из-за необходимости использовать механическое подвижное соединение. Производители начали поиск решения. И оно было найдено. Им оказались к тому времени существенно усовершенствованные и идеально подходящие для телефонов.
Сопротивляясь нажатию
Первые модели подобных экранов были выполнены по резистивному принципу. Благодаря ряду особенностей, такие сенсоры используются и сейчас. состоит из двух полностью прозрачных пластин: наружная, на которую приходятся нажатия, сделана гибкой, а внутренняя, наоборот, жесткая. Пространство между ними заполнено прозрачным диэлектрическим материалом. На обе пластины с внутренних сторон нанесен путем напыления проводящий электрический ток слой. Он специальным образом подключен проводниками к контроллеру, постоянно подающему низкое напряжение на слои. Весь этот «бутерброд» закреплен на основном дисплее. Когда человек нажимает на участок экрана, пластины соприкасаются в определенной точке, возникает ток. Определив величины сопротивления по двум декартовым осям, можно с достаточной точностью узнать, где именно произошло нажатие. Эти данные передаются работающей программе, которая дальше их обрабатывает.
Резистивные сенсоры недороги в производстве, отлично работают при низких температурах.
Емкостные экраны
Намного более совершенны сенсоры, работающие по емкостному принципу. Тачпады в ноутбуках - яркий пример подобных решений. На иностранных сайтах в характеристиках телефонов с такой технологией указано «Capacity». В отличие от вышеописанного резистивного решения, здесь механическое нажатие совершенно не принципиально. В данном случае используется свойство тела человека накапливать выступая в роли классического конденсатора. Емкостные экраны более долговечны, обладают отличной «отзывчивостью». Существует два способа реализации: поверхностный и проекционный. В первом случае на поверхность стекла или пластика нанесен прозрачный слой токопроводящего материала. На нем постоянно находится электрический потенциал от контроллера. Достаточно прикоснуться пальцем к точке экрана, как происходит утечка от батареи в тело человека. Ее можно легко определить, а координаты передать работающей программе. Проекционные емкостные экраны работают иначе. За внешним стеклом дисплея находится сетка прозрачных элементов сенсора (их можно увидеть при определенном угле и освещении). Если прикоснуться к точке, то фактически, будет сформирован конденсатор, одной из обкладок которого выступает палец пользователя. Емкость в цепи определяется контроллером и вычисляется. Данное решение позволяет реализовать технологию «мультитач».
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.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
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
На этой разработке можно было закончить материал, повествующий о сенсорных экранах, если бы не еще одна технология, которой несколько лет назад прочили большое будущее.
Неожиданно, но они не используют электричество и даже не имеют ничего общего со светом. Технология Surface Acoustic Wave system для определения точки прикосновения применяет поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности экрана. Ультразвук, создаваемый пьезоэлектрическими элементами по углам, слишком высок для того, чтобы его мог уловить человеческий слух. Он распространяется взад и вперед, многократно отражаясь от краев экрана. Звук анализируется на предмет аномалий, создаваемых прикасающимися к экрану предметами.
Недостатков у волновых сенсорных экранов не много. Они начинают ошибаться после сильного загрязнения стекла и в условиях сильного шума, но, при этом, в экранах с таким сенсором нет дополнительных слоев, увеличивающих толщину и влияющих на качество изображения. Все компоненты сенсора прячутся под рамкой дисплея. Кроме того, волновые сенсоры позволяют точно подсчитывать площадь соприкосновения экрана с пальцем или другим предметом и по этой площади косвенно рассчитать силу нажатия на экран.
Мы уже вряд ли столкнемся с этой технологией в смартфонах из-за нынешней моды на безрамочные дисплеи, но несколько лет назад компания Samsung экспериментировала с Surface Acoustic Wave system в моноблоках, а в качестве комплектующих для игровых автоматов и рекламных терминалов панели с акустическими тачскринами продаются и сейчас
Сенсорный экран - это устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.
