Что лучше: резистивный или емкостной экран? Типы сенсорного экрана. Сенсорные дисплеи с обратной связью
20.07.2016 14.10.2016 by Почемучка
История создания сенсорного экрана.
Сегодня сенсорным дисплеем, а вернее экраном с возможностью введения информации посредством касания, никого не удивишь. Практически все современные смартфоны, планшетные ПК, некоторые электронные книги и другие современные гаджеты оснащены подобными устройствами. Какова же история этого чудесного устройства ввода информации?
Считается, что родителем первого в мире сенсорного устройства является американский преподаватель университета штата Кентукки, Сэмуэль Херст. В 1970 году он столкнулся с проблемой считывания информации с огромного количества лент самописцев. Его идея автоматизации этого процесса стала толчком к созданию первой в мире компании по производству сенсорных экранов – Elotouch. Первая разработка Херста и его единомышленников носила название Elograph. Она увидела свет в 1971 году и использовала четырех проводной резистивный метод определения координат точки касания.
Первой же компьютеризированным устройством с сенсорным дисплеем была система PLATO IV, появившаяся на свет в 1972 году благодаря исследованиям, проходившим в рамках компьютерного обучения в США. Она имела сенсорную панель, состоящую из 256 блоков (16×16), и работающую при помощи сетки инфракрасных лучей.
В 1974 году снова дал о себе знать Сэмюэль Херст. Образованная им компания Elographics выпустила прозрачную сенсорную панель, а еще через три года в 1977 ими была разработана пяти проводная резистивная панель. Спустя несколько лет компания объединяется с крупнейшим производителем электроники Siemens и в 1982 году они совместно выпускают первый в мире телевизор, оборудованный сенсорным экраном.
В 1983 году производитель компьютерной техники компания Hewlett-Packard выпускает компьютер HP-150, оборудованный сенсорным дисплеем, работающим по принципу инфракрасной сетки.
Первым мобильным телефоном с сенсорным устройством для ввода информации была модель Alcatel One Touch COM, выпущенная в 1998 году. Именно она стала прообразом современных смартфонов, хотя и имела по сегодняшним меркам весьма скромные возможности – небольшой монохромный дисплей. Еще одной попыткой смартфона с сенсорным экраном стала модель Ericsson R380. Она также имела монохромный дисплей и была весьма ограничена в своих возможностях.
Сенсорный экран в современном виде предстал в 2002 году в модели Qtek 1010/02 XDA, выпущенной компанией HTC. Это был полноцветный дисплей с достаточно хорошей разрешающей способностью, поддерживающий 4096 цветов. Он использовал резистивную технологию определения координат касания. На более высокий уровень сенсорные экраны вывела компания Apple. Именно благодаря ее IPhone, устройства с сенсорными дисплеями получили невероятную популярность, а их разработка Multitouch (определение касания двумя пальцами) существенно упрощала ввод информации.
Однако появление сенсорных экранов стало не только удобным новшеством, но и повлекло за собой некоторые неудобства. Электронные устройства, оснащенные сенсором, более чувствительны к неаккуратному обращению, поэтому и ломаются чаще. Ломаются даже экраны в Iphone. Благо, что заменить их может даже неквалифицированный специалист.
Как устроен сенсорный экран.
Такая диковинка как сенсорный экран – дисплей с возможностью ввода информации простым нажатием на его поверхность при помощи специального стилуса или просто пальца, давно уже перестал вызывать удивление у пользователей современных электронных гаджетов. Давайте попробуем разобраться, как же он работает.
На самом деле видов сенсорных экранов существует достаточно большое количество. Друг от друга они отличаются принципами, заложенными в их работе. Сейчас на рынке современной высокотехнологичной электроники используются в основном резистивные и емкостные сенсоры. Однако существуют также матричные, проекционно-емкостные, использующие поверхностно-акустические волны, инфракрасные и оптические. Особенность двух первых, самых распространенных в том, что сам сенсор отделен от дисплея, поэтому при поломке его с легкостью может заменить даже начинающий электромастер. Вам останется лишь купить тачскрин для сотового или любого другого электронного устройства.
Резистивный сенсорный экран состоит из гибкой пластиковой мембраны, на которую собственно мы и нажимаем пальцем, и стеклянной панели. На внутренние поверхности двух панелей нанесен резистивный материал, по сути, являющийся проводником. Между мембраной и стеклом равномерно расположен микроизолятор. Когда мы нажимаем на одну из областей сенсора, в этом месте замыкаются проводящие слои мембраны и стеклянной панели и происходит электрический контакт. Электронная схема-контроллер сенсора преобразует сигнал от нажатия в конкретные координаты на области дисплея и передает их в схему управления самим электронным устройством. Определение координат, а вернее ее алгоритм, очень сложен и основан на последовательном вычислении сначала вертикальной, а потом горизонтальной координаты контакта.
