Типы сенсорных экранов. Какой сенсорный экран лучше

При обсуждении мобильных телефонов, смартфонов или планшетов можно услышать такое слово как тачскрин. Из контекста можно понять, что тачскрин как-то связан с экраном устройства, но что это за деталь и какие функции она выполняет знают далеко не все. В данной статье мы расскажем, что такое тачскрин на телефоне или смартфоне, для чего он нужен и как работает.

Тачскрин или сенсорный экран – это устройство, которое позволяет вводить в компьютер информацию касаясь его экрана с помощью специального пера (стилуса) или просто с помощью пальцев. Данная технология позволяет отказаться от использования дополнительных аппаратных кнопок, что повышает удобство работы и может снизить стоимость всего устройства.

Данный способ ввода информации был изобретен в США в 70-х годах прошлого столетия. Первым компьютером с тачскрином стала появившаяся в 1972 году система PLATO IV. Тот тачскрин работал на основе сетки инфракрасных лучей. Примерно в то же время Сэмюэлем Херстом был разработан первый сенсорный экран, работающий на основе резистивной технологии. А в 1982-году появился первый телевизор с резистивным сенсорным экраном.

Технология изготовления сенсорных экранов развивалась и в начале нулевых годов она начала активно использоваться в производстве мобильных устройств. Сначала появились карманные компьютеры с тачскрином, а потом, телефоны, смартфоны и планшеты. Применение тачскрина позволило значительно расширить возможности мобильных устройств, что стало толчком к значительному росту этой отрасли.

Сейчас тачскрин используется повсеместно, его встраивают в телефоны, смартфоны, планшеты, ноутбуки, моноблоки, мониторы. Также сенсорные экраны активно применяются в автомобильной, медицинской, промышленной и бытовой технике. Фактически, любое устройство, требующее ввода информации, может быть оснащено таким экраном.

Как устроен тачскрин

Существует несколько технологий производства сенсорных экранов, которые основаны на совершенно разных принципах. Одним из наиболее старых и распространенных вариантов является резистивная технология.

Резистивный сенсорный экран состоит из мягкой пластиковой поверхности и стеклянной панели, на которые нанесено специальное резистивное покрытие. При нажатии на экран верхняя мягкая поверхности касается стеклянной панели и электрическая цепь замыкается. Этот контакт позволяет измерить сопротивление и определить точку, в которой две поверхности были соединены.

Принцип работы резистивного сенсорного экрана.

В прошлом резистивные экраны были основной технологией производства тачскринов. В частности, их применяли и в мобильных устройствах (КПК, телефоны и смартфоны). Но, из-за низкой надежности и плохого пропускания света сейчас они все больше вытесняются емкостными сенсорными экранами.

Емкостный сенсорный экран основан на том, что при касании экрана пальцем происходит утечка тока. Данную утечку можно измерить и определить точку, где эта утечка произошла. Конструкция емкостного тачскрина состоит из стеклянной панели, которая покрыта специальным резистивным слоем. По углам экрана прикреплены электроды, они подают на экран небольшое напряжение. В момент касания экрана появляется утечка тока, которая фиксируется во всех четырех углах стеклянной панели. Полученная информация передается в контроллер, который определяет координаты утечки.

Принцип работы емкостного сенсорного экрана.

За счет более простой конструкции ёмкостные тачскрины намного надежней. Они могут выдерживать до 200 млн нажатий (против 35 млн. у резистивных моделей), чего более чем достаточно для любого устройства. Также емкостный тачскрин позволяет обеспечить более качественное изображение, что особенно актуально для телефонов и смартфонов, которые часто используются для фотографирования и просмотра снимков.

Благодаря этим преимуществам емкостная технология сейчас преобладает. 100% всех мобильных устройств используют емкостную технологию тачскрина. В мониторах, ноутбуках и моноблоках также используется преимущественно емкостный тачскрин. На данный момент, резистивные экраны можно встретить только в медицинском и промышленном оборудовании, а также в терминалах самообслуживания.

