Типы сенсорных экранов. Виды сенсорных экранов

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.

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.

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.

Человечество всегда любило делиться на группы: католики и протестанты, вегетарианцы и мясоеды, поклонники сенсорных экранов и те, кто не испытывает к ним особой тяги. К счастью, техно-гики вряд ли развяжут войну или крестовый поход против тех, кто не разделяет их точку зрения, несмотря на то, что армия приверженцев «пальцеориентированных» интерфейсов растет со скоростью развития самой технологии. Как же это все устроено?

Смартфоны и планшеты: как работает экран?

Первый сенсорный экран появился 40 лет назад в США. Сетка ИК-лучей, состоявшая из 16х16 блоков, была установлена в компьютерную систему Plato IV. Первый телевизор с сенсорным экраном показали на всемирной ярмарке 1982 года, спустя год презентовали первый персональный компьютер HP-150. В телефонах сенсорные экраны появились гораздо позже: в 2004 году на 3GSM Congress (так в то время называли выставку Mobile World Congress) компания Philips представила на суд журналистов три модели (Philips 550, 755 и 759). В то время операторы сотовой связи возлагали большие надежды на сервис MMS, поэтому основные функции сенсорного экрана сводились к развлекательным: для того чтобы сделать MMS более эмоциональными, разработчики предлагали пользователям обрабатывать фото с помощью стилуса – подписывать, пририсовывать детали – и только потом отправлять адресату.

Тогда же появилась возможность пользоваться виртуальной клавиатурой, но так как все модели обладали цифровой, а сенсорный экран значительно увеличивал стоимость устройств, про них на время забыли. Через год появился Fly X7 – полностью сенсорный бесклавиатурный моноблок, к сожалению, с рядом аппаратных недоработок, которые вкупе с тогдашней безызвестностью брэнда похоронили его среди ничем не примечательных моделей. И это были не единственные попытки создать что-то новое, однако несмотря на ряд предшественников, первыми полноценными «пальцеориентированными» моделями можно назвать лишь Apple iPhone, LG KE850 PRADA и линейку HTC Touch, появившуюся на рынке в 2007 году. Именно они положили начало эре сенсорных телефонов.

Строго говоря, сенсорный элемент экраном не является – это проводящая поверхность, которая работает в паре с экраном и позволяет вводить данные с помощью пальца или иного предмета.

Как экран распознает касание?

Существует множество типов сенсорных экранов, но мы остановимся только на тех, которые широко используются в мобильных устройствах: смартфонах и планшетах.

Резистивный дисплей состоит из гибкой пластиковой мембраны и стеклянной панели, пространство между которыми заполнено микроизоляторами, которые изолируют токопроводящую поверхность. Когда вы нажимаете на экран пальцем или стилусом, панель и мембрана замыкаются, а контроллер регистрирует изменение сопротивления, ориентируясь на которое умная электроника определяет координаты нажатия. Основные плюсы – дешевизна и простота изготовления, что позволяет снизить рыночную стоимость конечного устройства.

Также к несомненным преимуществам можно отнести то, что экран реагирует на любое нажатие – при работе с ним не обязательно использовать специальный токопроводящий стилус или палец, для этого вполне подойдет авторучка или любой другой предмет, которым вы сможете надавить на определенную точку экрана. Резистивный экран устойчив к загрязнениям. Ряд операций можно провести даже рукой в перчатке – например, ответить на звонок в холодное время года. Однако не обошлось и без недостатков. Резистивный экран легко царапается, поэтому его желательно закрывать специальной защитной пленкой, что в свою очередь не лучшим образом сказывается на качестве изображения. Более того, эти царапины имеют свойство увеличиваться в размерах.

Экран обладает невысокой прозрачностью – пропускает всего 85% света, исходящего от дисплея. При низких температурах экран «подмерзает» и хуже реагирует на нажатия, не очень долговечен (35 млн нажатий в одну точку). Предтечей резистивных экранов были матричные сенсорные, основу которых составляла сенсорная сетка: на стекло наносились горизонтальные проводники, на мембрану – вертикальные. При прикосновении к экрану направляющие замыкались и указывали координаты точки. Эта технология используется до сих пор, но в смартфонах ее уже практически не встретишь.