Резистивные сенсорные экраны достаточно надежны, поскольку нормально функционируют даже при загрязнении активной верхней панели. К тому же они, ввиду своей простоты более дешевы в производстве. Однако у них есть и недостатки. Одним из основных является низкая светопропускная способность сенсора. То есть поскольку сенсор наклеен на дисплей, изображение получается не таким ярким и контрастным.
Емкостный сенсорный экран. В основу его работы заложен тот факт, что любой предмет, имеющий электрическую емкость, в данном случае палец пользователя, проводит переменный электрический ток. Сам сенсор представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным веществом, которое образует проводящий слой. На этот слой при помощи электродов подается переменный ток. Как только палец или стилус касается одной из областей сенсора, в этом месте происходит утечка тока. Его сила зависит от того на сколько близко к краю сенсора произведен контакт. Специальный контроллер измеряет ток утечки и по его значению вычисляет координаты контакта.
Емкостный сенсор также как и резистивный не боится загрязнений, к тому же ему не страшна жидкость. Однако по сравнению с предыдущим он имеет более высокую прозрачность, что делает изображение на дисплее более четким и ярким. Недостаток емкостного сенсора происходит из его конструктивных особенностей. Дело в том, что активная часть сенсора, по сути, находится на самой поверхности, поэтому подвержена износу и повреждениям.
Теперь поговорим о принципах работы менее популярных на сегодняшний день сенсоров.
Матричные сенсоры работают по принципу резистивных, однако отличаются от первых максимально упрощенной конструкцией. На мембрану наносятся вертикальные проводящие полосы, на стекло – горизонтальные. Или наоборот. При давлении на определенную область, замыкаются две проводящие полосы и контроллеру достаточно легко вычислить координаты контакта.
Недостаток такой технологии виден невооруженным глазом – очень низкая точность, а следовательно и невозможность обеспечить высокую дискретность сенсора. Из-за этого некоторые элементы изображения могут не совпадать с расположением полос проводника, а следовательно нажатие на эту область может либо вызвать неправильное исполнение нужной функции либо вообще не сработать. Единственным достоинством этого типа сенсоров является их дешевизна, которая собственно говоря, и выплывает из простоты. Кроме этого матричные сенсоры не прихотливы в использовании.
Проекционно-емкостные сенсорные экраны являются как бы разновидностью емкостных, однако работают немного по-другому. На внутреннюю сторону экрана наносится сетка электродов. При касании пальцем между соответствующим электродом и телом человека возникает электрическая система – эквивалент конденсатора. Контроллер сенсора подает импульс микротока и измеряет емкость образовавшегося конденсатора. В результате того что в момент касания одновременно задействованы несколько электродов, контроллеру достаточно просто вычислить точное место касания (по самой большой емкости).
Основные достоинства проекционно-емкостных сенсоров – это большая прозрачность всего дисплея (до 90 %), чрезвычайно широкий диапазон рабочих температур и долговечность. При использовании такого типа сенсора несущее стекло может достигать толщины 18 мм, что дает возможность делать ударопрочные дисплеи. К тому же сенсор устойчив к непроводящему загрязнению.
Сенсоры на поверхностно-акустических волнах – волнах, распространяющихся на поверхности твердого тела. Сенсор представляет собой стеклянную панель, по углам которой расположены пьезоэлектрические преобразователи. Суть работы такого сенсора в следующем. Пьезоэлектрические датчики генерируют и принимают акустические волны, которые распространяются между датчиками по поверхности дисплея. Если касания нет – электрический сигнал преобразуется в волны, а потом обратно в электрический сигнал. Если произошло касание часть энергии акустической волны поглотится пальцем, а следовательно не дойдет до датчика. Контроллер проанализирует полученный сигнал и посредством алгоритма вычислит место касания.
Достоинства таких сенсоров в том, что используя специальный алгоритм можно определять не только координаты касания, но и силу нажатия – дополнительная информационная составляющая. К тому же конечное устройство отображения (дисплей) имеет очень высокую прозрачность, поскольку на пути света нет полупрозрачных проводящих электродов. Однако сенсоры имеют и ряд недостатков. Во-первых, это очень сложная конструкция, а во-вторых – точности определения координат очень сильно мешают вибрации.
Инфракрасные сенсорные экраны. Принцип их работы основан на использовании координатной сетки из инфракрасных лучей (излучатели и приемники света). Примерно тоже, что и в банковских хранилищах из художественных фильмов про шпионов и грабителей. При касании в определенной точке сенсора прерывается часть лучей, а контроллер по данным от оптических приемников определяет координаты контакта.
