Краткий исторический экскурс

Первые наработки в области создания сенсорных дисплеев появились во второй половине 60-х годов прошлого века, а одним из первых применений тачскринов стала обучающая компьютерная система PLATO IV, появившаяся в 1972 году. Основой сенсорного дисплея PLATO IV была сетка из инфракрасных светодиодов и приемников излучения, где место касания определялось по перекрытию сигнала излучателя. Нажимать на такой дисплей можно любым непрозрачным предметом.  

Система PLATO IV Touch Screen Terminal – первое применение сенсорных технологий

Что интересно – подобный принцип организации дисплейного сенсора вполне мог поддерживать мультитач. Однако первые мультитач устройства появились несколько позже. В 1984 Bell Labs продемонстрировала мульсенсорную панель для дисплеев, а в 1985 году исследователи из университета Торонто – планшет, поддерживающий распознавание множественных касаний. Кстати, сенсорная панель канадской «таблетки» была выполнена по емкостной технологии.

Образец сенсорной поверхности с мультитач созданной в университете Торонто

Следующим шагом в развитии оптических сенсоров стало появление «сенсорных рамок», разработанных в 1985 году в Университете Карнеги-Меллона. Принцип действия подобных дисплеев состоял том, что рамка дисплея подсвечивалась ИК-лучами, а касание определялось по изменению рассеяния света на границе «стекло-воздух». Подобные дисплеи могли распознавать одновременные касания тремя пальцами. Находят оптические сенсорные дисплеи свое применение и в наши дни. Их главный плюс – отсутствие дополнительного слоя прозрачного материала. В частности ИК-тач используется в «читалке» Sony PRS-350 и различных промышленных устройствах.

Сенсорная рамка на ИК-лучах установленная на ПК того времени

Но, вернемся в 70-е годы прошлого века. Параллельно с оптическими сенсорными панелями началось развитие и других, гораздо более массовых типов сенсоров. В 1971 году Сэмюэль Херст разработал графический планшет с резистивной сенсорной поверхностью, а в 1974 году им же был предложен планшет с прозрачной сенсорной поверхностью. Первые сенсорные дисплеи в бытовой электронике появились в 1982 году, когда основанная Херстом компания Elographics продемонстрировала телевизор с сенсорным дисплеем. Причем, сенсорная панель телевизора от Elographics была выпуклой и повторяла формы кинескопов того времени.

В те же годы нашел свое применение и другой тип сенсорных дисплеев – емкостные. Причем, использование этого типа сенсора изначально предполагало поддержку мультитач. В 1972 году датский инженер электронщик Bent Stumpe представил прототип сенсорного дисплея с фиксированным числом программируемых кнопок. Работы над проектом велись в Европейском Центре ядерных исследований (CERN), а свою финальную реализацию они нашли в 1977 году, при создании нового интерфейса «человек-машина» для управления синхрофазотроном.

Сенсорный дисплей, созданный в Европейском Центре ядерных исследований

Массовые работы по созданию и применению сенсорных дисплеев в различных областях человеческой деятельности начались в 1980-е годы. Например, в 1983 году в продажу вышел компьютер HP-150, оснащенный сенсорным дисплеем на ИК-лучах. С каждым годом сенсорные панели совершенствовались, а их точность – росла. Но все же в те годы основное применение сенсорные дисплеи нашли в медицинском и промышленном оборудовании.

HP-150 – персональный компьютер с сенсорный дисплеем (процессор i8088, ОС – MS DOS)

В мобильных устройствах первые сенсорные дисплеи появились в 1992 году, когда IBM продемонстрировала SIMON, сочетавший в себе функционал мобильного телефона, пейджера, КПК и факса. Продажи SIMON начались в США, в 1994 году, а его цена составляла $899. Кстати, пользовательский интерфейс SIMON был ориентирован на управление с помощью пальцев, а стилус – опциональным. Однако из-за больших габаритов и высокой цены тогда особенной популярности SIMON не снискал

