Емкостная сенсорная панель. Сенсорный экран

По той разнице, как происходит ввод информации, сенсоры экранов подразделяются на два типа: резистивные экраны и емкостные.

Резистивный тип

Резистивный тип – экран, который реагирует на нажатие, практически любым твердым предметом. Как правило, телефоны с этим сенсором идут в комплекте с стилусом — специальной палочкой.

Что можно отнести к преимуществам такого дисплея: цена! они настолько недороги в производстве, занявшие чрезвычайно большую нишу.

Еще одним важным преимуществом является то, что они очень устойчивы к загрязнению. Если сказать совсем просто, то, если Вы видите (хоть как-то) кнопки — то они работают!

Относительно недостатков, то здесь стоит отметить не очень высокую свет проводимость.

Есть два типа резистивных экранов четырехпроводной и пятипроводной

Емкостный тип

Емкостный тип — так же, как и в резистивного типа, существует два типа емкостных экранов — поверхностно-емкостной тип, и проекционно-емкостной тип.

Поверхностно-емкостной тип: экрана использует принцип проведения переменного электрического тока предметом с высокой емкостью.

Сенсор емкостного типа это стеклянная панель покрытая слоем проводника. Электроды, которые расположены по углам экрана подают на него переменное напряжение. Когда человек прикасается пальцем или каким-либо другим ведущим предметом, происходит поток тока. Ток во всех углах экрана регистрируется специальными датчиками и передается в контроллер, что вычисляет координаты точки прикосновения.

Емкостный тип экрана более надежен (рассчитан на 200 млн. прикосновений к одной точке против 35 млн.), не пропускает жидкостей и устойчив к непроводящих загрязнений. Еще одно преимущество этого типа — прозрачность экрана составляет 90%.

Теперь о недостатках — экран не будет работать когда вы будете в перчатке, это первый недостаток. Вторым недостатком является то, что мультитач на нем невозможен.

Проекционно-емкостной тип: С внутри экрана нанесена сетка из электродов. Вместе с телом человека, эти электроды создают конденсатор.

К особенностям этого типа следует отнести: преимущества — прозрачность экрана около 90%, необычайно широкий диапазон температур, многими экранами можно управлять даже когда вы наделы перчатки. Здесь появился мультитач. И, напоследок, эти экраны очень долговечны.

К недостаткам можно отнести цену такого сенсора и сложность производства.

По этому, если вы выбираете с каким сенсорным дисплеем взять телефон, лично я советую взять вам проекционно-емкостной тип.

Сенсорный дисплей, как устройство ввода-вывода информации, появился относительно давно. Еще в 90-х годах прошлого века можно было встретить в продаже КПК и другие портативные девайсы, оснащенные тачскрином. По мере развития технологий сенсорные смартфоны совершенствовались, к ним выдвигались новые требования, поэтому за последнее десятилетие сенсорные экраны серьезно изменились.

Резистивные сенсоры

Самые простые и доступные сенсоры для смартфонов. Они состоят из двух слоев, на которые нанесена сетка из прозрачного токопроводящего материала. Нижний выполнен из стекла (минерального или органического), а верхний – пластиковый. Между ними расположена тонкая воздушная прослойка. В момент касания происходит замыкание цепи между сетками разных слоев, и контроллер определяет координаты места нажатия.

Преимуществами резистивных экранов являются чувствительность к нажатию любым предметом, дешевизна, простота конструкции и точность. Главный недостаток – хрупкость: пластиковый верхний слой легко порезать или проколоть, после чего контакт нарушится и сенсор работать не будет.

Еще резистивные сенсоры обладают относительно низкой прозрачностью (до 80 %), поэтому, начиная года так с 2010-го, они выходят из употребления на смартфонах. Сегодня такой тачскрин можно встретить лишь в дешевых телефонах китайского производства.

Емкостные сенсоры

Емкостные сенсоры смартфонов состоят из стеклянной панели, покрытой прозрачным токопроводящим слоем, и четырех угловых датчиков. На нее подается слабый переменный ток, утечку которого при касании регистрируют сенсоры, вычисляя координаты нажатия. Помимо того, что реагируют такие тачскрины лишь на касание предмета с электрической проводимостью, они обладают малой точностью и не способны одновременно воспринимать несколько нажатий.

Емкостно-проекционные сенсоры

Наиболее распространенный на современных смартфонах вид сенсоров. Представляют собой развитие предыдущего типа. Вместо токопроводящего слоя на панель наносится сетка электродов, которые также находятся под напряжением. В момент касания пальца, выступающего в роли конденсатора, происходит утечка тока, расположение которой вычисляется контроллером. Такая конструкция делает возможным отслеживание нескольких касаний (на данный момент до 10, больше – не имеет смысла) одновременно.

Принципиальная конструкция таких тачскринов производителями мобильных устройств модифицируется. На современных OGS дисплеях смартфонов чувствительные электроды могут монтироваться прямо между кристаллами (или диодами) матрицы, а для устойчивости к повреждениям экран покрывают закаленным стеклом.

