Какие бывают сенсорные экраны. Сенсорный экран: история изобретения и принципы работы

В данной статье мы рассмотрим различные виды сенсорных экранов, их особенности, плюсы и минусы технологии.

«Мультитач»

Данная технология позволяет распознавать одновременно несколько нажатий в разных точках экрана. Это открывает новые возможности в управлении устройством. Примером технологии «мультитач» является Apple iPhone .

Емкостные сенсорные экраны

Например: HTC Wildfire

Чувствительный элемент емкостного сенсорного экрана представляет собой стекло, покрытое прозрачным проводящим составом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). По углам панели размещены четыре электрода, которые подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение.

При прикосновении пальцем (или иным проводящим предметом) к такому экрану, образуется емкостная связь между пальцем и экраном (утечка тока), что вызывает импульс тока в точку контакта. Контроллер экрана замеряет силу образующегося при этом тока по всем четырем электродам. Электрический ток из каждого угла экрана пропорционален расстоянию до точки касания, таким образом контроллеру достаточно просто сравнить эти токи для определения места касания.

Плюсы: надежный прозрачный экран с малым временем отклика, обладающий высокой прочностью и долговечностью.

Минусы такого экрана заключаются в том, что управлять им можно только пальцами или специальным стилусом, обладающим электрической ёмкостью. Потому зимой можете забыть об использовании такого экрана в перчатках. И к тому же при низких температурах электрические характеристики сенсора изменяются, и порой он может работать некорректно (от неправильного определения координат нажатия до полной неработоспособности).

Проекционно-емкостные экраны

Например: Apple iPhone

Существует еще одна разновидность емкостного сенсора – проекционно-емкостный экран. На его тыльную сторону нанесена сетка электродов, на которые подаётся слабый ток, а место касания определяется по точкам с повышенной ёмкостью.

Такие экраны, кроме высокой прозрачности и долговечности, имеют еще два важных преимущества – стекло-подложка может быть сделана сколь угодно прочной (и довольно толстой), к тому же они позволяют использовать технологию «мультитач», которую не могли себе позволить обычные ёмкостные экраны.

Минусом может являть немного более низкая точность определения координат нажатия.

Резистивные сенсорные экраны

Например: HTC Touch Diamond

Резистивный экран реагирует только на давление. Экран представляет собой стеклянный жидкокристаллический дисплей, на который наложена гибкая мембрана. На соприкасающиеся стороны нанесён резистивный состав, а пространство между плоскостями разделено диэлектриком.

При нажатии на экран пальцем (или любым другим предметом), он соприкасается с мембраной, и в точке касания начинает протекать ток. Чтобы определить место касания, контроллер экрана попарно замеряет напряжение между электродами, размещенными по краям панели. Такой экран называется 4-проводным (существуют также 5-6-7-проводные, имеющие некоторые отличия).

Особенность резистивного экрана состоит в том, что для его срабатывания требуется физическое усилие, причем нажатия ногтем он распознает лучше, чем подушечкой, реагирует на любые прикасающиеся к поверхности предметы. Устройства с резистивными экранами часто комплектуются стилусами. Такой дисплей обеспечивает более высокую точность управления (стилусом реально попасть буквально в пиксел, тогда как пальцем на емкостном экране – только в достаточно большую по площади область), но из-за постоянного контакта с твердыми предметами гибкая мембрана быстро покрывается царапинами. Именно резистивными экранами оснащено большинство мобильных устройств.

К недостаткам резистивных экранов относится также низкое светопропускание - не более 70-85%, из-за чего требуется повышенная яркость подсветки.

Зато эти экраны предельно дёшевы в производстве, чем и объясняется их широкое распространение.

Все, наверно, слышали о разработках компаний дисплеев с тактильной отдачей, и это уже давно не миф. Единственным препятствием на пути к широкой аудитории, является появление универсального экрана с наибольшей чувствительностью, то есть на сегодня перед специалистами стоит задача сделать тактильный дисплей, во всех отношениях, практичным. Такая альтернатива вибро-моторам поможет воссоздать контакт с устройством, как при кнопочном аппарате, и даже больше…

Сенсорные дисплеи недалёкого будущего

Благодаря некоторым компаниям прогресс технологии на лицо, и уже сейчас существует не один, а несколько прототипов. Одной из таких стала корпорация Майкрософт, её исследовательская группа «» под руководством Хонг Тан, смогла продвинуться в тактильном направлении.

