Как работают сенсорные экраны

iPhone 2G был первым мобильным телефоном, управление которым полностью строилось на взаимодействии с сенсорным экраном. С момента его презентации прошло больше десяти лет, но многие из нас все еще не знают, как устроен Touchscreen. А ведь мы сталкиваемся с этим интуитивным средством ввода не только в смартфонах, но и в банкоматах, платежных терминалах, компьютерах, автомобилях и самолетах — буквально повсюду.

До тачскринов самым распространенным интерфейсом для ввода команд в электронные устройства были различные клавиатуры. Хотя, кажется, что у них с тачскринами нет ничего общего, на самом деле то, насколько сенсорный экран по принципам работы схож с клавиатурой, может удивить. Давайте рассмотрим их устройство в деталях.

Клавиатура представляет собой печатную плату, на которой устанавливается несколько рядов переключателей-кнопок. Вне зависимости от их конструкции, мембранной или механической, при нажатии каждой из клавиш происходит одно и то же. На компьютерной плате под кнопкой замыкается электрическая цепь, компьютер регистрирует прохождение тока в этом месте схемы, «понимает», какая клавиша нажата и выполняет соответствующую ей команду. В случае с сенсорным экраном происходит почти тоже самое.

Существует порядка десятка различных видов сенсорных экранов, однако большинство из этих моделей или давно устарело и не используется, или относится к экспериментальным и вряд ли когда-нибудь появится в серийных устройствах. Прежде всего, я расскажу об устройстве актуальных технологий, тех из них, с которыми постоянно взаимодействуете или хотя бы можете столкнуться в повседневной жизни.

Резистивный сенсорный экран

Резистивные сенсорные экраны изобретены еще в 1970 году и с тех пор изменились мало.

В дисплеях с такими сенсорами над матрицей располагается пара дополнительных слоев. Впрочем, оговорюсь, матрица здесь вовсе не обязательна. Первые резистивные сенсорные устройства не были экранами вовсе.

Нижний сенсорный слой состоит из стеклянной основы и называется резистивным слоем. На него наносится прозрачное металлическое покрытие, хорошо передающее ток, например, из такого полупроводника, как оксид индия-олова. Верхний слой тачскрина, с которым взаимодействует пользователь нажимая на экран, сделан из гибкой и упругой мембраны. Он называется проводящим слоем. В пространстве между слоями оставляют воздушную прослойку, либо равномерно усеивают его микроскопическими изолирующими частицами. По краям к сенсорному слою подводится четыре, пять или восемь электродов, связывающих его с датчиками и микроконтроллером. Чем больше электродов, тем выше чувствительность резистивного такчскрина, поскольку изменение напряжения на них постоянно отслеживается.

Вот экран с резистивным тачскрином включен. Пока ничего не происходит. Электрический ток свободно течет по проводящему слою, но когда пользователь дотрагивается до экрана, мембрана сверху прогибается, изолирующие частицы расступаются, и она касается нижнего слоя тачскрина, вступает в контакт. За этим следует изменение напряжения разом на всех электродах экрана.

Контроллер тачскрина обнаруживает изменения напряжения и считывает показания с электродов. Четыре, пять, восемь значений и все разные. По разнице в показаниях между правым и левым электродами микроконтроллер вычислит X-координату нажатия, а по различиям в напряжении на верхнем и нижнем электродах, определит Y-координату и, таким образом, сообщит компьютеру точку, в которой слои сенсорного слоя экрана соприкоснулись.

Резистивные сенсорные экраны могут похвастать длинным перечнем недостатков. Так, они в принципе не способны распознать двух одновременных нажатий, не говоря уже о большем числе. Они плохо ведут себя на холоде. Из-за необходимости в прослойке между слоями сенсора, матрицы таких экранов заметно теряют в яркости и контрастности, склонны бликовать на солнце, и в целом выглядят заметно хуже. Тем не менее, там, где качество изображения играет второстепенную роль, их продолжают применять в силу устойчивости к загрязнениям, возможности использования в перчатках и, что самое главное, низкой стоимости.

Такие средства ввода повсеместно монтируются в недорогих массовых устройствах, вроде информационных терминалов в общественных местах и все еще встречаются в устаревающих гаджетах, типа дешевых MP3-плееров.

Инфракрасный сенсорный экран

Следующим, куда менее распространенным, но, тем не менее, актуальным вариантом сенсорного экрана является инфракрасный тачскрин. Он не имеет ничего общего с резистивным сенсором, хотя и выполняет схожие функции.