IBM SIMON – первый мобильный телефон с сенсорным дисплеем

Дальнейшая история многим известна – сенсорные дисплеи нашли себе основное применение в карманных компьютерах и коммуникаторах с Windows Mobile и Symbian UIQ, а мобильные телефоны и смарфтоны оснащались традиционной аппаратной клавиатурой. Это равновесие сохранялось вплоть до 2007 года, когда компания Apple представила iPhone, смартфон с емкостным сенсорным дисплеем и пользовательским интерфейсом, оптимизированным для управления с помощью пальцев. Напомню, коммуникаторы и КПК оснащались резистивными дисплеями и были ориентированы на использование стилуса. Сейчас заложенные в iPhone идеи доминируют на рынке – большинство современных телефонов оснащаются емкостными тачскринами, а их пользовательские интерфейсы рассчитаны на управление исключительно с помощью пальцев.

iPhone – телефон, сделавший пальцеориентированные сенсорные интерфейсы популярными

Аппаратная реализация

Все существующее многообразие тачскринов можно разделить по лежащему в их основе физическому принципу. В мобильных устройствах основное применение нашли тачскрины выполненные по резистивной и емкостной технологиям.

Резистивные сенсорные панели

Принцип действия резистивных сенсорных панелей основан на том, что при касании происходит механическое замыкание проводящих слоев, а координаты точки касания определяются по изменению сопротивления, измеренного относительно краев сенсорной панели. Технически резистивная сенсорная панель состоит из основания и гибкой поверхности, на которые нанесено резистивное покрытие. Основание может быть как стеклянным, так и жесткого пластика. Гибкая поверхность обычно сделана из тонкого мягкого пластика. Межслойное пространство заполнено микроизоляторами, в обычном состоянии полностью изолирующими поверхности друг от друга. В момент нажатия на сенсорную панель основание и гибкая поверхность замыкаются, образуя электрическую цепь. Большинство сенсорных панелей мобильных устройств выполнены по четырехпроводной схеме, где электрические цепи расположены перекрестно на боковых торцах основания и панели.

Принцип действия 4-проводного резистивного сенсорного экрана

Существуют и пятипроводные сенсорные панели, где 4 проводника расположены на основании, а пятый – на гибкой поверхности. По сравнению с четырехпроводной схемой, пятипроводные сенсоры более надежны и сохраняют работоспособность даже при повреждении гибкой поверхности. Вычисление места нажатия в резистивных сенсорных панелях определяется путем расчета падения напряжения при подаче на электроды напряжения в определенной последовательности, что позволяет рассчитать горизонтальные и вертикальные координаты. Прозрачность резистивных сенсорных панелей обычно не превышает 75…85%.

Принцип действия 5-проводного резистивного сенсорного экрана

Полноценный мультитач на резистивных сенсорных панелях поддерживаться не может принципиально, в силу особенностей способа определения координат. Однако энтузиасты смогли разработать его программную имитацию,  основанную на дополнительных вычислениях. Основное внешнее отличие от классического мультитач – при выполнении жестов (увеличение щипком, прокрутка и т.д.) один из пальцев остается неподвижным, а второй выполняет нужный жест.

Емкостные сенсорные панели

По используемой технологии емкостные сенсорные панели можно разделить на 2 типа – поверхностно-емкостные и проекционно-емкостные. Принцип действия поверхностно-емкостных экранов основан на том, что предмет большой ёмкости способен проводить переменный ток. Технически поверхностно-емкостная сенсорная панель представляет собой стеклянную поверхность, покрытую прозрачным резистивным материалом. По ее краям расположены электроды, на каждый из которых подается слабый электрический ток. При касании емкостного сенсора любым заземленным предметом большой емкости (например, пальцем человека) появляются токи утечки, которые регистрируются управляющей электроникой. Регистрация токов утечки происходит одновременно на всех четырех электродах, при этом, чем ближе палец к электроду, тем выше регистрируемый ток. Обратите внимание, сила нажатия на емкостную сенсорную панель значения не имеет, важен лишь факт ее касания.

Принцип действия поверхностно-емкостной сенсорной панели

Несколько другой принцип заложен в проекционно-емкостные панели. В панелях этого типа на внутренней стороне стеклянного основания нанесена матрица электродов, которые при прикосновении пальца образуют конденсатор, определением емкости которого и занимается управляющая панелью электроника. Кстати, порог чувствительности подобной панели задается программно – при желании можно настроить срабатывание подобного сенсора даже на простое поднесение руки к сенсорной поверхности.