Схема резистивного экрана

Технология емкостных экранов основана на том, что человек обладает большой электрической емкостью и способен проводить ток. Для того чтобы все работало, на экран наносится тонкий токопроводящий слой, а к каждому из четырех углов подводится слабый переменный ток небольшой величины. При прикосновении к экрану происходит утечка точка, которая зависит от того, насколько далеко от угла дисплея произошло касание. По этой величине и определяются координаты точки. Такие экраны более устойчивы к царапинам, не пропускают жидкость, более долговечны (около 200 млн нажатий) и прозрачны по сравнению с резистивными, к тому же, реагируют на легчайшие прикосновения. Однако у этого есть и свои минусы – во время разговора можно неловко задеть телефоном ухом и запросто запустить какое-нибудь приложение, рукой в перчатке на звонок не ответишь – электропроводимость не та. Более высокая стоимость экрана, разумеется, сказывается на цене устройства.

Схема емкостного экрана

Как работает мой "айфон"?

К более продвинутым разновидностям емкостных экранов относятся проекционно-емкостные. На внутреннюю поверхность стекла наносится электрод, в качестве второго электрода выступает человек. При прикосновении к экрану образуется конденсатор, измеряя емкость которого можно определить координаты нажатия. Так как электрод нанесен на внутреннюю поверхность экрана, тот весьма устойчив к загрязнениям; слой стекла может достигать 18 мм, что позволяет значительно повысить срок жизни дисплея и устойчивость к механическим повреждениям.

Одна из самых интересных фишек проекционно-емкостных экранов – поддержка технологии мультитач. Также они обладают большой чувствительностью и имеют относительно широкий температурный диапазон работы, но с рукой в перчатке взаимодействуют по-прежнему не очень. Казалось бы, это может смутить потенциальных покупателей, однако несколько лет назад кто-то из предприимчивых корейских фанатов iPhone догадался использовать в качестве стилуса обыкновенную сосиску, электропроводимость которой позволяла ответить на звонок. Неоднозначный тренд вызвал бурю восторга на форумах и привлек внимание производителей аксессуаров, которые запустили в продажу специальный стилус-сосиску. Перед обычной сосиской у него есть как минимум один плюс – он не оставляет жирных следов на экране девайса.

Схема проекционно-емкостного экрана

Вне зависимости от технологии работы экрана, у него есть ряд типичных характеристик. Помимо разрешения, к основным характеристикам экрана можно отнести угол обзора и цветопередачу, которая зависит от типа дисплея. Понятие цветопередачи неразрывно связано с «глубиной цвета» - термином, обозначающим объем памяти в количестве бит, используемых для хранения и передачи цвета. Чем больше бит, тем глубже цвета. Современные LCD-дисплеи в смартфонах и планшетах отображают 18-битный цвет (более 262 тысяч оттенков). Максимально возможным на данный момент является 24-битный TrueColor, который способен воспроизвести более 16 млн оттенков в AMOLED и IPS-матрицах.

Угол обзора, как и любой угол, измеряется в градусах и характеризует величину, при которой яркость и читаемость экрана падает не больше, чем в два раза, если смотреть на него прямо перпендикулярно. Этой характеристикой обладают LCD-дисплеи, но не OLED.

Сравнение медиаплееров: плюсы и минусы

ZOOM.CNews

Типы экранов смартфонов и планшетов

На данный момент при производстве смартфонов и планшетов, как правило, используются либо LCD, либо OLED-дисплеи.

В основе LCD-экранов лежат жидкие кристаллы, которые не обладают собственным свечением, поэтому в ультимативном порядке требуют лампу задней подсветки. Под внешним воздействием (температурным или электрическим) кристаллы могут изменять структуру и становиться непрозрачными. Управляя током, на дисплее можно создавать надписи или картинки.

Схема ЖК-пикселя

Дисплеи на жидких кристаллах, используемые в смартфонах и планшетах, в большинстве своем имеют активную матрицу (TFT). В TFT-матрицах используются прозрачные тонкопленочные транзисторы, которые располагаются прямо под поверхностью экрана. За каждую точку изображения отвечает отдельный транзистор, поэтому картинка обновляется быстро и непринужденно.

С появлением LCD TFT-матриц время отклика дисплея значительно повысилось, но остались проблемы с цветопередачей, углами обзора и битыми пикселями.