Основной недостаток таких сенсоров – очень критичное отношение к чистоте поверхности. Любое загрязнение может привести к полной его неработоспособности. Хотя из-за простоты конструкции этот тип сенсора используется в военных целях, и даже в некоторых мобильных телефонах.
Оптические сенсорные экраны являются логическим продолжением предыдущих. Инфракрасный свет используется в качестве информационной подсветки. Если на поверхности нет сторонних предметов – свет отражается и попадает в фотоприемник. Если произошло касание – часть лучей поглощается, а контроллер определяет координаты контакта.
Недостатком технологии является сложность конструкции в виду необходимости использования дополнительного светочувствительного слоя дисплея. К достоинствам можно отнести возможность достаточно точного определения материала, с помощью которого произведено касание.
Тензометрические и сенсорные экраны DST работают по принципу деформацииповерхностного слоя. Их точность достаточно низкая, но они прекрасно выдерживают механические воздействия, поэтому применяются в банкоматах, билетных автоматах и прочих публичных электронных устройствах.
Индукционные экраны основаны на принципе формирования электромагнитного поля под верхней частью сенсора. При касании специальным пером, меняется характеристика поля, а контроллер в свою очередь вычисляет точные координаты контакта. Применяются в художественных планшетных ПК самого высокого класса, поскольку обеспечивают большую точность определения координат.
Уже практически весь мир высоких технологий захватила мода на сенсорные дисплеи. Сейчас практически на каждом плеере или сотовом телефоне имеется тачскрин, а общая сфера применения такой технологии производства дисплеев является намного более значительной. Сейчас на рынке представлены разные виды сенсорных экранов, работа которых зависит от того, какая технология ими используется.
Является прибором, ориентированным на ввод и вывод информации посредством дисплея, чувствительного к нажатиям. На экранах современных устройств не только демонстрируются изображения, но и появляются возможности вступать во взаимодействие с ним. Изначально подобная связь обеспечивалась посредством привычных для всех кнопок, потом появился иной вид манипулятора, названный мышью, сильно облегчивший процесс. Для работы этого прибора требуется горизонтальная поверхность, что совсем неудобно при использовании мобильного телефона. Тут и пригодилось дополнение к обычному экрану в виде тачскрина. Сенсорный элемент по своей сути не является экраном, он представляет собой дополнительное устройство, которое размещается снаружи поверх дисплея, при этом оно защищает и предназначается для ввода координат посредством прикосновения к нему устройства ввода или пальца. Существуют различные типы сенсорных экранов. Стоит рассмотреть их немного подробнее.
Типы сенсорных экранов и их использование в электронных устройствах
Первоначально технология тачскрина была использована для карманных компьютеров, однако на данный момент она получила заметно более широкое применение, от плееров до фотоаппаратов. Так как подобный механизм управления является очень удобным, он применяется для современных банкоматов, планшетных терминалов, различных электронных справочников и прочих устройств. Технология сенсорного экрана весьма удобна в тех случаях, когда необходим мгновенный доступ к управляемому устройству без какой-то подготовки и с максимальной интерактивностью: происходит смена элементов управления в зависимости от того, какая функция активируется.
Типы сенсорных экранов: емкостные, резистивные, проекционно-емкостные и прочие (менее популярные). Помимо этих видов существуют еще и инфракрасные и матричные дисплеи, однако их точность настолько невысока, что их сфера применения совсем ограничена.
Резистивные сенсорные экраны
Наиболее простыми устройствами являются именно эти дисплеи. Подобная панель включает в себя проводящую подложку и пластиковую мембрану, которые обладают определенным сопротивлением. Когда осуществляется нажатие на мембрану, производится замыкание с подложкой, что вынуждает проводящую электронику реагировать на сопротивление, которое возникло между краями этих элементов, вычисляя после этого координаты точки, на которую было произведено нажатие. Такие экраны весьма просто устроены, они дешевы, а также обладают отличной устойчивостью к загрязнениям. Основное достоинство такого типа сенсора состоит в том, что он чувствителен ко всяким прикосновениям. Недостаток заключается в высокой чувствительности к механическим повреждениям, что требует использования специальной Такие панели отлично работают при низких температурах.
Совсем по-иному работает технология емкостного сенсора. Тут за основу взят принцип того, что предмет большой емкости может проводить электрический ток. На стекло наносится электропроводный слой, а на все четыре угла подается переменное напряжение. При касании экрана заземленным предметом большей мощности происходит утечка тока. Управляющая электроника регистрирует эти утечки, определяя координаты.
В данной статье были кратко и понятно описаны основные типы сенсорных экранов, получивших наибольшую популярность.
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.
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.
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.