Ранее также практиковалось разделение защитного стекла и сенсорного слоя: электроды наносились на прозрачную пленку, которая сверху покрывалась стеклом. Подобный подход позволял сохранять работоспособность сенсора даже при наличии серьезных повреждений (трещины, сколы).

Статья:

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.

Уже практически весь мир высоких технологий захватила мода на сенсорные дисплеи. Сейчас практически на каждом плеере или сотовом телефоне имеется тачскрин, а общая сфера применения такой технологии производства дисплеев является намного более значительной. Сейчас на рынке представлены разные виды сенсорных экранов, работа которых зависит от того, какая технология ими используется.

Является прибором, ориентированным на ввод и вывод информации посредством дисплея, чувствительного к нажатиям. На экранах современных устройств не только демонстрируются изображения, но и появляются возможности вступать во взаимодействие с ним. Изначально подобная связь обеспечивалась посредством привычных для всех кнопок, потом появился иной вид манипулятора, названный мышью, сильно облегчивший процесс. Для работы этого прибора требуется горизонтальная поверхность, что совсем неудобно при использовании мобильного телефона. Тут и пригодилось дополнение к обычному экрану в виде тачскрина. Сенсорный элемент по своей сути не является экраном, он представляет собой дополнительное устройство, которое размещается снаружи поверх дисплея, при этом оно защищает и предназначается для ввода координат посредством прикосновения к нему устройства ввода или пальца. Существуют различные типы сенсорных экранов. Стоит рассмотреть их немного подробнее.

Типы сенсорных экранов и их использование в электронных устройствах

Первоначально технология тачскрина была использована для карманных компьютеров, однако на данный момент она получила заметно более широкое применение, от плееров до фотоаппаратов. Так как подобный механизм управления является очень удобным, он применяется для современных банкоматов, планшетных терминалов, различных электронных справочников и прочих устройств. Технология сенсорного экрана весьма удобна в тех случаях, когда необходим мгновенный доступ к управляемому устройству без какой-то подготовки и с максимальной интерактивностью: происходит смена элементов управления в зависимости от того, какая функция активируется.

Типы сенсорных экранов: емкостные, резистивные, проекционно-емкостные и прочие (менее популярные). Помимо этих видов существуют еще и инфракрасные и матричные дисплеи, однако их точность настолько невысока, что их сфера применения совсем ограничена.

Резистивные сенсорные экраны

Наиболее простыми устройствами являются именно эти дисплеи. Подобная панель включает в себя проводящую подложку и пластиковую мембрану, которые обладают определенным сопротивлением. Когда осуществляется нажатие на мембрану, производится замыкание с подложкой, что вынуждает проводящую электронику реагировать на сопротивление, которое возникло между краями этих элементов, вычисляя после этого координаты точки, на которую было произведено нажатие. Такие экраны весьма просто устроены, они дешевы, а также обладают отличной устойчивостью к загрязнениям. Основное достоинство такого типа сенсора состоит в том, что он чувствителен ко всяким прикосновениям. Недостаток заключается в высокой чувствительности к механическим повреждениям, что требует использования специальной Такие панели отлично работают при низких температурах.

Совсем по-иному работает технология емкостного сенсора. Тут за основу взят принцип того, что предмет большой емкости может проводить электрический ток. На стекло наносится электропроводный слой, а на все четыре угла подается переменное напряжение. При касании экрана заземленным предметом большей мощности происходит утечка тока. Управляющая электроника регистрирует эти утечки, определяя координаты.

В данной статье были кратко и понятно описаны основные типы сенсорных экранов, получивших наибольшую популярность.

Для управления современными гаджетами уже нет необходимости нажимать на кнопки, достаточно просто коснуться экрана. Это стало возможным благодаря тачскрину (в среде специалистов называюты просто «тач» или «тач панель»), который стал неотъемлемой частью смартфонов и планшетов, в том числе Айфонов и Айпадов. Не удивительно, что из-за частого использования он нередко выходит из строя и становится головной болью для владельца аппарата. Если понимать, что из себя представляет этот компонент и по каким принципам работает, то можно быстро обнаружить неисправность и избежать неловких ситуаций при обращении в сервисный центр.

Что такое тачскрин

Этот термин образовался от двух английских слов - touch и screen, что буквально переводится как «сенсорный экран». История его появления продолжительная и происходила в несколько этапов. Первый в мире управляемый пальцем дисплей придумал и описал в своих научных работах американец Е. А. Джонсон в 1965 году. Пятью годами позже Доктор Сэмюэль Херст в ходе экспериментов разработал резистивный сенсорный экран , а само физическое производство продукта началось лишь в 1973 году.

В настоящее время жители городов имеют дело с сенсорными панелями практически ежедневно: ими оборудованы не только смартфоны и планшеты, но и банкоматы, справочные терминалы и пункты приема платежей. Тачскрин соединяется с дисплеем и чутко реагирует на любые прикосновения. Его можно охарактеризовать как устройство ввода информации, которое служит для замены клавиатуры.

Важно знать, что тачскрин - это лишь часть общей конструкции, ответственная только за сенсор. Для передачи изображения используется дисплей, который представляется собой жидкокристаллическую матрицу. Единство этих двух элементов называется дисплейным модулем, который является практически главным компонентом любого высокотехнологичного устройства.