Группа специалистов затратила несколько лет на создание экрана с обратной связью, и их труды уже сейчас представлены в нескольких вариациях, в том числе на базе Nokia Lumia. Убедиться в положении дел можно из видео ролика ниже:

Как утверждает ведущий сотрудник Хонг Тан, сенсорные дисплеи должны эволюционировать во что-то большее. «То, что можно считать действительно классным достижением, – это взять гладкий кусок стекла и сделать его чем-то особенным, – говорит г-жа Тан. – Это почти волшебство».

Исследователи из Майкрософт работают в двух направлениях, разрабатывая аппаратную и программную составляющую технологии. Главной задачей, является полная обратная связь, не только на нажатие цифровых кнопок, но и изображения в целом. Так некоторые варианты экранов дают реальные ощущения текстур под пальцами. Один из примеров – шахматная доска из приложения Nokia Lumia. Клетки разного цвета принимают различный тактильный эффект.

Вместо послесловия

В основном технология будущих экранов строится на стимуляции рецепторов на коже, а также мышечной моторики. На экранах можно будет ощутить не только продавливание поверхности под пальцем, но и характерный щелчок, свидетельствующий о контакте.
«Когда вы набираете текст на виртуальной клавиатуре смартфона, внешний слой в буквальном смысле моментально прогибается под вашими пальцами. Это совсем небольшой прогиб, но и его достаточно, чтобы ваши пальцы получили сигнал, напоминающий, что вы нажали на кнопку», – говорит г-жа Хонг.

По той разнице, как происходит ввод информации, сенсоры экранов подразделяются на два типа: резистивные экраны и емкостные.

Резистивный тип

Резистивный тип – экран, который реагирует на нажатие, практически любым твердым предметом. Как правило, телефоны с этим сенсором идут в комплекте с стилусом — специальной палочкой.

Что можно отнести к преимуществам такого дисплея: цена! они настолько недороги в производстве, занявшие чрезвычайно большую нишу.

Еще одним важным преимуществом является то, что они очень устойчивы к загрязнению. Если сказать совсем просто, то, если Вы видите (хоть как-то) кнопки — то они работают!

Относительно недостатков, то здесь стоит отметить не очень высокую свет проводимость.

Есть два типа резистивных экранов четырехпроводной и пятипроводной

Емкостный тип

Емкостный тип — так же, как и в резистивного типа, существует два типа емкостных экранов — поверхностно-емкостной тип, и проекционно-емкостной тип.

Поверхностно-емкостной тип: экрана использует принцип проведения переменного электрического тока предметом с высокой емкостью.

Сенсор емкостного типа это стеклянная панель покрытая слоем проводника. Электроды, которые расположены по углам экрана подают на него переменное напряжение. Когда человек прикасается пальцем или каким-либо другим ведущим предметом, происходит поток тока. Ток во всех углах экрана регистрируется специальными датчиками и передается в контроллер, что вычисляет координаты точки прикосновения.

Емкостный тип экрана более надежен (рассчитан на 200 млн. прикосновений к одной точке против 35 млн.), не пропускает жидкостей и устойчив к непроводящих загрязнений. Еще одно преимущество этого типа — прозрачность экрана составляет 90%.

Теперь о недостатках — экран не будет работать когда вы будете в перчатке, это первый недостаток. Вторым недостатком является то, что мультитач на нем невозможен.

Проекционно-емкостной тип: С внутри экрана нанесена сетка из электродов. Вместе с телом человека, эти электроды создают конденсатор.

К особенностям этого типа следует отнести: преимущества — прозрачность экрана около 90%, необычайно широкий диапазон температур, многими экранами можно управлять даже когда вы наделы перчатки. Здесь появился мультитач. И, напоследок, эти экраны очень долговечны.

К недостаткам можно отнести цену такого сенсора и сложность производства.

