ЯК ПРАЦЮЮТЬ СЕНСОРНІ ЕКРАНИ

Розповідаємо про те, як влаштований найпростіший спосіб взаємодії з електронікою – дисплей із сенсорним екраном

iPhone 2G був першим мобільним телефоном, керування яким повністю будувалося на взаємодії із сенсорним екраном. З моменту його презентації минуло більше десяти років, але багато хто з нас все ще не знає, як влаштований Touchscreen. Адже ми стикаємося з цим інтуїтивним засобом введення не лише у смартфонах, а й у банкоматах, платіжних терміналах, комп’ютерах, автомобілях та літаках буквально всюди.

До тачскрин найпоширенішим інтерфейсом для введення команд в електронні пристрої були різні клавіатури. Хоча, здається, що у них із тачскринами немає нічого спільного, насправді те, наскільки сенсорний екран за принципами роботи схожий на клавіатуру, може здивувати. Давайте розглянемо їх пристрій у деталях.

Клавіатура є друкованою платою, на якій встановлюється кілька рядів перемикачів-кнопок. Незалежно від їхньої конструкції, мембранної або механічної, при натисканні кожної з клавіш відбувається те саме. На комп’ютерній платі під кнопкою замикається електричний ланцюг, комп’ютер реєструє проходження струму в цьому місці схеми, «розуміє», яка клавіша натиснута і виконує відповідну команду. У випадку із сенсорним екраном відбувається майже те саме.

Існує близько десятка різних видів сенсорних екранів, проте більшість із цих моделей або давно застаріло і не використовується, або відноситься до експериментальних і навряд чи колись з’явиться в серійних пристроях. Насамперед, я розповім про влаштування актуальних технологій, тих із них, з якими постійно взаємодієте або хоча б можете зіткнутися у повсякденному житті.

Резистивний сенсорний екран

Резистивні сенсорні екрани винайдені ще 1970 року і відтоді мало змінилися.

У дисплеях з такими сенсорами над матрицею розташовується кілька додаткових шарів. Втім, зазначу, матриця тут зовсім не обов’язкова. Перші резистивні сенсорні пристрої були екранами зовсім.

Нижній сенсорний шар складається із скляної основи та називається резистивним шаром. На нього наноситься прозоре металеве покриття, добре передає струм, наприклад, такого напівпровідника, як оксид індія-олова. Верхній шар тачскріна, з яким взаємодіє користувач, натискаючи на екран, зроблений з гнучкої та пружної мембрани. Він називається провідним шаром. У просторі між шарами залишають повітряний прошарок, або рівномірно всіють його мікроскопічними ізолюючими частинками. По краях до сенсорного шару підводиться чотири, п’ять або вісім електродів, що зв’язують його з датчиками та мікроконтролером. Чим більше електродів, тим вище чутливість резистивного такчскріна, оскільки зміна напруги на них постійно відстежується.

Ось екран із резистивним тачскрином включений. Поки що нічого не відбувається. Електричний струм вільно тече по провідному шару, але коли користувач торкається екрана, мембрана зверху прогинається, ізолюючі частинки розступаються, і вона стосується нижнього шару тачскрину, вступає в контакт. За цим слідує зміна напруги разом на всіх електродах екрана.

Контролер тачскріна виявляє зміни напруги та зчитує показання з електродів. Чотири, п’ять, вісім значень та всі різні. За різницею у показаннях між правим і лівим електродами мікроконтролер обчислить X-координату натискання, а за відмінностями у напрузі на верхньому та нижньому електродах, визначить Y-координату і, таким чином, повідомить комп’ютер точку, в якій шари сенсорного шару екрана зіткнулися.

Резистивні сенсорні екрани можуть похвалитися довгим переліком недоліків. Так, вони в принципі не здатні розпізнати двох одночасних натискань, не кажучи вже про більшу кількість. Вони погано поводяться на холоді. Через необхідність у прошарку між шарами сенсора, матриці таких екранів помітно втрачають у яскравості та контрастності, схильні блікувати на сонці, і загалом виглядають помітно гірше. Тим не менш, там, де якість зображення відіграє другорядну роль, їх продовжують застосовувати через стійкість до забруднення, можливості використання в рукавичках і, що найголовніше, низької вартості.

Такі засоби введення повсюдно монтуються в недорогих масових пристроях, на кшталт інформаційних терміналів у громадських місцях і все ще зустрічаються у застарілих гаджетах, на кшталт дешевих MP3-плеєрів.

Інфрачервоний сенсорний екран

Наступним, куди менш поширеним, проте актуальним варіантом сенсорного екрану є інфрачервоний тачскрин. Він не має нічого спільного з резистивним сенсором, хоч і виконує схожі функції.