Принцип работы сенсорной панели

Принцип работы тачскрина прост - любые прикосновения к нему вызывают какую-либо функцию или влекут за собой определенные действия. Физические же особенности его работы напрямую зависят от вида сенсорной панели. Всего их семь, но самыми распространенными на сегодняшний день являются три из них.

Самый дешевый в производстве, устойчивый к загрязнениям и перепадам температур. Состоит из стеклянной панели и пластиковой мембраны , между которыми располагаются изоляторы. Любое нажатие приводит к тому, что стекло продавливает микро-изолятор, а мембрана с панелью замыкаются. После этого специальный контроллер считывает изменения и преобразует их в координаты соприкосновения. Слабые стороны этой модели - низкий показатель светопропускания, недолгий срок службы и высокий риск повреждения при падении.

Емкостный экран

Более надежный и долговечный, но уязвим для непогоды, воды и загрязнений. В нем используется специальное сенсорное стекло, покрытое резистивным материалом. Через него проходит переменный ток, который подается расположенными по углам экрана электродами. То есть, при прикосновении к тачскрину происходит утечка тока, фиксирующаяся специальными датчиками. Они регистрируют на эти изменения и передают в контроллер.

Сенсор на поверхностно-акустических волнах

Один из самых сложно устроенных экранов. Особенность его работы в том, что в толще стекла происходят ультразвуковые колебания . При нажатии на тачскрин волны поглощаются и преобразуются в электрический сигнал, который потом передается контроллеру. Преимуществом данной технологии является долгий срок службы, равный не менее 45 миллионам касаний. Главный же недостаток - экран крайне чувствителен к загрязнениям и электромагнитным помехам.

В дополнение к этому можно выделить еще несколько разновидностей сенсорных панелей. К ним относятся:

Проекционно-емкостные . На внутренней стороне таких экранов есть сетка электродов, при нажатии образующая конденсатор, емкость которого измеряют датчики электроники.
Инфракрасные . По их краям располагаются светоизлучатели и приемники в ИК-диапазоне, при касании экрана часть света перекрывается и тем самым определяется место нажатия.
Танзометрические . Базируются на простой фиксации деформации экрана, устойчивы к повреждениям и часто устанавливаются на улице.
Индукционные . Внутри них есть катушка индуктивности и провода, при касании такого экрана специальным инструментом происходит изменение напряжение существующего магнитного поля.

Как проверить тачскрин

Сенсорная панель может некорректно работать как при физическом повреждении мобильного устройства, так из без видимых на то причин. На то, что проблема именно в сенсоре указывают следующие факторы:

Причин подобной неисправности может быть несколько:

Загрязнение дисплея . Если своевременно не протирать сенсор специальными средствами, то в ходе эксплуатации он обильно покрывается отпечатками пальцев и жирными следами, что может снизить его чувствительность.
Нарушение температурного режима . Слишком высокие или низкие температуры, как и их сильный перепад - частая причина неисправности тачскрина.
Повреждение шлейфа . Он может отслоиться от стекла при механических повреждениях, нарушив тем самым соединение последнего с сенсорным покрытием.
Попадание влаги . Если внутри гаджета оказалась жидкость, то может произойти окисление контактов. Иногда проблему можно решить с помощью фена.
Сбой программного обеспечения. В этом случае необходимо перепрошить аппарат, для этого потребуется USB-провод и само ПО.

Как самому заменить тачскрин на телефоне

Перед демонтажем сенсорного экрана следует выключить смартфон , вынуть аккумулятор и сим-карту. Важно запомнить последовательность разборки, чтобы потом суметь собрать аппарат обратно и не повредить внутренние элементы. В некоторых моделях может потребоваться полный разбор корпуса, что требует специальных знаний. Чтобы сделать замену сенсорного экрана на телефоне своими руками необходимо заранее подготовить специальное оборудование, а именно:

Сам процесс замены тачскрина выглядит следующим образом:

Снять заднюю крышку телефона;
Отверткой вывернуть все болты по периметру корпуса;
Аккуратно вставить лопатку между креплением корпуса и поддеть;
Феном прогреть клей , соединяющий сенсор с матрицей до температуры максимум 80 °С;
Прикрепить на дисплей присоску , что позволит отделить тачскрин от матрицы;
Нанести тонкий слой клея и установить новую сенсорную панель;
Аккуратно прижать ее и удалить остатки клея;
Собрать устройство в обратном порядке.

В чем разница между тачскрином и дисплеем

Дисплей - это та часть смартфона, на которую выводится изображение. Именно он является проводником визуальной информации и делает ее доступной для человеческого глаза. Тачскрин же представляет собой сенсорное стекло, главное предназначение которого - вызывать ту или иную функцию. То есть, он является лишь средством ввода информации , но никак не вывода.

Если телефон разбился и на нем появилась паутинка, но экран продолжает свою работу и можно отчетливо видеть картинку - то необходимо заменить только сенсор. Когда же аппарат искажает изображение и показывает кляксы, то придется менять дисплей, что является более затратной по времени и денежным средствам процедурой.