По этому, если вы выбираете с каким сенсорным дисплеем взять телефон, лично я советую взять вам проекционно-емкостной тип.

В наше время сенсорные экраны уже давно перестали быть экзотикой. Внешне они все похожи, но являются ли эти дисплеи одинаковыми на самом деле? Давайте рассмотрим конструкцию основных типов чувствительных экранов, их достоинства, недостатки и область применения.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили сенсоры, основанные на емкостной и резистивной технологиях, а также на их разновидностях.

«Мультитач»

Так называется технология, позволяющая распознавать нажатия на сенсорный экран в нескольких точках одновременно. Это открывает новые возможности в управлении устройством. Примером использования технологии «мультитач» может служить интерфейс Apple iPhone.

Емкостные сенсорные экраны

	Например: Тне Prada Phoneby LG

Сенсорный дисплей, работающий по емкостному принципу, фактически реагирует на прикосновение. Он представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным проводящим составом. По углам панели размещены четыре электрода, к которым подводится переменный ток. В тот момент, когда пользователь прикасается пальцем к такому экрану, электрический заряд с проводящего слоя перетекает по коже на тело человека. Контроллер экрана замеряет силу образующегося при этом тока по всем четырем электродам - она пропорциональна расстоянию от угла панели до точки касания. Сопоставляя полученные значения, можно узнать точные координаты места касания. Сенсоры, действующие по такому принципу, можно отличить «на ощупь» - они срабатывают от легкого прикосновения, причем быстрее и четче реагируют на нажатие подушечкой пальца, чем ногтем. Более того, на нажатия любыми другими предметами они не реагируют, в особенности если те являются непроводящими. Поэтому телефоном с таким экраном невозможно управлять рукой в перчатке. К тому же при снижении температуры электрические характеристики сенсора меняются, и экран начинает работать хуже. Добавим, что этот принцип, как правило, используется в ноутбучных тачпадах.

	Например: Apple iPhone

Проекционно-емкостные экраны

Существует еще одна разновидность емкостного сенсора - проекционно-емкостный экран. На тыльной стороне его находится сетка электродов. В месте касания руки изменяется электрическая емкость (по законам электродинамики человеческое тело представляет собой конденсатор), контроллер определяет, в каком пересечении электродов это произошло, и вычисляет координаты. Подобные экраны, кроме высокой прозрачности и долговечности, имеют еще два важных преимущества - стекло-подложка может быть сделана сколь угодно прочной (и довольно толстой), к тому же они поддерживают «мультитач». Минус - более низкая точность по сравнению с обычной емкостной технологией.

Резистивные сенсорные экраны

	Например: HTC Touch Diamond

Резистивный сенсор де-факто реагирует на давление. Экран состоит из двух пластин, между которыми находится состав, не проводящий электрический ток. Если коснуться наружной гибкой (и прозрачной) пластины пальцем (или любым другим предметом - в данном случае это не имеет значения), пластины замыкаются и в точке касания начинает протекать ток. Чтобы определить место касания, контроллер экрана попарно замеряет напряжение между электродами, размещенными по краям панели. Такой экран называется 4-проводным (существуют также 5-проводные, имеющие некоторые отличия).

Особенность резистивного экрана состоит в том, что для его срабатывания требуется физическое усилие, причем нажатия ногтем он распознает лучше, чем подушечкой, реагирует на любые прикасающиеся к поверхности предметы. Устройства с резистивными экранами часто комплектуются стилусами. Такой дисплей обеспечивает более высокую точность управления (стилусом реально попасть буквально в пиксел, тогда как пальцем на емкостном экране - только в достаточно большую по площади область), но из-за постоянного контакта с твердыми предметами гибкая пластина быстро покрывается царапинами. Именно резистивными экранами оснащено большинство мобильных устройств.

Другие типы сенсорных экранов

Существует еще ряд сенсорных технологий, нередко довольно экзотических. Например, использование сетки инфракрасных лучей или даже генерация ультразвуковых колебаний. Последняя известна как технология поверхностно-акустических волн. Есть системы и на основе камер, отслеживающих движение (здесь также поддерживается «мультитач»), и на основе тензопокрытий, при деформации которых меняется электрическое сопротивление.

