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.
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».
Планшеты, очень многие смартфоны, а также мониторы, дисплеи на бытовой технике оснащены сенсорными экранами. Эта технология радует, во-первых, своим привлекательным дизайном, во-вторых, своей функциональностью и простотой. К тому же, теперь нет необходимости расходовать пространство на размещение кнопок, что тоже очень удобно. О разновидностях экранов, их строении, принципах работы, плюсах и минусах читайте в нашей статье.
Самые популярные виды сенсоров
Резистивные сенсоры
Резистивный сенсор состоит из пластиковой мембраны (идет первой) и панели, изготовленной из стекла (идет вторым слоем). Между этими слоями прокладывается микроизолятор, призванный обезопасить друг от друга токопроводящие поверхности. На поверхностях слоев располагаются электроды (в первом слое они идут горизонтально, во втором - вертикально). Нажимая на экран, вы провоцируете замыкание слоев, специальный датчик считывает ваше нажатие и преобразовывает его в сигнал, который передается в процессор. В итоге экран реагирует на поставленную вашим касанием задачу - например, запускает видео, открывает документ и проч.
Данная технология считается достаточно простой, а потому на изготовление резистивных экранов тратится не слишком много средств. В итоге продукция с ними часто оказывается в бюджетном ценовом сегменте, что является главным достоинством техники с резистивными экранами. Техника с резистивными дисплеями представлена в большом количестве и ассортименте. В числе минусов этого типа сенсоров - отсутствие поддержки мультижестов, плохая видимость на солнце/при ярком свете, низкая износостойкость, невысокая точность.
Емкостные сенсоры
Данная технология является более совершенной - она поддерживает мультитач, отличается приличной видимостью при ярком свете и лучшей износостойкостью, более высоким уровнем точности. В числе недостатков - более значительная цена устройств с емкостными экранами, негативная реакция на воздействие жидкостей.
Как работает сенсорный экран данного типа? Ключевую роль здесь выполняют электроды, располагающиеся в углах дисплея и передающие друг другу переменные потоки электричества. В итоге образуется своеобразная сетка тока. Нажимая на экран, человек смещает направление тока, что позволяет системе определить место нажатия и соответственно вычислить и выполнить требующуюся команду. Тело человека в этом случае вместе с самим экраном выступают проводниками тока. Дисплей состоит из стекла, покрытого резистивным материалом, обеспечивающим эффективный электрический контакт.
Инфракрасные сенсоры
Рамка экрана (выполнен из стекла) включает приемники и излучатели инфракрасных лучей. Работая, они образуют на поверхности дисплея инфракрасную сетку. Нажав на экран, мы перекроем доступ определенным лучам - система вычислит это место и считает соответствующую задачу, которую ей нужно будет выполнить.
В числе недостатков - не очень высокая точность (особенно при ярком свете), «боязнь» загрязнений и высокая стоимость изделий с инфракрасными дисплеями. В числе плюсов - хорошая видимость на солнце, долговечность.
Менее популярные виды сенсоров
Матричные сенсоры
Матричная система подобна тому, как работает сенсор в резистивных моделях дисплеев. Только на мембрану наносятся вертикальные проводники тока, а на стекло - горизонтальные. Нажатие вызывает замыкание, которое система вычисляет и далее преобразует в выполнение той или иной задачи.
Матричные экраны сегодня редко где используются, поскольку они считаются очень неточными, а потому непродуктивными.
Экраны на поверхностно-акустических волнах
В разные углы стеклянной панели встраиваются пьезоэлектрические преобразователи. По периметру же дисплея находятся датчики, принимающие и отражающие сигналы. Специальный контроллер обеспечивает высокую частотность формирования сигналов. Нажатие на дисплей провоцирует выполнение какой-либо задачи.
Часто при неосторожном обращении с сенсорными телефонами или планшетами, на передней панели аппарата появляются трещины или так званые "паутины", после нежелаемого контакта с асфальтом или же другими твердыми предметами.Здесь мы постараемся разъяснить что делать, и как понять что разбилось.
1. Появились трещины на передней части. Можно ли ее заменить?