Інфрачервоний тачскрин сконструйований із масивів світлодіодів та світлочутливих фотоелементів, розташованих на протилежних сторонах екрану. Світлодіоди підсвічують поверхню екрана невидимим інфрачервоним світлом, утворюючи на ній щось на зразок павутиння або координатної сітки. Це нагадує охоронну сигналізацію, яку її показують у шпигунських бойовиках або комп’ютерних іграх.

Коли до екрану щось торкається, не важливо палець це, рука в рукавичці, стілус, або олівець, два або більше промені перериваються. Фотоелементи фіксують цю подію, контролер тачскріна з’ясовує, які з них недоотримують інфрачервоне світло і за їх положенням обчислює зону екрану, в якій виникла перешкода. Решта – порівняти дотик з тим, який елемент інтерфейсу знаходиться на екрані в цьому місці – завдання програмного забезпечення.

Сьогодні з інфрачервоними сенсорними екранами можна зіткнутися в тих гаджетах, чиї екрани мають нестандартну конструкцію, там, де додавати додаткові сенсорні шари технічно складно чи недоцільно — в електронних книгах на базі дисплеїв E-link, наприклад, Amazon Kindle Touch та Sony Ebook. Крім того, пристрої з подібними сенсорами через простоту та ремонтопридатність сподобалися військовим.

Ємнісний сенсорний екран

Якщо в резестивних сенсорних екранах комп’ютер реєструє зміну провідності, що послідувала за натисканням на екран безпосередньо між шарами сенсора, то ємнісні сенсори фіксують дотик безпосередньо.

Людське тіло, шкіра — хороші провідники електрики і мають електричний заряд. Зазвичай це помічаєш пройшовшись по вовняному килиму або знявши улюблений светр, а потім торкнувшись чогось металевого. Всі ми знайомі зі статичною електрикою, відчували її дію на собі і бачили крихітні іскри, що зриваються з наших пальців у темряві. Більш слабкий, непомітний обмін електронами між людським тілом і різними поверхнями відбувається постійно і саме його фіксують ємнісні екрани.

Перші такі тачскрини називалися поверхнево-ємнісними та були логічним розвитком резистивних сенсорів. У них лише один провідний шар, схожий на той, що використовувався раніше, встановлювався прямо поверх екрану. До нього також приєднувалися чутливі електроди, цього разу кутами сенсорної панелі. Датчики, що стежать за напругою на електродах, і їх програмне забезпечення були зроблені помітно чутливішими і тепер могли вловлювати найменші зміни протягом електричного струму по екрану. Коли палець (інший провідний струм предмет, наприклад, стилус) стосується поверхні з поверхнево-ємнісним тачскрином, шар, що проводить, негайно починає обмінюватися з ним електронами, а мікроконтролер це помічає.

Поява поверхнево-ємнісних тачскринів стала проривом, проте через те, що нанесений прямо поверх скла струмопровідний шар було легко пошкодити, вони не були придатними для пристроїв нового покоління.

Для створення першого iPhone були потрібні проекційно-ємнісні сенсори. Цей тип тачскрин швидко став найбільш поширеним в сучасній споживчій електроніці: смартфонах, планшетах, ноутбуках, моноблоках та інших побутових пристроях.

Верхній шар екрану з тачскрином цього типу виконує захисну функцію і може бути зроблений із загартованого скла, наприклад знаменитого Gorilla Glass. Нижче розташовуються найтонші електроди, що утворюють сітку. Спочатку їх накладали один на одного в два шари, потім для зменшення товщини екрану стали розташовувати на одному рівні.

Виконані з напівпровідникових матеріалів, у тому числі оксиду індія-олова, що вже згадувався, ці струмопровідні волоски створюють електростатичне поле в місцях свого перетину.

Коли палець торкається скла, за рахунок електропровідних властивостей шкіри він спотворює локальне електричне поле в місцях найближчих перетинів електродів. Це спотворення може бути виміряне як зміна ємності в окремо взятій точці сітки.

Оскільки масив електродів робиться досить дрібним і щільним, така система здатна відстежувати торкання дуже точно і без проблем вловлює відразу кілька дотиків. Крім того, відсутність додаткових шарів та прошарків у бутерброді з матриці, сенсора та захисного скла позитивно позначається на якості зображення. Щоправда, з тієї ж причини розбиті екрани, як правило, замінюються повністю. Одного разу зібраний докупи, екран з проекційно-ємнісним сенсором надзвичайно складно піддається ремонту.

