Сенсорный экран: история изобретения и принципы работы. Что лучше: резистивный или емкостной экран? Типы сенсорного экрана

Устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему. Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах. Но мы рассмотрим лишь те которые встречаются в мобильных телефонах и другой переносной технике.

Принцип работы резистивных сенсорных экранов

Резистивные сенсорные экраны бывают двух видов, четырехпроводные и пятипроводные. Рассмотрим принцип работы каждого из типов в отдельности.

Четырёхпроводной резистривный экран

Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

1. На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.
2. Аналогично на левый и правый электрод подаётся +5В и «земля», с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Пятипроводной резистивный экран

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Изначально все четыре электрода заземлены, а мембрана «подтянута» резистором к +5В. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем . Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно 5 В.

Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

1. На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.
2. Y-координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к «земле» обоих нижних.

Принцип работы емкостных сенсорных экранов

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.

Принцип действия ёмкостного сенсорного экрана

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова ). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток - это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят не проводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, установленных в охраняемом помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Принцип работы проекционно-емкостных сенсорных экранов

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор ; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Принцип действия проекционно-ёмкостного сенсорного экрана

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Многие модели реагируют на руку в перчатке. В современных моделях конструкторы добились очень высокой точности - правда, вандалоустойчивые исполнения менее точны.

ПЁЭ реагируют даже на приближение руки - порог срабатывания устанавливается программно. Отличают нажатие рукой от нажатия проводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач . Поэтому такая технология применяется в тачпадах и мультитач-экранах.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран iPhone является проекционно-ёмкостным.

Заключение

Каждый из видов сенсорных экранов имеет свои преимущества и недостатки, для наглядности рассмотрим таблицу.

Статья написана по материалам сайта

Сенсорный экран - это устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Основные сравнительные характеристики сенсорных экранов.

Первым наиболее очевидным преимуществом сенсорных технологий является интуитивность и естественность самого действия - прикосновения рукой к экрану.

Второе несомненное преимущество устройств на основе сенсорных экранов, компактность. Установка сенсорных мониторов качественно повысить эффективность обслуживания в кинотеатрах, ресторанах, гостиницах, аэропортах, административных заведениях, где каждый сантиметр рабочего места представляет ценность. Сенсорный монитор (особенно если это жидкокристаллический монитор) позволяет экономить максимум места на рабочей поверхности.

Скорость работы может быть не только вопросом престижа, но и жизненно важным вопросом, в самом прямом смысле этого слова. Представьте, что может означать выигранная секунда, когда требуется максимально быстрая реакция, например, диспетчера охранного центра. Таким образом, быстрый доступ - это третье преимущество сенсорных экранов.

Четвертым преимуществом сенсоров является снижение затрат. Установка сенсорного монитора может существенно повысить скорость и точность действий сотрудника, работающего за компьютером, снизить время, необходимое на обучение сотрудника.

Сенсорный экран - виды:

Резистивный сенсорный экран.

В этой конструкции экран представляет собой стеклянную либо акриловую пластину, покрытую двумя токопроводящими слоями. Слои разделены незаметными глазу прокладками, которые предохраняют сеть вертикальных и горизонтальных проводников от соприкосновения. В момент нажатия слои контактируют и контроллер регистрирует электрический сигнал. Координаты нажатия определяются, исходя из того, на пересечении каких проводников было зарегистрировано воздействие.

Применение

• Коммуникаторы
• Сотовые телефоны
• POS-терминалы
• Tablet PC
• Промышленность (устройства управления)
• Медицинское оборудование

Емкостный (электростатический) сенсорный экран.

В работе емкостного экрана человек участвует не только механическим, но и электрическим образом. До прикосновения экран обладает некоторым электрическим зарядом. Прикосновение пальца меняет картину заряженности, «оттягивая» часть заряда к точке нажатия. Датчики экрана, расположенные по всем четырем углам, следят за течением заряда в экране, определяя, таким образом, координаты «утечки» электронов.