Схема ЖК-пикселя

Самые распространенные TFT-матрицы - TN+film и IPS. TN+film – самая простая технология. Film – это дополнительный слой, который применяют для увеличения угла обзора. Из плюсов таких матриц – маленькое время отклика и невысокая себестоимость, минусы – плохая цветопередача и, увы, углы обзора (120-140 градусов). В IPS-матрицах (In-Plane-Switchin) удалось увеличить угол обзора до 178 градусов, повысить контрастность и цветопередачу до 24 бит и добиться глубокого черного цвета: в этой матрице второй фильтр всегда перпендикулярен первому, поэтому свет через него не проходит. Но время отклика по-прежнему осталось на низком уровне. Super-IPS является прямым наследником IPS с уменьшенным временем отклика.

PLS-матрица (Plain-to-Line Switchin) появилась в недрах компании Samsung как альтернатива IPS. К ее достоинствам можно отнести более высокую плотность пикселей, чем у IPS, высокую яркость и хорошую цветопередачу, низкое энергопотребление, большие углы обзора. Время отклика сравнимо с Super-IPS. Среди недостатков – неравномерная подсветка. Следующее поколение, Super-PLS, обскакало IPS в углах обзора на 100% и на 10% по показателям контрастности. Также эти матрицы оказались дешевле в производстве на целых 15%.

При производстве OLED-дисплеев используют органические светодиоды, которые под воздействием электричества испускают собственное свечение. По сравнению с LCD-дисплеями, у OLED – множество плюсов. Во-первых, они не используют дополнительную подсветку, а значит, аккумулятор смартфона разряжается не так быстро, как в случае с LCD. Во-вторых, OLED-дисплеи тоньше. От этой характеристики напрямую зависит толщина и дизайн девайса. К тому же, OLED-дисплеи могут быть гибкими, что предвещает отличные перспективы развития. У OLED отсутствует такой параметр как «угол обзора» - изображение хорошо просматривается с любого угла. По яркости и контрастности (1000000:1) OLED также лидирует.

Его хвалят за живые и насыщенные цвета и отдельно – за глубокий черный. Но есть, конечно, и минусы. Одним из основных можно назвать недолговечность: органические соединения неустойчивы к окружающей среде и имеют обыкновение выгорать, причем, одни цвета спектра страдают больше, чем другие. Хотя если вы меняете телефон раз в три года, вряд ли это станет аргументов против покупки. К тому же, до сих пор изготовление OLED обходится дороже, чем LCD.

Схема OLED

OLED-экраны второго поколения тоже в большинстве своем имеют активную матрицу TFT. Называются они AMOLED. Главное преимущество – еще более низкое энергопотребление, недостатки – нечитаемость картинки при ярком солнечном свете.

Схема AMOLED

Следующим шагов в развитии технологии стали SuperAMOLED-экраны, которые впервые начала использовать Samsung. Принципиальное их отличие от AMOLED состоит в том, что пленки с активными транзисторами (TFT) интегрированы в пленку из полупроводников. Это дает прирост яркости на 20%, снижение электропотребления на 20% и повышение читаемости на солнечном свете на целых 80%!

Схема SUPERAMOLED

Не стоит путать экраны, произведенные по технологии OLED, с экранами с LED-подсветкой – это совсем разные вещи. В последнем случае обычный ЖК-дисплей получает заднюю или боковую светодиодную подсветку, которая, конечно, улучшает качество изображения, но до AMOLED или SuperAMOLED все равно не дотягивает.

Что нас ждет в будущем?

На данный момент самые ясные и предсказуемые перспективы ожидают OLED-экраны. Уже сейчас в Сети можно найти информацию о технологии ближайшего будущего QLED – светодиодах на основе квантовых точек (полупроводниковый нанокристалл, который светится, когда подвергается воздействию тока или света). Сильными сторонами этой технологии являются высокая яркость, невысокая стоимость производства, широкий диапазон цветов, низкое энергопотребление. Квантовые точки, которые лежат в основе новой технологии, имеют еще одно важное свойство – они способны излучать спектрально чистые цвета. Уже сейчас этой технологии предрекают блестящее будущее. В Samsung уже разработали полноцветный 4-дюймовый QLED-дисплей, но в серийное производство новинку запускать пока не торопятся.

Прототип QLED-дисплея

Зато в Samsung подтвердили, что уже в этом году начнется серийное производство гибких OLED-дисплеев. Вероятно, первыми устройствами станут смартфоны и планшеты. Малая толщина экрана и физические свойства панели позволят существенно увеличить полезную площадь экрана и развяжут руки техно-дизайнерам.

