Сенсорный экран телефона распознает не силу нажатия, а изменение электрической емкости у поверхности стекла. Под его поверхностью находится сетка прозрачных электродов со слабым электрическим полем. Палец проводит ток, меняет поле в точке касания, а контроллер за доли миллисекунды вычисляет координаты. Поэтому дисплею достаточно легкого прикосновения, но обычная перчатка для него почти незаметна.
Сенсорный экран — это слой прозрачных электродов под защитным стеклом над дисплеем, который реагирует на изменение электрического поля от пальца и передает операционной системе координаты касания. Он отвечает только за ввод, а об остальных компонентах рассказывает материал про устройство современного смартфона.
Почему сетка под стеклом замечает палец
Само стекло ничего не чувствует: касание считывает сетка электродов под ним. Тело человека проводит электричество, поэтому палец рядом с дорожкой меняет ее слабое электрическое поле. Контроллер воспринимает это изменение как прикосновение.
Есть два основных способа измерения. В режиме self-capacitance, или собственной емкости, палец добавляет отдельному электроду от 1 до 10 пикофарад. В режиме mutual capacitance, взаимной емкости, палец перехватывает часть поля между двумя электродами. Общая емкость такой пары уменьшается менее чем на 1 пикофарад.
Это очень малые величины. Контроллеры замечают изменения в сотни фемтофарад — тысячных долей пикофарада. Электрическое поле можно представить как натянутую невидимую сетку: палец не разрывает ее, а слегка прогибает в одной точке.
Из чего состоит сенсорный слой под стеклом
Сенсорный слой состоит из почти невидимых прозрачных дорожек, образующих сетку электродов. Чаще всего их делают из оксида индия и олова, или ITO. Этот материал проводит электричество и пропускает свет, поэтому картинка на дисплее остается хорошо видна.
Пленка ITO тоньше ста нанометров и пропускает около 90 % видимого света. Дорожки часто делают ромбовидными: так под пальцем оказывается больше чувствительной площади. Индий не единственный вариант — в части панелей электроды делают из серебра, в том числе из-за экологической цены добычи индия.
Если посмотреть на экран в разрезе, слои сверху вниз будут такими:
- олеофобное покрытие, уменьшающее жирные следы;
- защитное стекло;
- прозрачная сетка сенсорных электродов;
- дисплей, который выводит изображение.
Верхние слои не вычисляют координаты. Эту работу выполняет электродная сетка, скрытая под стеклом.
Как контроллер находит точку касания и как часто опрашивает экран
Контроллер последовательно проверяет пересечения передающих и приемных дорожек. У каждой пары «строка — столбец» есть свое значение емкости, которое система постоянно сравнивает с исходным значением без касания.
Если значение меняется сразу в нескольких соседних узлах, контроллер вычисляет центр этой области. Координата получается точнее шага самой сетки. Взаимная емкость помогает корректно распознавать мультитач: два пальца по диагонали не создают два ложных касания в углах воображаемого прямоугольника.
Частота опроса сенсора и частота обновления изображения — разные параметры. У RedMagic 11 Pro заявлено обновление картинки до 144 раз в секунду, а максимальная частота опроса касаний — до 3000 Гц; для нескольких пальцев указано 360 Гц. Для обычных смартфонов распространенным ориентиром считают около 240 Гц, то есть новое измерение примерно каждые 4,17 миллисекунды.
Такая скорость важна: в лабораторных измерениях задержка при перетаскивании пальцем становится заметной уже примерно через 6–11 миллисекунд. Сам палец тоже не слишком точный инструмент: радиус, нужный для 95 % попаданий, составляет от 7 миллиметров в центре экрана до 12 миллиметров в нижних углах.
Затем координаты превращаются в жест. Система учитывает, как долго палец оставался на месте и куда он переместился. Короткое касание становится тапом, движение — свайпом, задержка — долгим нажатием. Дальше решение принимает приложение.
Как работали резистивные экраны
Резистивный экран реагирует именно на физическое давление. Внутри у него два прозрачных проводящих слоя, разделенных микроскопическими точками. При нажатии верхний слой прогибается и касается нижнего, а изменение сопротивления помогает определить координаты.
Отсюда его особенности: он работает в перчатках и реагирует на любой твердый предмет. Но полноценного мультитача обычно не дает. Поэтому такие панели остались там, где важна устойчивость к жидкостям и загрязнениям: в ресторанах, больницах, на производстве и в платежных терминалах.
| Признак | Резистивный экран | Емкостный экран |
|---|---|---|
| Принцип | Смыкание двух слоев при нажатии | Изменение электрического поля |
| Мультитач | Обычно отсутствует | Есть в системах mutual capacitance |
| Перчатки | Работает от давления | Нужна проводящая связь |
| Вода | Капля не создает давления | Капля мешает, нужен отдельный алгоритм |
| Чем касаться | Пальцем или твердым предметом | Пальцем, совместимым стилусом или проводящей перчаткой |
Куда исчез отдельный сенсорный слой: in-cell и on-cell
Сенсор все реже делают отдельной пленкой: его встраивают прямо в дисплей. Конкретное место зависит от матрицы, ведь OLED и LCD устроены по-разному.
В LCD электроды могут находиться внутри жидкокристаллической ячейки — эту технологию называют in-cell. Одним из первых массовых устройств с такой панелью стал iPhone 5 в 2012 году. В OLED-панелях применяют on-cell: технология Y-OCTA от Samsung Display размещает сенсор на слое тонкопленочной инкапсуляции над излучающим слоем.
Конструкция становится тоньше. В Y-OCTA восемь слоев вместо десяти, а удаляемая сенсорная пленка, по данным Samsung Display, обычно составляет 6–11 % толщины панели. Поэтому гибкому или складному экрану не нужен отдельный жесткий сенсорный слой.
Почему экран не реагирует в перчатках и под дождем
Обычная перчатка разрывает электростатическую связь между пальцем и сенсором, поэтому экран не распознает касание. Исключение — перчатки с проводящими волокнами на пальцах. Производители сенсорных панелей называют ориентиром толщину такой перчатки около 5 миллиметров.
Защитное стекло или пленка тоже ослабляют сигнал, поскольку увеличивают расстояние до электродов. Поэтому производители добавляют режим повышенной чувствительности: контроллер начинает считать касанием и более слабое изменение поля.
Капля воды действует не так, как палец. Вода усиливает емкостную связь в узле, а палец забирает часть заряда, из-за чего емкость уменьшается. На этой разнице построен алгоритм защиты от ложных срабатываний из-за воды. Касание должны подтвердить оба режима измерения, а сигнал только от одного из них экран отбрасывает.
Первый сенсорный экран для управления пальцем описал Эрик Джонсон в 1965 году: он искал способ ускорить работу авиадиспетчеров. В 2007 году появились первые емкостные сенсорные телефоны, и за несколько лет этот способ управления стал массовым. Следующий шаг уже заметен: сенсор уходит внутрь дисплея, а граница между стеклом, изображением и управлением постепенно стирается.