Экраны современных устройств могут не только выводить изображение, но и позволяют взаимодействовать с устройством посредством сенсоров.

Изначально сенсорные экраны применялись в некоторых карманных компьютерах, а на сегодняшний день сенсорные экраны находят широкое применение в мобильных устройствах, плеерах, фото и видеокамерах, информационных киосках и так далее. При этом в каждом из перечисленных устройств может применяться тот или иной тип сенсорного экрана. В настоящее время разработано несколько типов сенсорных панелей, и, соответственно, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками. В данной статье мы как раз и рассмотрим, какие же бывают типы сенсорных экранов, их достоинства и недостатки, какой тип сенсорного экрана лучше.

Существует четыре основных типа сенсорных экранов: резистивные, емкостные, с определением поверхностно-акустических волн и инфракрасные . В мобильных же устройствах наибольшее распространение получили только два: резистивные и емкостные . Основным их отличием является тот факт, что резистивные экраны распознают нажатие, а емкостные – касание.

Резистивные сенсорные экраны

Данная технология получила наибольшее распространение среди мобильных устройств, что объясняется простотой технологии и низкой себестоимостью производства. Резистивный экран представляет собой LCD дисплей, на который наложены две прозрачные пластины, разделенные слоем диэлектрика. Верхняя пластина гибкая, так как на нее нажимает пользователь, нижняя же жестко закреплена на экране. На обращенные друг другу поверхности нанесены проводники.

Резистивный сенсорный экран

Микроконтроллер подает напряжение последовательно на электроды верхней и нижней пластины. При нажатии на экран гибкий верхний слой прогибается, и его внутренняя проводящая поверхность касается нижнего проводящего слоя, изменяя тем самым сопротивление всей системы. Изменение сопротивления фиксируется микроконтроллером и таким образом определяются координаты точки касания.

Из плюсов резистивных экранов можно отметить простоту и малую стоимость, неплохую чувствительность, а также возможность нажимать на экран как пальцем, так и любым предметом. Из минусов необходимо отметить плохое светопропускание (в результате приходится использовать более яркую подсветку), плохая поддержка множественных нажатий (multi-touch), не могут определять силу нажатия, а также довольно быстрый механический износ, хотя в сравнении со временем жизни телефона, этот недостаток не так уж и важен, так как обычно быстрее телефон выходит из строя, чем сенсорный экран.

Применение : сотовые телефоны, КПК, смартфоны, коммуникаторы, POS-терминалы, TabletPC, медицинское оборудование.

Емкостные сенсорные экраны

Емкостные сенсорные экраны делятся на два типа: поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные . Поверхностно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло, на поверхность которого нанесено тонкое прозрачное проводящее покрытие, поверх которого нанесено защитное покрытие. По краям стекла расположены печатные электроды, которые подают на проводящее покрытие низковольтное переменное напряжение.

Поверхностно-емкостной сенсорный экран

При касании экрана образуется импульс тока в точке контакта, величина которого пропорциональна расстоянию из каждого угла экрана до точки касания, таким образом, вычислить координаты места касания контроллеру достаточно просто, сравнить эти токи. Из достоинств поверхностно-емкостных экранов можно отметить: хорошее светопропускание, малое время отклика и большой ресурс касаний. Из недостатков: размещенные по бокам электроды плохо подходят для мобильных устройств, требовательны к внешней температуре, не поддерживают multi-touch, касаться можно пальцами или специальным стилусом, не могут определять силу нажатия.

Применение : информационные киоски в охраняемых помещениях, в некоторых банкоматах.

Проекционно-емкостные сенсорные экраны представляют собой стекло с нанесенными на него горизонтальными ведущими линиями проводящего материала и вертикальными определяющими линиями проводящего материала, разделенные слоем диэлектрика.

Проекционно-емкостной сенсорный экран

Работает такой экран следующим образом: на каждый из электродов в проводящем материале микроконтроллером последовательно подается напряжение и измеряется амплитуда возникающего в результате импульса тока. По мере приближения пальца к экрану емкость электродов, находящихся под пальцем, изменяется, и таким образом контроллер определяет место касания, то есть координаты касания – это пересекающиеся электроды с возросшей емкостью.