Наразі переваги проекційно-ємнісних тачскринів не звучать, як щось дивовижне, але на момент презентації iPhone вони забезпечили технології колосальний успіх, незважаючи на об’єктивні мінуси – чутливість до забруднення та вологості.

Чутливі до тиску сенсорні екрани – 3D Touch

Ідейним попередником сенсорних екранів, чутливих до тиску, стала фірмова технологія Apple, під назвою Force Touch, що застосовувалася в розумному годиннику компанії, MacBook, MackBook Pro і Magic Trackpad 2.

Випробувавши на цих пристроях інтерфейсні рішення та різні сценарії використання розпізнавання сили натискання, Apple почала впровадження схожого рішення у свої смартфони. У iPhone 6s і 6s Plus розпізнавання та вимірювання тиску стало однією з функцій тачскріна та отримало комерційне найменування 3D Touch.

Хоча в Apple і не приховували, що нова технологія лише модифікує звичні нам ємнісні сенсори і навіть показали схему, яка загалом пояснювала принцип її дії, подробиці про пристрій сенсорних екранів з 3D Touch з’явилися тільки після того, як перші iPhone нового покоління були розібрані ентузіастами. .

Для того, щоб навчити ємнісний сенсорний екран розпізнавати натискання та розрізняти кілька ступенів тиску, інженерам з Купертіно потрібно було перезбирати бутерброд сенсорного екрану. Вони внесли зміни до окремих його частин і додали до ємнісного ще один, новий шар. І що цікаво, роблячи це, вони явно надихалися застарілими резистивними екранами.

Сітка ємнісних сенсорів залишилася без змін, проте вона була перенесена назад ближче до матриці. Між набором електричних контактів, що стежать за місцем дотику до дисплея, та захисним склом було інтегровано додатковий масив із 96 окремих датчиків.

Його завдання полягало не в тому, щоб визначити місце розташування пальця на екрані iPhone. З цим, як і раніше, чудово справлявся ємнісний тачскрин. Ці пластини необхідні виявлення і вимірювання ступеня вигину захисного скла. Компанія Apple спеціально для iPhone замовила у Gorilla Glass розробку та виробництво такого захисного покриття, яке б зберігало колишню міцність і водночас було досить гнучким, щоб екран міг реагувати на тиск.

На цій розробці можна було закінчити матеріал, що розповідає про сенсорні екрани, якби не ще одна технологія, яку кілька років тому пророкували велике майбутнє.

Хвильові сенсорні екрани

Несподівано, але вони не використовують електрику і навіть не мають нічого спільного зі світлом. Технологія Surface Acoustic Wave system для визначення точки дотику застосовує акустичні поверхневі хвилі, що розповсюджуються вздовж поверхні екрану. Ультразвук, що створюється п’єзоелектричними елементами по кутах, занадто високий для того, щоб його міг вловити людський слух. Він поширюється взад і вперед, багаторазово відбиваючись від країв екрана. Звук аналізується на предмет аномалій, створюваних предметами, що торкаються екрану.

Недоліків у хвильових сенсорних екранів небагато. Вони починають помилятися після сильного забруднення скла і в умовах сильного шуму, але при цьому в екранах з таким сенсором немає додаткових шарів, що збільшують товщину і впливають на якість зображення. Усі компоненти сенсора ховаються під рамкою дисплея. Крім того, хвильові сенсори дозволяють точно підраховувати площу зіткнення екрана з пальцем або іншим предметом і по цій площі опосередковано розрахувати силу натискання на екран.

Ми вже навряд чи зіткнемося з цією технологією у смартфонах через нинішню моду на безрамкові дисплеї, але кілька років тому компанія Samsung експериментувала з Surface Acoustic Wave system у моноблоках, а як комплектуючі для ігрових автоматів та рекламних терміналів панелі з акустичними тачскринами продаються і зараз

Замість ув’язнення

За дуже короткий термін тачскріни завоювали світ електроніки. Незважаючи на відсутність тактильного відгуку та інші недоліки, сенсорні екрани стали дуже інтуїтивним, зрозумілим і зручним методом введення інформації в комп’ютери. Не в останню чергу, своїм успіхом вони завдячують різноманітністю технічних реалізацій. Кожна зі своїми перевагами та недоліками, що підходить для свого класу пристроїв. Резистивні екрани для найдешевших і наймасовіших гаджетів, ємнісні екрани для смартфонів та планшетів та настільних комп’ютерів з якими ми взаємодіємо щодня та інфрачервоні тачскрини для тих випадків, коли конструкцію екрану слід залишити у недоторканності. Насамкінець, залишається лише констатувати, що сенсорні екрани з нами надовго, заміни їм у найближчому майбутньому не передбачається.