Часто мы заблуждаемся, думая, что передняя часть девайса и сенсор - это две разные детали. Это не так. Передней частью в сенсорных телефонах является само сенсорное стекло (тачскрин). Есть случаи, когда после падения тачскрин продолжал работать, хоть и имел видимые повреждения. Но, как правило, со временем проявляются самопроизвольные нажатия, не правильная реакция на касания или полная не работоспособность. Если у Вас разбилась передняя часть (ещё называют - защитное стекло, не путать с защитным стеклом которое клеют вместо пленки), то Вам придется менять тачскрин (сенсор), .
2. Разбит сенсор, но дисплей работает. Можно будет только сенсор поменять?
Существуют модели, имеющие модуль, где тачскрин "склеен" с дисплеем. Это зависит от модели Вашего аппарата.
3. А там меняют сенсор на модуле!
Бывают случаи, когда человек, придя в Мастерскую и услышав стоимость замены модуля, возмущается, что в какой-то Мастерской меняют всё отдельно. Замена тачскрина отдельно от дисплея, когда к Вас установлен модуль, вполне возможна и практикуется, но 100% гарантии на то что процедура снятия Вашего старого, разбитого, сенсорного стекла пройдет успешно ни один мастер не даст, часто в процессе "отклеивания" повреждается, лопает дисплей и замены модуля целиком не избежать. Да и конечная стоимость ремонта по замене сенсоного стекла в модуле существенно не отличается чем замена модуля целиком.
Коротко о главном:
1. Разбив переднюю панель на сенсорном телефоне, Вы разбили именно сам сенсор (тачскрин). Поэтому и меняется именно он или дисплейный модуль целиком (зависит от модели устройства).
2. Если после падения и появления на сенсоре трещин, он продолжает работать - помните, что это временно. Малейшые дальнейшие повреждения могут вывести его из строя. Так что, желательно заменить его в ближайшее время, пока телефон работоспособный. Или хотя бы извлеките из такого аппарата всю важную Вам информацию (фото, видео, контакты), если ремонт в дальнейшем не планируется.
3. В моделях, в которых возникли проблемы с модулем (сенсор вместе с дисплеем), лучше сразу произвести замену именно модуля.
4. Сэкономив на качестве деталей один раз, Вы рискуете в скором времени заплатить ещё раз, при чём сумму побольше.
В настоящее время уже никого не удивишь сенсорным экраном. Более того, уже странно видеть устройства без сенсора, особенно, когда речь идет о мобильных гаджетах. Это обусловлено стремлением увеличить площадь рабочей поверхности. Но часто ли мы задумываемся о том, какой тип дисплея используется в том или ином устройстве? Случалось ли такое, что, купив новый планшет или смартфон, мы пытаемся управлять им с помощью привычно цифрового пера, но вот незадача, устройство попросту не реагирует на его прикосновение. Видимо, экран выполнен по другой технологии, емкостной, которая постепенно начинает вытеснять своего предшественника, дисплей резистивного типа.
Можно встретить большое количество сенсорных дисплеев, отличающихся не только конструктивными особенностями, но и принципом работы. На сегодняшний день существуют следующие типы сенсорных экранов: резистивный, емкостной, проекционно-емкостной, матричный, сенсорный экран на поверхностно-акустических волнах, инфракрасный, тензометрический, индуктивный.
В настоящий момент в электронной технике используются два основных типа сенсорных экранов: резистивный и емкостной. О них мы и поговорим подробней, а также попытаемся выделить сильные и слабые стороны каждого.
Вначале рассмотрим принцип работы резистивного сенсорного экрана. Он состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны, на которые нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые в свою очередь надежно изолируют проводящие поверхности, равномерно распределившись по активной области экрана. При нажатии на дисплей, панель и мембрана замыкаются, а контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления, преобразовывая его в координаты касания. Именно по этой причине на такой экран можно нажимать любым твердым предметом, это может быть, как ноготь, так и специальный стилус, и даже обычный карандаш. Как следствие такого строения, резистивные экраны постепенно изнашиваются, из-за чего и возникает необходимость в периодической калибровке экрана, чтобы при нажатии на дисплей происходила правильная обработка координат точки касания.
Бывают четырех-, восьми-, пяти-, шести- или семиэлектродные экраны. Самыми простыми в изготовлении, следовательно, и самыми дешевыми, являются четырехэлектродные. Они выдерживают всего 3 миллиона нажатий в одну точку. Пятипроводные уже будут значительно надежнее - до 35 миллионов нажатий, в них четыре электрода расположены на панели, а пятый находится на мембране, которая покрыта токопроводящим составом. Стоит отметить, что пятипроводные и последующие версии шести- и семипроводные экраны продолжают работать даже при повреждении части мембраны.