Инфракрасный тачскрин сконструирован из массивов светодиодов и светочувствительных фотоэлементов, расположенных на противоположных сторонах экрана. Светодиоды подсвечивают поверхность экрана невидимым инфракрасным светом, образуя на ней нечто вроде паутины или координатной сетки. Это напоминает охранную сигнализацию, какой ее показывают в шпионских боевиках или компьютерных играх.

Когда к экрану что-то прикасается, не важно палец это, рука в перчатке, стилус, или карандаш, два или более луча прерываются. Фотоэлементы фиксируют это событие, контроллер тачскрина выясняет, какие из них недополучают инфракрасный свет и по их положению вычисляет зону экрана, в которой возникло препятствие. Остальное — сопоставить прикосновение с тем, какой элемент интерфейса находится на экране в этом месте — задача программного обеспечения.

Сегодня с инфракрасными сенсорными экранами можно столкнуться в тех гаджетах, чьи экраны обладают нестандартной конструкцией, там, где добавлять дополнительные сенсорные слои технически сложно или нецелесообразно — в электронных книгах на базе дисплеев E-link, например, Amazon Kindle Touch и Sony Ebook. Кроме того, устройства с подобными сенсорами из-за простоты и ремонтопригодности приглянулись военным.

Емкостный сенсорный экран

Если в резестивных сенсорных экранах компьютер регистрирует изменение проводимости, последовавшее за нажатием на экран, непосредственно между слоями сенсора, то емкостные сенсоры фиксируют прикосновение непосредственно.

Человеческое тело, кожа — хорошие проводники электричества и обладают электрическим зарядом. Обычно это замечаешь пройдясь по шерстяному ковру или сняв любимый свитер, а затем прикоснувшись к чему-либо металлическому. Все мы знакомы со статическим электричеством, испытывали его действие на себе и видели крошечные искры, срывающиеся с наших пальцев в темноте. Более слабый, незаметный обмен электронами между человеческим телом и различными проводящими поверхностями происходит постоянно и именно его фиксируют емкостные экраны.

Первые такие тачскрины назывались поверхностно-емкостными и были логичным развитием резистивных сенсоров. В них всего один проводящий слой, похожий на тот, что использовался ранее, устанавливался прямо поверх экрана. К нему также присоединялись чувствительные электроды, на этот раз по углам сенсорной панели. Следящие за напряжением на электродах датчики и их программное обеспечение были сделаны заметно чувствительнее и теперь могли улавливать малейшие изменения в течении электрического тока по экрану. Когда палец (другой проводящий ток предмет, например, стилус) касается поверхности с поверхностно-емкостным тачскрином, проводящий слой немедленно начинает обмениваться с ним электронами, а микроконтроллер это замечает.

Появление поверхностно-емкостных тачскринов стало прорывом, однако из-за того, что нанесенный прямо поверх стекла токопроводящий слой было легко повредить, они не были пригодны для устройств нового поколения.

Для создания первого iPhone потребовались проекционно-емкостные сенсоры. Этот тип тачскринов быстро стал наиболее распространенным в современной потребительской электронике: смартфонах, планшетах, ноутбуках, моноблоках и прочих бытовых устройствах.

Верхний слой экрана с тачскрином этого типа выполняет защитную функцию и может быть сделан из закаленного стекла, например, знаменитого Gorilla Glass. Ниже располагаются тончайшие электроды, образующие сетку. Поначалу их накладывали друг на друга в два слоя, затем для уменьшения толщины экрана стали располагать на одном уровне.

Выполненные из полупроводниковых материалов, в том числе уже упоминавшегося оксида индия-олова, эти токопроводящие волоски создают электростатическое поле в местах своего пересечения.

Когда палец касается стекла, за счет электропроводных свойств кожи он искажает локальное электрическое поле в местах ближайших пересечений электродов. Это искажение может быть измерено, как изменение емкости в отдельно взятой точке сетки.

Поскольку массив электродов делается достаточно мелким и плотным, такая система способна отслеживать касание очень точно и без проблем улавливает сразу несколько прикосновений. Кроме того, отсутствие дополнительных слоев и прослоек в бутерброде из матрицы, сенсора и защитного стекла положительно сказывается на качестве изображения. Правда, по той же причине, разбитые экраны, как правило, заменяются полностью. Однажды собранный воедино, экран с проекционно-емкостным сенсором чрезвычайно сложно поддается ремонту.