Достоинством проекционно-емкостных сенсорных экранов является быстрая скорость отклика на касание, поддержка multi-touch, более точное определение координат по сравнению с резистивными экранами и определение силы нажатия. Поэтому эти экраны в большей степени используются в таких устройствах, как iPhone и iPad. Также стоит отметить большую надежность этих экранов и, как следствие, больший срок работы. Из недостатков можно отметить, что на таких экранах касаться можно только пальцами (рисовать или писать от руки пальцами очень неудобно) или специальным стилусом.

Применение : платежные терминалы, банкоматы, электронные киоски на улицах, touchpads ноутбуков, iPhone, iPad, коммуникаторы и так далее.

Сенсорные экраны ПАВ (поверхностно-акустические волны)

Состав и принцип работы данного типа экранов следующий: по углам экрана размещены пьезоэлементы, которые преобразуют подаваемый на них электрический сигнал в ультразвуковые волны и направляют эти волны вдоль поверхности экрана. Вдоль краев одной стороны экрана распределены отражатели, которые распределяют ультразвуковые волны по всему экрану. На противоположных от отражателей краях экрана расположены сенсоры, которые фокусируют ультразвуковые волны и передают их далее на преобразователь, который в свою очередь преобразует ультразвуковую волну обратно в электрический сигнал. Таким образом, для контроллера экран представляется в виде цифровой матрицы, каждое значение которой соответствует определенной точке поверхности экрана. При касании пальцем экрана в любой точке происходит поглощение волн, и в результате общая картина распространения ультразвуковых волн изменяется и в результате преобразователь выдает более слабый электрический сигнал, который сравнивается с хранящейся в памяти цифровой матрицей экрана, и таким образом вычисляются координаты касания экрана.

Сенсорный экран ПАВ

Из достоинств можно отметить высокую прозрачность, так как экран не содержит проводящих поверхностей, долговечность (до 50 млн. касаний), а также сенсорные экраны ПАВ позволяют определять не только координаты нажатия, но и силу нажатия.

Из недостатков можно отметить более низкую точность определения координат, чем у емкостных, то есть рисовать на таких экранах не получится. Большим недостатком являются сбои в работе при воздействии акустических шумов, вибраций или при загрязнении экрана, т.е. любая грязь на экране блокирует его работу. Также данные экраны корректно работают только с предметами, поглощающими акустические волны.

Применение : сенсорные экраны ПАВ в основном в охраняемых информационных киосках, в образовательных учреждениях, в игровых автоматах и так далее.

Инфракрасные сенсорные экраны

Устройство и принцип работы инфракрасных сенсорных экранов довольно простой. Вдоль двух прилегающих друг к другу сторон сенсорного экрана расположены светодиоды, излучающие инфракрасные лучи. А на противоположной стороне экрана расположены фототранзисторы, которые принимают инфракрасные лучи. Таким образом, весь экран покрыт невидимой сеткой пересекающихся инфракрасных лучей, и если коснуться экрана пальцем, то лучи перекрываются и не попадают на фототранзисторы, что немедленно регистрируется контроллером, и таким образом определяются координаты касания.

Инфракрасный сенсорный экран

Применение : инфракрасные сенсорные экраны используются в основном в информационных киосках, торговых автоматах, в медицинском оборудовании и т.д.

Из достоинств можно отметить высокую прозрачность экрана, долговечность, простоту и ремонтопригодность схемы. Из недостатков: боятся грязи (поэтому используются только в помещении), не могут определять силу нажатия, средняя точность определения координат.

P.S. Итак, мы рассмотрели основные типы наиболее распространенных сенсорных технологий (хотя есть еще и менее распространенные, такие, как оптические, тензометрические, индукционные и так далее). Из всех этих технологий наибольшее распространение в мобильных устройствах получили резистивные и емкостные, так как обладают высокой точностью определения точки касания. Из них наилучшими характеристиками обладают проекционно-емкостные сенсорные экраны.

Текст подготовлен по материалам из открытых источников методистами по Технологии Карабиным А.С., Л.В. Гаврик, С.В. Усачёвым