Емкостные экраны также отличаются высокой надежностью (в них отсутствуют гибкие мембраны) и высокой степенью прозрачности. Правда они не годятся для работы стилусом или перчаткой - нажимать на экран необходимо «голым пальцем». Зато впечатляет надежность емкостного экрана - до миллиарда нажатий в одно и то же место.

Применение

• В охраняемых помещениях
• Информационные киоски
• Некоторые банкоматы

Акустический сенсорный экран.

Такие экраны построены с использованием миниатюрных пьезоэлектрических излучателей звука, не слышимого человеком. Стекло такого экрана постоянно незаметно вибрирует под воздействием излучателей, установленных в трех углах экрана. Специальные отражатели особым образом распространяют акустическую волну по всей поверхности экрана. Прикосновение к экрану меняет картину распространения акустических колебаний, что и регистрируется датчиками. По изменению характера колебаний можно вычислить координаты возмущений, внесенных нажатием на экран. Кроме этого, анализируя степень изменения колебаний, можно вычислить силу нажатия на экран. Это полезно при проектировании систем управления промышленным оборудованием, например, для плавного изменения скорости вращения двигателей и других параметров. Среди плюсов акустических экранов - отсутствие покрытий, что повышает надежность и прозрачность экрана.

Данные акустические сенсорные экраны применяются в основном в игровых автоматах, в охраняемых справочных системах и образовательных учреждениях. Как правило экраны различают на обычные - толщиной 3 мм, и вандалстойкие - 6 мм. Последние выдерживают удар кулаком среднего мужчины или падение металлического шара весом 0.5 кг с высоты 1.3.

Главным недостатком экрана являются сбои в работе при наличии вибрации или при воздействии акустическими шумами, а также при загрязнении экрана. Любой посторонний предмет, размещённый на экране (например, жевательная резинка), полностью блокирует его работу. Кроме того, данная технология требует касания предметом, который обязательно поглощает акустические волны.

Инфракрасный сенсорный экран.

Инфракрасные сенсорные экраны представляют собой рамку вокруг монитора, в которой установлены излучатели и приёмники инфракрасного излучения. Минусы этой конструкции - низкое разрешение датчиков и возможность ложного срабатывания в результате посторонней засветки. Зато при больших диагоналях экранов эта технология пока незаменима. К тому же, все вышеперечисленные разновидности сенсорных дисплеев подвержены так называемому «дрейфу активной точки».

Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных. Данный тип экрана применяется и в мобильных телефонах.

Мультитач ,

не является типом сенсорного экрана. По своей сути, технология множественного нажатия – что является вольным переводом словосочетания multi-touch – это дополнение к сенсорному экрану (чаще всего построенному по проекционно-ёмкостному принципу), позволяющее экрану распознавать несколько точек прикосновения к нему. В результате мультитач-экран становится способным к распознаванию жестов.

Сенсорный экран - виды.

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.

Резистивный экран.

Самый простой вид – это четырехпроводной, который состоит из специальной стеклянной панели, а также пластиковой мембраны. Пространство между стеклом и пластиковой мембраной обязательно должно заполняться микроизоляторами, которые могут надежно изолировать токопроводящие поверхности друг от друга. По всей поверхности слоев установлены электроды, являющиеся тонкими пластинками, сделанными из металла. В заднем слое электроды находятся в вертикальном положении, а в переднем слое – в горизонтальном для того, чтобы могло производиться вычисление координат. Если на дисплей нажать, то панель и мембрана автоматически замкнутся, а специальный датчик будет воспринимать нажатие, преобразовывая его в сигнал. Наиболее усовершенствованным видом считаются восьмипроводные дисплеи, которые отличаются высоким уровнем точности. Однако данные экраны отличаются низким уровнем надежности и недолговечностью. Если же важно, чтобы дисплей был надежным, необходимо остановить выбор на пятипроводном его виде.