Основные сравнительные характеристики сенсорных экранов.
| Резистивные | Ёмкостные | Проекционно-емкостные | ПАВ | ИК |
| - | + | + | - | + |
| 75-85 | 90 | 90 | 95 | 100 |
| Выс. | Выс. | Выс. | Выс. | Выс. |
| - | - | + | + | - |
| + | - | + | + | + |
| + | + | + | - | + |
| + | - | - | - | + |
| + | + | + | - | - |
Первым наиболее очевидным преимуществом сенсорных технологий является интуитивность и естественность самого действия - прикосновения рукой к экрану.
Второе несомненное преимущество устройств на основе сенсорных экранов, компактность. Установка сенсорных мониторов качественно повысить эффективность обслуживания в кинотеатрах, ресторанах, гостиницах, аэропортах, административных заведениях, где каждый сантиметр рабочего места представляет ценность. Сенсорный монитор (особенно если это жидкокристаллический монитор) позволяет экономить максимум места на рабочей поверхности.
Скорость работы может быть не только вопросом престижа, но и жизненно важным вопросом, в самом прямом смысле этого слова. Представьте, что может означать выигранная секунда, когда требуется максимально быстрая реакция, например, диспетчера охранного центра. Таким образом, быстрый доступ - это третье преимущество сенсорных экранов.
Четвертым преимуществом сенсоров является снижение затрат. Установка сенсорного монитора может существенно повысить скорость и точность действий сотрудника, работающего за компьютером, снизить время, необходимое на обучение сотрудника.
Сенсорный экран - виды:
Резистивный сенсорный экран.
В этой конструкции экран представляет собой стеклянную либо акриловую пластину, покрытую двумя токопроводящими слоями. Слои разделены незаметными глазу прокладками, которые предохраняют сеть вертикальных и горизонтальных проводников от соприкосновения. В момент нажатия слои контактируют и контроллер регистрирует электрический сигнал. Координаты нажатия определяются, исходя из того, на пересечении каких проводников было зарегистрировано воздействие.
Применение
Емкостный (электростатический) сенсорный экран.
В работе емкостного экрана человек участвует не только механическим, но и электрическим образом. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом. Прикосновение пальца меняет картину заряженности, «оттягивая» часть заряда к точке нажатия. Датчики экрана, расположенные по всем четырем углам, следят за течением заряда в экране, определяя, таким образом, координаты «утечки» электронов.
Емкостные экраны также отличаются высокой надежностью (в них отсутствуют гибкие мембраны) и высокой степенью прозрачности. Правда они не годятся для работы стилусом или перчаткой - нажимать на экран необходимо «голым пальцем». Зато впечатляет надежность емкостного экрана - до миллиарда нажатий в одно и то же место.
Применение
Акустический сенсорный экран.
Такие экраны построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических излучателей звука, не слышимого человеком. Стекло такого экрана постоянно незаметно вибрирует под воздействием излучателей, установленных в трех углах экрана. Специальные отражатели особым образом распространяют акустическую волну по всей поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что и регистрируется датчиками. По изменению характера колебаний можно вычислить координаты возмущений, внесенных нажатием на экран. Кроме этого, анализируя степень изменения колебаний, можно вычислить силу нажатия на экран. Это полезно при проектировании систем управления промышленным оборудованием, например, для плавного изменения скорости вращения двигателей и других параметров. Среди плюсов акустических экранов - отсутствие покрытий, что повышает надежность и прозрачность экрана.
Данные акустические сенсорные экраны применяются в основном в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило экраны различают на обычные - толщиной 3 мм, и вандалстойкие - 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0.5 кг с высоты 1.3.
Главным недостатком экрана 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.
Инфракрасный сенсорный экран.
Инфракрасные сенсорные экраны представляют собой рамку вокруг монитора, в которой установлены излучатели и приёмники инфракрасного излучения. Минусы этой конструкции - низкое разрешение датчиков и возможность ложного срабатывания в результате посторонней засветки. Зато при больших диагоналях экранов эта технология пока незаменима. К тому же, все вышеперечисленные разновидности сенсорных дисплеев подвержены так называемому «дрейфу активной точки».
Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Данный тип экрана применяется и в мобильных телефонах.
Мультитач ,
не является типом сенсорного экрана. По своей сути, технология множественного нажатия – что является вольным переводом словосочетания multi-touch – это дополнение к сенсорному экрану (чаще всего построенному по проекционно-ёмкостному принципу), позволяющее экрану распознавать несколько точек прикосновения к нему. В результате мультитач-экран становится способным к распознаванию жестов.
Сенсорный экран - виды.
Экраны современных устройств способны не только выводить полезную информацию и изображения, но и позволяют с помощью сенсоров взаимодействовать с самим устройством. Первоначально сенсорные экраны использовались лишь в некоторых моделях карманных компьютеров, однако на сегодняшний день сенсорные экраны широко применяются в различных мобильных устройствах, видео и фотокамерах, плеерах, инфокиосках и других устройствах. Стоит отметить, что в подобных устройствах применяется один из видов сенсорных экранов. На сегодняшний день разработано и широко применяется несколько видов сенсорных панелей, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.
На данный момент выделяют четыре основных вида сенсорных экранов: инфракрасные, емкостные, резистивные, сенсорные экраны ПАВ. Наибольшее распространение в мобильных устройствах получили емкостные и резистивные сенсорные экраны. Если не вдаваться в подробности, то можно сказать что главным их отличием является то, что емкостные экранные распознают касание, а резистивные – нажатие.
Резистивные сенсорные экраны
Резистивные сенсорные экраны широко применяются в мобильных устройствах. Это объясняется низкой себестоимостью изготовления и простотой технологии. Резистивный сенсорный экран представляет собой LCD дисплей, на который сверху установлены две прозрачные пластины, между которыми находится слой диэлектрика. Верхняя пластина, на которую нажимает пользователь, является гибкой, а нижняя жестко прикреплена к экрану. На поверхности пластин, обращенные друг к другу, наносятся проводники.
Напряжение микроконтроллером последовательно подается на электроды нижней и верхней пластины. В тот момент, когда пользователь нажимает на экран, верхняя пластина прогибается и ее проводящий слой касается нижнего, при этом сопротивление всей системы изменяется. Микроконтроллер фиксирует это изменение и определяет координаты точки нажатия.
К достоинствам резистивных экранов можно отнести малую себестоимость производства, хорошую чувствительность. К тому же на резистивный экран можно нажимать как пальцем, так и любым другим предметом.
Среди недостатков можно выделить плохое светопропускание. Это компенсируется более яркой подсветкой. Резистивные сенсорные экраны не поддерживают множественные нажатия (мультитач) и не могут измерять силу нажатия. К недостаткам также можно причислить достаточно быстрый механический износ, однако по сравнению с периодом эксплуатации мобильного телефона этот недостаток оказывается не таким важным, поскольку телефон в большинстве случаев выходит из строя раньше, чем его сенсорный экран.
Резистивные сенсорные экраны используются в КПК, мобильных телефонах, коммуникаторах, смартфонах, POS-терминалах, медицинском оборудовании.
Сенсорные экраны ПАВ (основанные поверхностно-акустических волнах)
Принцип работы экрана ПАВ заключается в следующем. В углах экрана располагаются пьезоэлементы, преобразующие подаваемые электрические сигналы в ультразвуковые волны и направляющие их вдоль поверхности экрана. На обратной стороне экрана находятся отражатели, распределяющие эти волны по всему экрану. На противоположных от отражателей сторонах экрана располагаются сенсоры, фокусирующие ультразвуковые волны и предающие их на преобразователь. Преобразователи в свою очередь преобразуют звуковые волны в электрические сигналы и подают их на микроконтроллер. Так для микроконтроллера экран представляет собой цифровую матрицу, каждая ячейка которой соответствует определенной точке экрана.