Тачскрин и его поломки

Как уже было сказано, емкостный тачскрин, который применяется в телефонах и смартфонах, достаточно надежен. Поэтому при правильной эксплуатации он прослужит столько, сколько нужно. Но, из-за того, что он построен на основе стеклянной панели, он достаточно уязвим перед ударами. Даже небольшой удар может вызвать появление трещины, которая выведет сенсорный экран из строя.

Тачскрин от телефона Samsung.

В такой ситуации поможет только замена тачскрина. В старых моделях телефонов данную деталь можно было поменять оставив старый экран. Это позволяло сделать замену достаточно простой и не затратной. Но, сейчас тачскрин чаще всего является частью самого экрана и отдельно заменить его невозможно, что значительно удорожает ремонт.

Чтобы избежать подобных расходов можно заблаговременно защитить свой телефон. Для этого поверх тачскрина нужно наклеить защитное стекло. Такое стекло никак не ухудшает работу сенсорной панели, но может спасти ее в случае падения устройства.

Сначала тачскрины (сенсорные экраны) встречались достаточно редко. Их возможно было найти, только лишь в некоторых КПК, PDA (карманных компьютерах). Как известно, устройства такого плана так и не обрели широкого распространения, так как им не хватило самого важного, то есть, функциональности. История смартфонов напрямую связана с тачскринами. Именно поэтому в нынешнее время человека с «умным телефоном» сенсорным экраном сейчас не удивишь. Тачскрин получил широкое применение не только в модных дорогостоящих девайсах, но, даже, в относительно недорогих моделях современных телефонов. В чём же заключаются принципы работы 3-х типов сенсорных экранов, которые возможно встретить в современных устройствах.

Типы тачскринов

Сенсорные экраны уже не являются слишком дорогими. Кроме этого, тачскрины (touchscreen) сегодня намного «отзывчивее» - касания пользователя распознают просто превосходно. Именно эта характеристика проложила им дорогу к большому числу пользователей во всем мире. В нынешнее время существуют три основные конструкции тачскринов:

1. Ёмкостные.
2. Волновые.
3. Резистивные или попросту «упругие».

Ёмкостный тачскрин: принцип работы

В тачскринах конструкции такого рода стеклянную основу покрывают слоем, который выполняет роль вместилища-накопителя заряда. Пользователь своим касанием высвобождает в определённой точке часть электрического заряда. Данное уменьшение определяется микросхемами, которые расположены в каждом углу экрана. Компьютером вычисляется разница электрических потенциалов, существующих между разными частями экрана, при этом, информация о касании в подробностях передаётся немедленно в программу-драйвер тачскрина.

Довольно важное преимущество ёмкостных тачскринов - это способность данного типа экранов сохранять практически 90 % от изначальной яркости дисплея. Из-за этого изображения на ёмкостном экране смотрятся более чёткими, чем на тачскринах, имеющих резистивную конструкцию.

Видео про ёмкостный сенсорный экран:

Будущее: волновые сенсорные дисплеи

На концах осей координатной сетки экрана из стекла располагается два преобразователя. Один из них является передающим, второй - принимающим. На стеклянной основе имеются и рефлекторы, «отражающие» электрический сигнал, который передаётся от одного к другому преобразователю.

Преобразователь-приёмник стопроцентно точно «знает» было ли нажатие, а также в какой конкретно точке оно произошло, так как пользователь своим касанием прерывает акустическую волну. При этом, стекло волнового дисплея не имеет металлического покрытия - это предоставляет возможность сохранить в полном объёме 100 % изначального света. В связи с этим, волновой экран представляет собой наилучший вариант для тех пользователей, которые работают в графике с мелкими деталями, потому, что резистивные и ёмкостные тачскрины не являются идеальными в вопросе чёткости изображений. Их покрытие задерживает свет, что в результате существенно искажает картинку.

Видео про принцип работы сенсорных экранов на ПАВ:

Прошлое: о резистивном тачскрине

Резистивная система - это обычное стекло, которое покрыто слоем проводника электричества, а также упругой металлической «плёнкой», также обладающей токопроводящими качествами. Между этими 2-мя слоями с помощью специальных распорок есть пустое пространство. Поверхность экрана покрыта специальным материалом, который обеспечивает ему защиту от механических повреждений, например, царапин.