1 - стеклянная панель, 2 - резистивное покрытие, 3 - микроизоляторы, 4 - пленка с проводящим покрытием

Матричные экраны.

Конструкция похожа на резистивный дисплей, хотя она и была упрощена. На мембрану специально нанесли вертикальные проводники, а на стекло – горизонтальные. Если нажать на дисплей, то проводники обязательно соприкоснутся, замкнутся крест-накрест. Процессор может отследить, какие проводники замкнулись, и это помогает обнаружить координаты нажатия. Матричные экраны нельзя назвать высокоточными, поэтому их уже продолжительное время не используют.

Емкостные экраны.

Конструкция емкостных экранов является достаточно сложной, и основана она на том, что тело человека и дисплей вместе образуют конденсатор, проводящий переменный ток. Подобные экраны выполняются в виде стеклянной панели, которую покрывают резистивным материалом для того, чтобы электрический контакт не затруднялся. Электроды располагаются по четырем углам дисплея, и на них подано переменное напряжение. Если же коснуться поверхности дисплея, то будет происходить утечка переменного тока через вышеупомянутый \"конденсатор\". Это регистрируется датчиками, после чего информацию обрабатывает микропроцессор устройства. Емкостные дисплеи могут выдержать до 200 миллионов нажатий, они отличаются средним уровнем точности, но, увы, они боятся любого влияния жидкостей.

Проекционно-емкостные экраны.

Проекционно-емкостные экраны могут, в отличие от предыдущих рассмотренных типов, способны определить сразу несколько нажатий. На внутренней стороне всегда есть специальная сетка элетродов, и во время соприкосновения с ними обязательно будет образован конденсатор. В данном месте будет изменена электрическая емкость. Контроллер сможет определить точку, в которой пересеклись электроды. Затем происходят вычисления. Если сразу нажать экран в нескольких местах, то будет образован не один конденсатор, а несколько.

Экран с сеткой инфракрасных лучей.

Принцип работы подобных дисплеев является простым, и он в какой-то степени похож на матричный. В этом случае проводники заменяют специальными инфракрасными лучами. Вокруг данного экрана проходит рамка, в которой есть встроенные излучатели, а также приемники. Если нажать на экран, то некоторые лучи будут перекрываться, и они не могут достигнуть собственного пункта назначения, а именно приемника. В итоге контроллер вычисляет место контакта. Подобные экраны могут пропускать свет, они долговечны, поскольку чувствительного покрытия нет и механического касания не происходит вообще. Однако такие дисплеи в настоящий момент не отвечают высокой точности и боятся любых загрязнения. Зато время диагональ рамки такого дисплея может достигать 150 дюймов.

Сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах.

Данный дисплей всегда выполняется в виде стеклянной панели, в которую встроены пьезоэлектрические преобразователи, расположенные по разным углам. По периметру также находятся отражающие, приемные датчики. Контроллер отвечает за формирование сигналов, частота которых является высокой. После этого сигналы всегда посылаются на пьезоэлектрические преобразователя, которые могут преобразовывать поступившие сигналы в акустические колебания, отражающиеся впоследствии от отражающих датчиков. Затем волны могут улавливаться приемниками, повторно посылаться на пьезоэлектрические преобразователи, после чего превращаются в электрический сигнал. Если нажать на дисплей, то энергия акустических волн будет частично поглощена. Приемники отличаются восприимчивостью к подобным изменениям, а процессор может вычислить точки касания. Основным преимуществом является то, что сенсорные экраны на поверхностно-акустических волнах отслеживают координаты точки нажатия, силу нажатия. Дисплеи данного вида отличаются долговечностью, ведь они могут выдержать 50 миллионов касаний. Чаще всего их используют для игровых автоматов, справочных системах. Следует учитывать то, что работа такого дисплея может быть неточной в условии окружающих шумов, вибрации, акустического загрязнения.

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

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

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.

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.