Сенсорний екран телефона не відчуває сили натиску — він вимірює електричну ємність. Під склом лежить сітка прозорих доріжок, оточена слабким електричним полем. Палець проводить струм, тож у точці дотику він трохи змінює це поле, і контролер помічає зміну за частки мілісекунди. Тому екран слухається легкого доторку, але мовчить під натиском крізь звичайну рукавичку.
Сенсорний екран — це шар прозорих електродів під захисним склом поверх дисплея, який реагує на зміну електричного поля від пальця й перетворює місце дотику на пару координат для операційної системи. Він відповідає лише за введення — решту вузлів апарата розбирає стаття про будову сучасного смартфона.
Чому сітка під склом помічає палець
Скло дотику не відчуває — його зчитує сітка електродів під ним. Людське тіло проводить електрику. Палець поруч із доріжкою спотворює її слабке електричне поле, і контролер читає це спотворення як дотик.
Вимірюють спотворення двома способами. У режимі self-capacitance (власна ємність) палець додає окремому електроду від 1 до 10 пікофарад. У режимі mutual capacitance (взаємна ємність) палець перехоплює частину поля між двома електродами. Спільна ємність пари падає менш ніж на 1 пікофарад.
Величини мізерні. Контролери ловлять зміни в сотні фемтофарад — це тисячні частки пікофарада. Поле зручно уявляти натягнутою невидимою сіткою: палець її не рве, а лише прогинає в одній точці.
З чого зроблений сенсорний шар під склом
Сенсорний шар — це майже невидимі прозорі доріжки, які утворюють сітку електродів. Найчастіше їх роблять з оксиду індію та олова, скорочено ITO. Він проводить струм і водночас пропускає світло, тому не затуляє зображення на дисплеї.
Така плівка тонша за сотню нанометрів і пропускає близько 90 % видимого світла. Доріжки формують у вигляді ромбів, щоб під пальцем опинялося більше чутливої площі. Індій не єдиний варіант: через екологічну ціну його видобутку частину панелей роблять на сріблі.
Якщо зрізати екран збоку, шари згори вниз виглядають так:
- олеофобне покриття, яке зменшує сліди жиру;
- захисне скло;
- прозора сітка сенсорних електродів;
- дисплей, що показує зображення.
Верхні шари координат не рахують. Цю роботу виконує сітка електродів, схована під склом.
Як контролер знаходить точку дотику й скільки разів на секунду перевіряє екран
Контролер сканує перетини передавальних і приймальних доріжок. Кожна пара «рядок — стовпець» має власне значення ємності, і система постійно звіряє його зі станом екрана без пальця.
Коли значення просідає одразу на кількох сусідніх вузлах, контролер обчислює центр цієї плями. Тому координата виходить точнішою за крок самої сітки. Взаємна ємність дає й коректний мультитач. Система бачить конкретні перетини, тож два пальці по діагоналі не породжують ще двох фантомних дотиків у кутах уявного прямокутника.
Частота опитування не дорівнює частоті оновлення картинки. Наприклад, у специфікації панелі RedMagic 11 Pro зазначено оновлення зображення до 144 разів за секунду, а найвищу частоту опитування дотику — 3000 разів за секунду; для кількох пальців заявлено 360 Гц. Для звичайних смартфонів у галузевих оглядах типовим орієнтиром називають близько 240 Гц, тобто новий замір приблизно кожні 4,17 мілісекунди.
Ця швидкість має сенс, бо людина чутливіша до затримки, ніж заведено думати: у лабораторних вимірюваннях поріг помітності на перетягуванні пальцем становив від 6 до 11 мілісекунд. Сам палець при цьому інструмент неточний: радіус, потрібний для 95 % влучань, коливається від 7 міліметрів у центрі екрана до 12 міліметрів у нижніх кутах.
Далі координати стають жестом. Система дивиться, скільки палець пробув на місці й куди рушив. Коротке торкання читається як тап, протяжка — як свайп, затримка — як довге натискання. Що робити з розпізнаним жестом, вирішує вже застосунок.
Резистивний екран: як це працювало до ємнісних
Резистивний екран реагує на фізичне натискання. Усередині нього два прозорі провідні шари, розділені мікроскопічними точками. Під тиском верхній прогинається й торкається нижнього, а зміна опору вказує координату.
Звідси його звички: працює в рукавичках і слухається будь-якого твердого предмета. Проте повноцінного мультитачу він зазвичай не дає. Тому сьогодні такі панелі лишилися там, де цінують терпимість до рідин і бруду: у ресторанах, лікарнях, на виробництві та в платіжних терміналах.
| Ознака | Резистивний екран | Ємнісний екран |
|---|---|---|
| Принцип | Змикання двох шарів від натиску | Зміна електричного поля |
| Мультитач | Зазвичай немає | Є в mutual-системах |
| Рукавички | Працює від тиску | Потрібен провідний зв’язок |
| Вода | Терпить рідину: крапля не тисне | Крапля заважає, потрібне окреме розпізнавання |
| Чим торкатися | Пальцем або твердим предметом | Пальцем, сумісним стилусом чи провідною рукавичкою |
Куди зник окремий сенсорний шар: in-cell і on-cell
Сенсор дедалі рідше буває окремою плівкою — його вбудовують у сам дисплей. Куди саме, залежить від того, на якій матриці побудований екран: OLED і LCD влаштовані по-різному.
У LCD електроди ховають усередину рідкокристалічної комірки — це називають in-cell. Першим масовим апаратом із такою панеллю став iPhone 5 у 2012 році. В OLED-панелях застосовують on-cell: технологія Y-OCTA від Samsung Display кладе сенсор просто на шар тонкоплівкової інкапсуляції над випромінювальним шаром.
Виграш відчутний. У Y-OCTA конструкція має вісім шарів замість десяти. Сенсорна плівка, яку прибирають, за даними Samsung Display, зазвичай становить від 6 до 11 % товщини панелі. Тому гнучкий чи складаний екран уже не потребує окремого жорсткого сенсорного шару.
Чому екран не слухається в рукавичках і під дощем
У звичайній рукавичці між пальцем і сенсором зникає електростатичний зв’язок, тому дотик для екрана невидимий. Виняток — рукавички з провідними волокнами, вплетеними в пальці. Виробники сенсорних панелей називають межу товщини такої рукавички приблизно в 5 міліметрів.
Захисне скло чи плівка теж послаблюють сигнал, адже відсувають палець від електродів. Саме тому виробники додають окреме налаштування підвищеної чутливості й радять вмикати його, коли на екрані є плівка чи скло: контролер тоді зараховує як дотик і слабшу зміну поля.
Крапля води діє на сітку інакше, ніж палець. Вода посилює ємнісний зв’язок у вузлі, а палець краде частину заряду й ємність зменшує. На цій протилежності знаків і побудований алгоритм water rejection, тобто відсіювання води. Дотик мають підтвердити обидва режими вимірювання, а сигнал лише від одного екран відкидає.
Перший сенсорний екран для пальця описав Ерік Джонсон у 1965 році. Він шукав спосіб пришвидшити роботу диспетчерів повітряного руху. У 2007 році вийшли перші ємнісні сенсорні телефони, і за кілька років такий спосіб керування став масовим. Наступний крок уже видно: сенсор переїжджає всередину дисплея, і межа між склом, картинкою та керуванням поступово зникає.