Электрический заряд в процессе работы пользователя с тачскрином, проходит через два эти слоя. Каким же образом это происходит? Пользователь в определённой точке касается экрана и упругий верхний слой соприкасается с проводниковым слоем - только в этой точке. Потом компьютером определяются координаты той точки, которой пользователь коснулся.

Когда координаты становятся известны устройству, то специальный драйвер переводит прикосновения в команды, известные операционной системе. В данном случае можно провести аналоги с драйвером самой обычной компьютерной мышки, ведь он занимается точно тем же: объясняет операционной системе то, что конкретно хотел сказать ей пользователь посредством перемещения манипулятора или же нажатия кнопки. С экранами данного типа используют, как правило, специальные стилусы.

Резистивные экраны возможно обнаружить в относительно немолодых устройствах. Как раз таким сенсорным дисплеем оборудован IBM Simon - самый древний смартфон из тех, что были сознаны нашей цивилизацией.

Видео про принцип работы резистивного сенсорного экрана:

Особенности различных типов тачскринов

Наиболее дешёвыми сенсорными экранами, но, при этом, наименее чётко транслирующими изображение являются резистивные тачскрины. Кроме этого, они являются и самыми уязвимыми, ведь абсолютно любым острым предметом возможно серьёзно повредить достаточно нежную резистивную «плёночку».

Следующий тип, т.е. волновые тачскрины, представляют собой самые дорогостоящими среди себе подобных. При этом, резистивная конструкция, вероятнее всего, относится, всё-таки, к прошлому, ёмкостная - к настоящему, а волновая - к будущему. Понятное дело, что грядущее абсолютно никому стопроцентно не известно и, соответственно, в нынешнее время можно только лишь предполагать, какая именно технология имеет большие перспективы для использования её в будущем.

Для резистивной системы тачскринов не имеет никакого особого значения, коснулся резиновым наконечником стилуса или же просто пальцем пользователь экрана устройства. Достаточно того, что между двумя слоями произошло соприкосновение. При этом, ёмкостной экран распознает только лишь касания какими-то токопроводящими предметами. Зачастую пользователи современных устройств работают с ними с помощью собственных пальцев. Экраны волновой конструкции в этом отношении ближе к резистивным. Отдать команду возможно практически любым предметом - при этом нужно только избегать использования тяжёлых или же слишком маленьких объектов, например, стержень шариковой ручки для этого не подойдёт.

Наверняка все из вас пользуются компьютерами и мобильными устройствами, и лишь единицы в общем способны рассказать, как работают их процессоры, операционные системы и прочие компоненты.

В эру мобильных гаджетов у всех есть с сенсорным (ещё его называют интеллектуальным) экраном, и почти никто не знает, что такое этот сенсорный дисплей, как он работает и какие его виды существуют.

Что это такое

Сенсорный дисплей (экран) – это устройство для визуализации цифровой информации с возможностью оказывать управленческое воздействие посредством прикосновений к поверхности дисплея.

Основываясь на различных технологиях, разные дисплеи реагируют только на определенные факторы.

Одни считывают изменение ёмкости или сопротивления в области соприкосновения, другие на перепады температуры , некоторые сенсоры реагируют только на специальное перо , чтобы избежать случайных нажатий.

Мы рассмотрим принцип действия всех распространённых видов дисплеев, области их применения, сильные и слабые стороны.

Среди всех существующих принципов управления устройством посредством чувствительной к каким-либо факторам матрицы, обратим внимание на следующие технологии:

• резистивная (4-5-ти проводная);
• матричная;
• ёмкостная и её варианты;
• поверхностно-акустическая;
• оптическая и иные менее распространённые и практичные.

В общем схема работы следующая: пользователь прикасается к области экрана, датчики передают контроллеру данные об изменении какой-либо переменной (сопротивления, ёмкости), тот рассчитывает точные координаты места соприкосновения и отправляет их .

Последний, основываясь на программе, соответствующим образом реагирует на нажатие.

Резистивные

Самый простой сенсорный экран – резистивный. Он реагирует на изменение сопротивления в области касания постороннего предмета и экрана.

Это самая примитивная и распространённая технология. Устройство состоит из двух основных элементов:

• токопроводящая прозрачная подложка (панель) из полиэстера или иного полимера толщиной в несколько десятков молекул;
• светопроводящая мембрана из полимерного материала (как правило, используется тонкий слой пластика).

