Как работают сенсорные экраны. Что такое сенсорный дисплей: принципы работы — подробное руководство

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.

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.

В данной статье мы рассмотрим различные виды сенсорных экранов, их особенности, плюсы и минусы технологии.

«Мультитач»

Данная технология позволяет распознавать одновременно несколько нажатий в разных точках экрана. Это открывает новые возможности в управлении устройством. Примером технологии «мультитач» является Apple iPhone .

Емкостные сенсорные экраны

Например: HTC Wildfire

Чувствительный элемент емкостного сенсорного экрана представляет собой стекло, покрытое прозрачным проводящим составом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). По углам панели размещены четыре электрода, которые подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение.

При прикосновении пальцем (или иным проводящим предметом) к такому экрану, образуется емкостная связь между пальцем и экраном (утечка тока), что вызывает импульс тока в точку контакта. Контроллер экрана замеряет силу образующегося при этом тока по всем четырем электродам. Электрический ток из каждого угла экрана пропорционален расстоянию до точки касания, таким образом контроллеру достаточно просто сравнить эти токи для определения места касания.

Плюсы: надежный прозрачный экран с малым временем отклика, обладающий высокой прочностью и долговечностью.

Минусы такого экрана заключаются в том, что управлять им можно только пальцами или специальным стилусом, обладающим электрической ёмкостью. Потому зимой можете забыть об использовании такого экрана в перчатках. И к тому же при низких температурах электрические характеристики сенсора изменяются, и порой он может работать некорректно (от неправильного определения координат нажатия до полной неработоспособности).

Проекционно-емкостные экраны

Например: Apple iPhone

Существует еще одна разновидность емкостного сенсора – проекционно-емкостный экран. На его тыльную сторону нанесена сетка электродов, на которые подаётся слабый ток, а место касания определяется по точкам с повышенной ёмкостью.

Такие 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 позволяют использовать технологию «мультитач», которую не могли себе позволить обычные ёмкостные экраны.

Минусом может являть немного более низкая точность определения координат нажатия.

Резистивные сенсорные экраны

Например: HTC Touch Diamond

Резистивный экран реагирует только на давление. Экран представляет собой стеклянный жидкокристаллический дисплей, на который наложена гибкая мембрана. На соприкасающиеся стороны нанесён резистивный состав, а пространство между плоскостями разделено диэлектриком.

При нажатии на экран пальцем (или любым другим предметом), он соприкасается с мембраной, 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 5-6-7-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 мембрана быстро покрывается царапинами. Именно резистивными экранами оснащено большинство мобильных устройств.

К недостаткам резистивных экранов относится также низкое светопропускание - не более 70-85%, из-за чего требуется повышенная яркость подсветки.

Зато эти экраны предельно дёшевы в производстве, чем и объясняется их широкое распространение.

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.