В качестве другой перспективной технологии можно назвать IGZO, которой занимается компания Sharp. В ее основе лежат исследования профессора Хидео Хосоно, который решил присмотреться к альтернативным полупроводникам и в результате разработал технологию TAOS (Transparent Amorphous Oxide Semiconductors) - прозрачные аморфные оксидные полупроводники, которые содержат окислы индия, галлия и цинка (InGaZnO), сокращенно - IGZO. Отличия смеси от аморфного кремния, который использовался при производстве TFT, позволяет существенно снизить время отклика, значительно повысить разрешение экрана, сделать его ярче и контрастнее. Компания Apple весьма заинтересовалась перспективами этой технологии и вложила в производство дисплеев IGZO миллиард долларов.

Нечасто мы задумываемся о том, как работает дисплей устройства лежащего у нас в руках. Но иногда бывают случаи, когда недавно купленный телефон или планшет отказывается реагировать на привычное цифровое перо от старого девайса. В этом случае, становится очевидным, что экран новинки собран по какой-то другой технологии. Тут уже вспоминается, что есть резистивные экраны и емкостные, последние из которых постепенно вытесняют первых.

Стоит заметить, что мало кто знает о различии между поверхностно- и проекционно-емкостными дисплеями. А ведь экраны почти всех современных планшетов, смартфонов с Android или iOS от Apple относятся именно к проекционно-емкостным, благодаря которым и возможна такая уже необходимая функция, как мультитач.

Поверхностно-емкостные экраны

Все емкостные скрины при работе используют тот факт, что все предметы, обладающие электрической емкостью, тело человека в том числе, хорошо проводят переменный ток.

Первые экземпляры емкостных тач-скринов работали на постоянном токе, что упрощало устройство электроники, аналого-цифрового преобразователя в частности, но загрязненность экрана или рук часто приводила к сбоям. Для постоянного тока даже ничтожное емкостное сопротивление является непреодолимой преградой.

Емкостные экраны так же, как и резистивные собраны в простейшем случае из LCD или AMOLED экрана, дающего изображение в самом низу и сенсорной активной панели поверху .

Активная часть поверхностно-емкостных экранов представляет собой кусок стекла, покрытый на одной стороне прозрачным, с высоким сопротивлением материалом. В качестве этого электропроводящего вещества применяется оксид индия или оксид олова.

По углам экрана расположены четыре электрода, через которые подается небольшое переменное напряжение, одинаковое со всех сторон. При касании поверхности экрана электропроводящим предметом или напрямую пальцем появляется утечка тока через тело человека. Протекание ничтожно малых токов регистрируется одновременно во всех четырех углах датчиками, а микропроцессор по разности величин токов определяет координаты места касания.

Поверхностно-емкостной экран всё ещё хрупок, так как его проводящее покрытие нанесено на внешнюю поверхность и ничем не защищено. Но не такой нежный, как резистивный, поскольку на его поверхности нет тонкой мягкой мембраны. Отсутствие мембраны улучшает прозрачность дисплея, и позволяет применять менее яркую и энергоэкономную подсветку.

Проекционно-ёмкостные экраны

Этот тип сенсорного экрана способен определять одновременно координаты двух и более точек прикосновения, то есть поддерживает функцию мультитач. Именно этого типа дисплеи устанавливаются на все современные мобильные устройства.

Работают они по схожему с поверхностно-емкостными экранами принципу, отличие заключается в том, что активный проводящий слой у них нанесен внутри, а не на внешней поверхности. Благодаря чему активная панель получается значительно более защищенной. Можно закрыть её стеклом толщиной вплоть до 18 мм, таким образом, сделав сенсорный экран крайне вандалоустойчивым.

При прикосновении к сенсорному экрану, между пальцем человека и одним из электродов за стеклом образуется небольшая ёмкость. Микроконтроллер прощупывает импульсным током, в каком именно месте на сетке электродов возросло напряжение из-за внезапно образовавшейся ёмкости. На стекающие капли воды экран не реагирует, так как такие проводящие помехи легко подавляются программным методом.

Общим недостатком для всех емкостных экранов является невозможность работать с ними любыми изолирующими предметами. Можно только специальным стилусом или голым пальцем. На удобное пластмассовое перо или руку в теплой перчатке они не среагируют.

Травление печатных плат Самодельный миниатюрный низковольтный паяльник Хитрый способ распайки плат