На оба слоя напылен резистивный материал. Между ними расположены микроизоляторы в виде шариков.

Во время этапа эластичная мембрана деформируется (прогибается), соприкасается со слоем подложки и замыкает её.

Контроллер посредством аналого-цифрового преобразователя реагирует на замыкание. Он высчитывает разницу между исходным и текущим сопротивлением (или проводимостью) и координаты точки или области, где это осуществляется.

Практика быстро выявила недостатки таких устройств, и инженеры приступили к поиску решений, которые вскоре были найдены путём добавления 5-го провода.

Четырёхпроводной

Верхний электрод находится под напряжением 5В, а нижний заземлён.

Левый с правым соединены напрямую, они и являются индикатором изменения напряжения по оси Y.

Затем верхний с нижним закорачиваются, а на левый с правым подается 5В, чтобы считать X-координату.

Пятипроводной

Надёжность обусловлена заменой резистивного покрытия мембраны на токопроводящее.

Панель же изготавливается из стекла и остается покрытой резистивным материалом , а на её углах размещаются электроды.

Сначала все электроды заземляются, а мембрана находится под напряжением, которое постоянно мониторится тем же аналого-цифровым преобразователем.

Во время прикосновения контроллер (микропроцессор) улавливает изменение параметра и проводит расчёты точки/области, где напряжение изменилось по схеме с четырьмя проводами.

Важное преимущество – возможность наносить на выпуклые и вогнутые поверхности.

На рынке встречаются и 8-ми проводные экраны. Их точность выше, чем рассмотренные, но на надёжность это ни коим образом не влияет, а цена заметно отличается.

Заключение

Рассмотренные сенсоры используются повсеместно ввиду низкой себестоимости и стойкости к влиянию факторов внешней среды, таких как загрязнение и пониженные температуры (но не ниже нуля).

Они отлично откликаются на прикосновение практически любым предметом, но не острым.

Площади карандаша или спички, как правило, недостаточно для вызова реакции контроллера.

Ставятся такие дисплеи на , используются в сфере обслуживания (офисы, банки, магазины), медицине и образовании.

Везде, где устройства изолированы от внешней среды, а вероятность быть повреждённым минимальна.

Невысокая надёжность (экран легко повредить) частично компенсируется защитной плёнкой.

Плохое функционирование на морозе, низкое светопропускание (0,75 и 0,85 соответственно), ресурс (не более 35 миллионов нажатий для терминала, которым постоянно пользуются, совсем немного) – слабые стороны технологии.

Матричные

Более упрощенная резистивная технология, возникшая ещё до неё.

Мембрана покрыта рядами вертикальных проводников , а подложка – горизонтальными.

При нажатии происходит вычисление области, где сомкнулись проводники и полученные данные передаются в процессор.

Он уже вырабатывает управляющий сигнал и устройство определённым образом реагирует, например, выполняет закреплённое за кнопкой действие).

Особенности:

• очень низкая точность (количество проводников весьма ограничено);
• самая низкая цена среди всех;
• реализации функции мультитач из-за опроса экрана по строчкам.

Используются только в устаревшей электронике и почти вышли из обихода ввиду наличия прогрессивных решений.

Ёмкостные

Принцип основан на способности объектов большой ёмкости становиться проводниками переменного электрического тока.

Экран изготовлен в виде стеклянной панели с тонким слоем напыленного резистивного вещества.

Электроды по углам дисплея подают небольшое напряжение переменного тока на проводящий слой.

В момент соприкосновения осуществляется утечка тока , если предмет имеет большую электрическую ёмкость, чем экран.

По углам экрана регистрируется ток, а сведения с датчиков отправляются контроллеру на обработку. На их основании происходит вычисление области контакта.

В первых прототипах использовалось напряжение постоянного тока. Решение делало конструкцию проще, но часто возникали сбои, когда пользователь не соприкасался с землёй.

Данные девайсы очень надёжны, их ресурс превышает резистивные ~ в 60 раз (порядка 200 млн. нажатий), влагостойкие и отлично терпят загрязнения, не проводящие электрический ток.

