Как работает проекционный емкостный сенсорный экран вашего смартфона? Почему он распознает нажатие пальцем, но не другим предметом? Что такое частота опроса сенсора и почему ее не стоит путать с частотой обновления экрана.
Первые сенсорные экраны
История сенсорных экранов началась давно, а первым потребительским устройством с сенсорным управлением стал телевизор, выпущенный в 1982 году. В мобильных устройствах первые сенсорные дисплеи появились в 1992 году, когда IBM продемонстрировала Simon, сочетавший в себе функционал мобильного телефона, пейджера, КПК и факса.
Но настоящий бум начался после того, как в 2007 году Apple представила iPhone, в котором использовался проекционный емкостный сенсорный экран, благодаря которому удалось реализовать ту самую технологию мультитач. То есть распознавание одновременно двух или более прикосновений.
До этого сенсорной емкостные экраны использовались только в платежных терминалах и других устройствах ввода информации на улице.
Как работает сенсорный экран?
Если простыми словами, то под стеклом есть специальный слой, который реагирует на прикосновения. И чтобы понять базовый принцип работы сенсора, представим, что нам нужно сделать одну чувствительную точку на нашем экране.
Для этого нам потребуется 2 пластины, в одной из которых будет подаваться ток из батарейки смартфона, наполняя ее при этом отрицательно заряженными частицами. В итоге мы получим переизбыток электронов на одной пластине, которые стремятся соединиться с положительно заряженными частицами в другой пластине. Но не могут, так как два слоя мы заранее изолировали друг от друга.
Электрическое поле желтой пластины продолжит притягивать плюсы, которых уже достаточно много собралось на синей пластине. И так будет продолжаться до тех пор, пока мы не коснемся этих пластин, например своим пальцем.
В этот момент электрическое поле отрицательно заряженной пластины начнет взаимодействовать с положительными зарядами в нашем пальце,а на синий пластине станет посвободней, так как внимание отрицательных электронов мы переключили на свою конечность.
Положительно заряженных частиц на синий пластине станет меньше, что считает электроника нашего смартфона и зарегистрирует в этом месте касания.
Но чтобы весь экран стал чувствительным, нужно полностью покрыть его такими ячейками из нескольких слоев, которые соединены в строки и столбики. То есть отрицательно заряженные ячейки будут строками, а положительные – столбиками. Сетка из ячеек может, например, состоять из 80 строк и 40 столбиков, имея при этом 3200 пересечений, на которых смартфон будет анализировать измерения электрического поля.
Но вместо того, чтобы заморачиваться с каждой ячейкой, мы подаем питание сразу на всю строку и на весь столбец, а смартфон начинает непрерывно отслеживать измерения электрического поля в каждом столбце.
И когда мы касаемся определенной области на экране, система моментально фиксирует измерения в целом столбце. То есть при нажатии на экран у нас срабатывает вся длинная полоска сенсора сверху вниз.
Но как решить точное нажатие? Нам потребуется всего лишь поочередно подавать ток на каждую строку по очереди, то есть мы просто поочередно включаем каждую строку, а столбцы считывается непрерывно.
После того, как дойдем до последней строки, переходим снова к первой. Один такой цикл от начала до конца – это 1 герц. То есть это и есть та самая частота опроса сенсора.
Частота опроса сенсора и частота дисплея
Но управлять смартфоном с такой частотой было бы крайне проблематично, поэтому весь процесс требуется ускорить, и за одну секунду необходимо сделать 60 проходов от первой до последней строки, то есть увеличить частоту до 60 герц.
Один проход при этом займет всего 16 миллисекунд. Вот такими очень быстрыми волнами и сканируется вся площадь экрана на предмет измерений электрического поля.
Актуальные модели смартфонов имеют частоту опроса сенсора 120 герц, в то время как некоторые флагманские модели Android дошли до 240 герц. Но не стоит путать эту характеристику с частотой обновления дисплея.
Частота дисплея обеспечивает плавность изображения, то есть скорость обновления самой картинки, которую мы видим, а частота опроса сенсора обеспечивает более быструю реакцию на касания вашими пальцами.
Почему сенсорный экран распознает только касание пальцем?
Сенсорный экран будет реагировать на любой предмет, способный проводить ток. Если предмет ток не проводит, то и взаимодействовать с электрическим полем сенсора он не будет.
Но описанная технология чуть умнее, чем кажется, и смартфон может без труда определять не только само касания, но и определять форму этого касания и его центральную точку.
Когда мы прикасаемся к экрану, меняется напряжение сразу во многих точках. Причем в самом центре касания, где контакт максимален – сильнее, а чуть дальше – слабее. Так смартфон понимает, что вы хотите нажать именно на эту маленькую иконку, а не где-то рядом.
Мокрый сенсорный экран
Поэтому если система не определяет нажатие на экран как форму пальца, то может игнорировать такие прикосновения. Единственное, с чем не всегда может справиться ваш смартфон, – это обработка нажатий мокрыми руками или во время дождя.
Вода прекрасно проводит ток, и из-за капель на экране появляются достаточно сильные помехи в работе сенсора. Я думаю, вы замечали такую особенность при использовании смартфона.
Слой сенсора на экране
И несмотря на то, что слой сенсора находится у нас прямо перед глазами прямо под защитным стеклом самого дисплея, в высококачественных экранах вы его не увидите, т.к. производят эти ячейки из полностью прозрачных материалов, таких как оксид индия, олово. Однако в некоторых бюджетных вариантах сетку сенсора можно увидеть, если посмотреть на выключенный экран под углом на солнце или под лампой.
Но такой “бутерброд” из дисплея, сенсора и защитного стекла перестал устраивать некоторых производителей. Желая снизить толщину модуля, компания Samsung сумела установить чувствительные электроды прямо между субпикселями OLED экрана, что упростило конструкцию, а также повысило прозрачность и яркость.
При этом создаваемое слоем сенсора поле выходит достаточно далеко за пределы экрана, поэтому даже толстые стекла не создадут ему никаких преград, не говоря уже про стекло Gorilla Glass в iPhone.
Именно по этой причине до выхода первого iPhone такой тип экранов использовался в различных терминалах на улице, так как дисплеи можно было закрыть толстым стекло вплоть до 18 мм толщины без потери чувствительности.