Преимущества
К достоинствам резистивного экрана можно отнести невысокую стоимость его производства, а, следовательно, и устройства, в котором он используется. Кроме этого, стоит отметить, что отзыв сенсора здесь не зависит от состояния поверхности экрана, даже в случае загрязнения, тачскрин остается таким же чувствительным. Следует также выделить точность попадания в нужную точку, т.к. используется густая решетка резистивных элементов.
Недостатки
В качестве недостатков резистивных экранов выделим низкое светопропускание, не более 70% или 85%, поэтому требуется повышенная яркость подсветки. Также это низкая чувствительность, т.е. просто прикасаться пальцем не достаточно, требуется надавливание, так что без цифрового пера или длинных ногтей не обойтись. Данный тип в большинстве случаев не поддерживает мультитач, т. е. экран понимает лишь одно касание. При взаимодействии с экраном нужно прилагать определенные усилия, чтобы передать какую-либо команду, а переусердствовав можно не только поцарапать, но и повредить дисплей. Как уже было сказано выше, для правильного функционирования периодически необходимо производить калибровку экрана.
Емкостной сенсорный экран
Емкостной экран представляет собой стеклянную панель, которая покрыта прозрачным резистивным материалом, в котором, как правило, используется сплав оксида индия и оксида олова. По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение, они следят за течением зарядов в экране, и передают данные в контроллер, определяя, таким образом, координаты точки касания. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом; при касании пальцем на проводящем слое появляется точка, потенциал которой меньше, чем потенциалы электрода, т. к. тело человека обладает способностью проводить электрический ток и имеет некоторую емкость. На экране нет никаких гибких мембран, что обеспечивает высокую надежность и позволяет снизить яркость подсветки. Данный тип экрана способен одновременно определять координаты двух и более точек касания, что и означает поддержку мультитач.
Подвидом емкостных стали проекционно-емкостные экраны. Работают они по схожему принципу. Отличие заключается в том, что базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, благодаря чему сенсор получается более защищенным. В основном дисплеи такого типа используются в современных мобильных устройствах.
Взаимодействие с емкостным экраном должно осуществляться только проводящим предметом, голым пальцем или специальным стилусом, который обладает электрической емкостью. Количество нажатий до выхода сенсорных элементов из строя достигает более 200 млн раз.
Преимущества
Из плюсов емкостных экранов выделим, что даже на ярком солнце видимость остается достаточно хорошей, чего нельзя сказать о резистивном экране, т. к. он отражает много окружающего света. Преимуществом также стала возможность быстрого и точного распознавания касания без использования дополнительных аксессуаров. Несомненным достоинством экранов этого типа является более длительное время службы сенсора, по сравнению с предыдущим типом. Также появился «многопальцевый» интерфейс или мультитач, хотя далеко не во всех устройствах с экраном такого типа он реализован в полной мере.
Недостатки
К негативным сторонам использования емкостного сенсорного экрана можем отнести более высокую стоимость по причине сложности производства. Взаимодействие с дисплеем возможно только при касании с материалом, который является проводником. По этой причине для работы с ним приобретаются специальные емкостные стилусы или перчатки, особенно это становится актуальным в холодную погоду, а это еще одна статья расходов.
Подводя итог, напомним, что резистивные экраны чувствительны к нажатию, а емкостные реагируют на касание. Точность емкостных дисплеев сравнима с точностью резистивных, но емкостной тип отличается более высокой надежностью за счет отсутствия гибкой мембраны, а меньшее количество слоев делает их более прозрачными.
Бытует мнение, что резистивные дисплеи уже отжили свое, а будущее - за емкостными. Действительно, переход от механико-электрического ввода к электрическому уже много значит, т. к. возросла точность определения координат, и появился мультитач.
Тем не менее, сегодня на рынке электронной техники еще остается большое количество устройств с резистивными экранами, но они потихоньку начинают вытесняться гаджетами с емкостными сенсорами. Наблюдая эту тенденцию, можно предположить, что первые в скором времени и вовсе исчезнут.