Сейчас преимущества проекционно-емкостных тачскринов не звучат, как что-то удивительное, но на момент презентации iPhone они обеспечили технологии колоссальный успех, несмотря на объективные минусы — чувствительность к загрязнениям и влажности.

Чувствительные к давлению сенсорные экраны — 3D Touch

Идейным предшественником сенсорных экранов, чувствительных к давлению, стала фирменная технология Apple, под названием Force Touch, применявшаяся в умных часах компании, MacBook, MackBook Pro и Magic Trackpad 2.

Опробовав на этих устройствах интерфейсные решения и различные сценарии использования распознавания силы нажатия, Apple начала внедрение похожего решения в свои смартфоны. В iPhone 6s и 6s Plus распознавание и измерение давления стало одной из функций тачскрина и получило коммерческое наименование 3D Touch.

Хотя в Apple и не скрывали, что новая технология лишь модифицирует привычные нам емкостные сенсоры и даже показали схему, в общих чертах объяснявшую принцип ее действия, подробности об устройстве сенсорных экранов с 3D Touch появились только после того, как первые iPhone нового поколения были разобраны энтузиастами.

Для того, чтобы научить емкостной сенсорный экран распознавать нажатия и различать несколько степеней давления, инженерам из Купертино потребовалось пересобрать бутерброд сенсорного экрана. Они внесли изменения в отдельные его части и добавили к емкостному еще один, новый слой. И, что интересно, делая это, они явно вдохновлялись устаревшими резистивными экранами.

Сетка емкостных сенсоров осталась без изменений, однако она была перенесена назад, ближе к матрице. Между набором электрических контактов, следящих за местом прикосновения к дисплею, и защитным стеклом был интегрирован дополнительный массив из 96 отдельных датчиков.

Его задача заключалась не в том, чтобы определить местоположение пальца на экране iPhone. С этим по-прежнему отлично справлялся емкостный тачскрин. Эти пластины необходимы для обнаружения и измерения степени изгиба защитного стекла. Компания Apple специально для iPhone заказала у Gorilla Glass разработку и производство такого защитного покрытия, которое бы сохраняло прежнюю прочность и, в то же время, было достаточно гибким, чтобы экран мог реагировать на давление.

На этой разработке можно было закончить материал, повествующий о сенсорных экранах, если бы не еще одна технология, которой несколько лет назад прочили большое будущее.

Волновые сенсорные экраны

Неожиданно, но они не используют электричество и даже не имеют ничего общего со светом. Технология Surface Acoustic Wave system для определения точки прикосновения применяет поверхностные акустические волны, распространяющиеся вдоль поверхности экрана. Ультразвук, создаваемый пьезоэлектрическими элементами по углам, слишком высок для того, чтобы его мог уловить человеческий слух. Он распространяется взад и вперед, многократно отражаясь от краев экрана. Звук анализируется на предмет аномалий, создаваемых прикасающимися к экрану предметами.

Недостатков у волновых сенсорных экранов не много. Они начинают ошибаться после сильного загрязнения стекла и в условиях сильного шума, но, при этом, в экранах с таким сенсором нет дополнительных слоев, увеличивающих толщину и влияющих на качество изображения. Все компоненты сенсора прячутся под рамкой дисплея. Кроме того, волновые сенсоры позволяют точно подсчитывать площадь соприкосновения экрана с пальцем или другим предметом и по этой площади косвенно рассчитать силу нажатия на экран.

Мы уже вряд ли столкнемся с этой технологией в смартфонах из-за нынешней моды на безрамочные дисплеи, но несколько лет назад компания Samsung экспериментировала с Surface Acoustic Wave system в моноблоках, а в качестве комплектующих для игровых автоматов и рекламных терминалов панели с акустическими тачскринами продаются и сейчас

Вместо заключения

За очень краткий срок тачскрины завоевали мир электроники. Несмотря на отсутствие тактильного отклика и другие свои недостатки, сенсорные экраны стали очень интуитивным, понятным и удобным методом ввода информации в компьютеры. Не в последнюю очередь, своим успехом они обязаны разнообразием технических реализаций. Каждая со своими преимуществами и недостатками, подходящая для своего класса устройств. Резистивные экраны для самых дешевых и массовых гаджетов, емкостные экраны для смартфонов и планшетов и настольных компьютеров с которыми мы взаимодействуем каждый день и инфракрасные тачскрины для тех случаев, когда конструкцию экрана следует оставить в неприкосновенности. В заключение, остается лишь констатировать, что сенсорные экраны с нами надолго, замены им в ближайшем будущем не предвидится.