Прозрачность находится на уровне 0,9, что немного выше, резистивных, и работают при температуре до - 15 0 С.

Недостатки:

• не реагирует на перчатку и большинство посторонних предметов;
• проводящее покрытие находится в верхнем слое и очень уязвимо к механическим повреждениям.

Используются в тех же банкоматах и терминалах под закрытым небом.

Проекционно-ёмкостные

На внутреннюю поверхность наносится электродная сетка, образующая с телом человека ёмкость (конденсатор). Электроника (микроконтроллер и датчики) работают над расчётом координат при и отправляет расчёты центральному процессору.

Обладают всеми особенностями ёмкостных.

Вдобавок могут оснащаться толстой пленкой до 1,8 см, что повышает защиту от механических воздействий.

Токопроводящие загрязнения, где их тяжело или невозможно устранить, без проблем убираются программным методом.

Чаще всех иных устанавливаются в персональные электронные устройства, банкоматы и различную технику, установленную фактически под открытым небом (под накрытием). Apple также отдают предпочтение проекционно-ёмкостным дисплеям.

Поверхностно-акустическая волна

Изготавливается в виде стеклянной панели, оснащённой пьезоэлектрическими преобразователями ПЭП, расположенными на противоположных углах, и приёмниками.

Их тоже пара и находятся на противоположных углах.

Генератор отправляет электрический сигнал ВЧ на ПЭП, тот превращает череду импульсов в ПАВ, а отражатели распространяют её.

Отраженные волны улавливаются датчиками и поступают на ПЭП, который преобразовывает их обратно в электричество.

Сигнал отправляется на контроллер, который анализирует его.

При касании параметры волны изменяются, в частности поглощается часть её энергии в определённом месте. На основании этой информации производится расчёт области касания и его силы.

Весьма высокая прозрачность (выше 95%) обусловлена отсутствием проводящих/резистивных поверхностей.

Порой для устранения бликов отражатели света вместе с приёмниками монтируются непосредственно на экран.

Сложность конструкции никоим образом не отражается на эксплуатации девайса с таким экраном, а число прикосновений в одной точке равняется 50 млн раз, что немного превышает ресурс резистивной технологии (65 млн. раз в общем).

Выпускаются с тонкой плёнкой порядка 3 мм и утолщенной – 6 мм. Благодаря такой защите дисплей выдерживает несильный удар кулаком.

Слабые стороны:

• плохая работа в условиях вибрации и тряски (в транспорте, при ходьбе);
• отсутствие стойкости к загрязнениям – любой посторонний предмет влияет на функционирование дисплея;
• помехи при наличии акустических шумов определённой конфигурации;
• точность немногим ниже, чем в ёмкостных, из-за чего непригодны для рисования.

Иные разновидности

Что такое сенсорный экран и как он работает, мы разобрались. Напоследок познакомимся с малораспространёнными технологиями их функционирования.

Оптический

Верхняя панель оснащена подсветкой в инфракрасном диапазоне, из-за чего на границе воздух-стекло появляется эффект полного отражения, а между стеклом и пальцем или иным предметом свет рассеивается.

Для достижения эффектов либо устанавливается 4-й субпиксель или же в проекционный экран монтируется камера.

Поддерживает мультитач и работу с большими поверхностями, вплоть до размеров полноценной школьной доски.

Инфракрасный

Экран покрыт парами фотодиод-светодиод.

Светодиоды генерируют инфракрасные лучи, которые поглощаются соседними фотодиодами.

В момент прикосновения свет перестает поглощаться или его интенсивность падает, что отражается на снижении тока в светодиоде.

Событие фиксируется микроконтроллером, который и вычисляет координаты точки.

Из-за отсутствия подложек и прочих слоев, изменение цветопередачи, яркости, контраста и иных параметров картинки исключено. Оптопары очень чувствительны к влаге и загрязнениям, а также имеют небольшой срок службы. Прямые солнечные лучи могут вызывать сбои.

Индукционный

В экране находится катушка индуктивности и сеть чувствительных проводников, реагирующих только на перо, питающееся за счёт эффекта электромагнитной индукции.

Устанавливаются в , которыми пользуются, например, сотрудники банков.

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.