В тот момент, когда пользователь касается пальцем экрана, в точке касания происходит поглощение ультразвуковых волн, и, как следствие, изменяется общая картина распределения волн. В месте касания ультразвуковые волны поглощаются, в результате на выходе преобразователя появляется слабый сигнал, соответствующий логическому нулю. Таким образом вычисляются координаты точки касания.
К достоинствам сенсорных экранов ПАВ можно отнести долговечность (до 60 млн. касаний), отличную прозрачность, поскольку экран не имеет проводящих поверхностей. К тому же сенсорные экраны ПАВ могут определять не только координаты точки нажатия, но и силу нажатия.
Среди недостатков можно выделить низкую точность определения координат, по сравнению с емкостными. Также при воздействии различных вибраций, акустических шумов наблюдаются сбои в работе экрана. Любая грязь на экране может заблокировать его работу.
Сенсорные экраны ПАВ применяются в игровых автоматах, образовательных учреждениях, инфокиосках.
Инфракрасные сенсорные экраны
Принцип работы и устройство сенсорного экрана сходно с экраном ПАВ. На двух соседних сторонах экрана расположены светодиоды, которые излучают инфракрасные лучи. На противоположных сторонах располагаются фототранзисторы, принимающие эти лучи. Т.е. весь экран как бы покрыт сеткой пересекающихся перпендикулярных лучей. В тот момент, когда пользователь касается экрана, лучи перекрываются и не достигают фототранзисторов. Микроконтроллер считывает эту информацию и определяет координаты точки касания.
Инфракрасные сенсорные экраны применяются в торговых автоматах, инфокиосках, в медицинском оборудовании и других устройствах.
Среди достоинств инфракрасных экранов можно выделить простоту устройства, ремонтопригодность, долговечность, прочность.
Емкостные сенсорные экраны
Емкостные сенсорные экраны подразделяются на два вида: проекционно-емкостные и поверхностно-емкостные. Поверхностно-емкостные экраны состоят их стекла, на поверхность которого наносится прозрачное тонкое проводящее покрытие, защищенное сверху пленкой. По краям стеклянной пластины располагаются печатные электроды, через которые микроконтроллером на проводящее покрытие подается переменное низковольтное напряжение.
В тот момент, когда пользователь касается экрана, в точке прикосновения образуется импульс тока. При этом его величина пропорциональна расстояниям от точки касания до углов экрана. Микроконтроллер считывает эту информацию и вычисляет координаты точки прикосновения.
К достоинствам поверхностно-емкостных сенсорных экранов можно причислить отличное светопропускание, большой ресурс касаний и малое время отклика.
Среди недостатков можно отметить требовательность к внешней температуре, электроды, находящиеся по бокам пластины в большинстве случае не подходят для мобильных устройств. К тому же поверхностно-резистивные экраны не поддерживают множественное касание, не могут определить силу нажатия. Касаться таких экранов можно только специальным стилусом или пальцами.
Поверхностно-емкостные сенсорные экраны нашли применение в инфокиосках, некоторых банкоматах и охраняемых помещениях.
В конструкцию проекционно-емкостных сенсорных экранов входит стекло, на которые нанесены горизонтальные ведущие и вертикальные определяющие линии проводящего материала, которые разделены слоем диэлектрика.
Принцип работы проекционно-емкостного сенсорного экрана заключается в следующем. На электроды, расположенные в проводящем слоем, микроконтроллером подается напряжение и измеряется амплитуда импульсов тока. При касании экрана емкость электродов в точке касания изменяется. При этом микроконтроллер может определить место касания (место пересечения электродов с большой емкостью).
Среди достоинств проекционно-емкостных сенсорных экранов можно отметить быструю скорость отклика на касание, поддержку мультитач, возможность определения силы нажатия, и более точное, по сравнению с резистивными экранами, определение координат касания. К тому же проекционно-резистивные экраны обладают большой надежностью и сроком службы.
Сферам применения проекционно-емкостных экранов: банкоматы, платежные терминалы, тачпады ноутбуков, коммуникаторы, iPad, iPhone и другие устройства.