Принцип действия поверхностно-емкостной сенсорной панели

Емкостные сенсорные панели могут выполняться в вандалоустойчивом исполнении, хотя в этом случае их точность будет несколько хуже. Кстати, в проекционно-емкостные панели могут сохранять свою работоспособность даже при повреждении стеклянного основания. Прозрачность емкостных сенсорных панелей с толщиной стекла около 1 мм составляет порядка 90%. Точность емкостных дисплеев несколько ниже, чем у резистивных, зато они без каких-либо проблем поддерживают мультитач.

Другие типы сенсорных панелей

Существуют и другие типы сенсорных поверхностей. В частности сейчас вновь набирают популярность инфракрасные панели, основанные на использовании матрицы ИК-датчиков и ИК-излучателей. Определение места касания осуществляется в цифровой форме, по местам перекрытия ИК-лучей. В отличие от первых реализаций подобных дисплеев увидевших свет еще в 1970-е, за счет миниатюризации и удешевления электроники, современные ИК-панели обеспечивают вполне приличную точность определения координат места касания за счет большого количества излучателей и приемников.

Основной плюс ИК-панелей – возможность использования любых материалов для защиты поверхности дисплея, высокая прозрачность, достигаемая благодаря отсутствию дополнительных токопроводящих слоев, а также реакция на касание любым предметом. В основном ИК-панели актуальны для дисплеев больших диагоналей (до 150 дюймов) и устройств, где важно обеспечить максимальное светопропускание, например, электронных книг.

Еще один вариант реализации «сенсорности» связан с использованием поверхностно-акустических волн. Технически подобные тачскрины представляют собой стеклянную панель, где по углам размещены пьезоэлектрические преобразователи, а по краям находятся отражающие и принимающие датчики.

Принцип работы панели состоит в том, что пьезоэлектрические преобразователи формируют определенные акустические колебания, которые соответственно принимаются или отражаются датчиками. В момент касания подобного дисплея происходит поглощение части акустических волн, которое фиксируется датчиками, на основании сигнала которых управляющая электроника и определяет место касания. Для нажатия на поверхностно-акустические панели можно использовать любые предметы, способные поглощать акустические волны, например, палец или кусок пористой резины. Главный плюс панелей на поверхностно-акустических волнах – возможность определения не только координат, но и силы нажатия. Главный недостаток – неустойчивость к загрязнениям и акустическим шумам. Основное применение – игровые автоматы и различные терминалы, справочные киоски и т.д.

Также существуют сенсорные панели, реагирующие на деформацию поверхности. Например, тензометрические сенсорные панели, хоть и обладают малой точностью, но зато очень вандалоустойчивы, а DST-экраны могут похвастаться высокой скоростью реакции и устойчивостью к загрязнениям. Еще одна разновидность сенсорных панелей, применяемых в профессиональных графических планшетах – индукционные, реагирующие только на специальное перо. Однако в обычных мобильных устройствах подобные дисплеи не встречаются.

Резюме

За годы прошедшие с момента появления первого поколения iPhone сенсорные дисплеи стали привычным атрибутом смартфонов, телефонов среднего класса и даже бюджетных моделей. Да и многие пользователи уже настолько привыкли к тачфонам, что желания вернуться к «кнопкам» у них не возникает, особенно если телефон используется не только для голосовой связи.

Если сравнивать резистивные и емкостные дисплеи, то в производстве резистивные сенсорные панели дешевле, за счет отсутствия сложной управляющей электроники. Однако iPhone задал весьма высокую планку требований к чувствительности сенсорной поверхности, поэтому емкостные тачскрины все чаще появляются даже в бюджетных аппаратах. Естественно, сыграло свою роль и снижение их стоимости, за счет массовости производства. В тоже время в устройствах для чтения электронных книг оснащенных e-ink экранами вполне могут найти применение оптические сенсоры с ИК-матрицей, применение которых исключает появление дополнительного светопоглощающего слоя.  В любом случае, принцип управления мобильными устройствами с помощью пальцев доказал свою актуальность и удобство для пользователя, а значит со временем количество тачфонов будет только расти.