Как работает сенсорный экран

Экран телефона не реагирует на давление. Можно ткнуть в него со всей силы карандашом и не добиться ничего, а можно едва коснуться пальцем и получить отклик. Дело в том, что под стеклом лежит сетка прозрачных электродов, между которыми постоянно гуляет слабое электрическое поле. Палец - проводник, соединённый с большой массой человеческого тела, и его приближение забирает на себя часть заряда. Контроллер видит, в каком месте сетки поле просело, и называет это координатами касания.

Сетка под стеклом

Сенсорный слой устроен как два набора тонких дорожек: один идёт горизонтальными линиями, другой вертикальными, между ними изолятор. Получается решётка с шагом в несколько миллиметров, обычно около четырёх-пяти.

Дорожки обязаны быть прозрачными, иначе картинка под ними превратилась бы в клетчатую тюль. Поэтому их делают из оксида индия и олова - материала, который проводит ток и при этом пропускает свет, если нанести его слоем в доли микрона. В более новых экранах вместо сплошной плёнки используют сетку из металлических нитей толщиной меньше, чем различает глаз: дешевле и не так хрупко на сгибах.

Контроллер по очереди подаёт импульс на каждую строку и одновременно слушает все столбцы. В каждом пересечении строки и столбца образуется крошечный конденсатор, и прибор меряет, сколько заряда через него прошло. Полный обход всей решётки повторяется десятки и сотни раз в секунду. То есть экран не ждёт касания, а непрерывно опрашивает сам себя и сравнивает результат с тем, что было мгновение назад.

Что происходит, когда палец касается

Тело человека содержит много воды с растворёнными солями и в масштабах электроники ведёт себя как проводник приличного размера. Когда палец подходит к пересечению дорожек, часть силовых линий поля, которая раньше шла от строки к столбцу, уходит в палец.

До столбца доходит меньше заряда, чем обычно. Контроллер фиксирует провал именно в этом узле, и по номеру строки со столбцом получает точку. Заметим, что физического контакта не требуется: экран замечает палец ещё до касания, просто изменение слишком слабое и его отсекают порогом, чтобы избежать ложных срабатываний.

Существует и второй режим измерения, когда электрод меряет свою собственную ёмкость относительно земли. Он чувствительнее и позволяет заметить палец на большем расстоянии, но у него есть неприятное свойство: два пальца дают всплеск в двух строках и двух столбцах, а какие из четырёх пересечений настоящие, понять невозможно. Поэтому для распознавания нескольких касаний используют измерение в пересечениях, а более чувствительный режим оставляют для пробуждения экрана и приближения к нему.

Откуда берётся точность выше шага сетки

Сетка редкая, а курсор ставится с точностью до пикселя. Секрет в том, что подушечка пальца перекрывает сразу несколько узлов и меняет их сигнал по-разному: сильнее в центре пятна, слабее по краям.

Контроллер собирает эти значения и вычисляет центр тяжести пятна, взвешивая каждый узел по величине изменения. Получается координата между узлами, а не в узле. Так из решётки с шагом в пять миллиметров получается разрешение в доли миллиметра.

Из того же расчёта следует, что экран знает не только точку, но и площадь с формой пятна. По ним отличают подушечку пальца от ребра ладони, лежащей на планшете, и от щеки во время разговора - именно поэтому экран гаснет и не нажимает кнопки, когда телефон прижат к уху.

Почему работает палец, но не карандаш

Нужен проводник, соединённый с достаточно большой массой. Деревянный карандаш и пластиковая ручка не проводят ток, поэтому поле они не искажают и остаются для экрана невидимыми.

Обычная перчатка становится изолирующей прослойкой: она отодвигает проводящий палец на миллиметр-другой, и изменение падает ниже порога. В перчатках для сенсорных экранов в кончики пальцев вплетают проводящие нити, которые продолжают палец наружу и восстанавливают связь.

Пассивный стилус с мягким наконечником работает по тому же принципу: резина или ткань проводят ток, ручка соединена с рукой, а широкий кончик создаёт пятно, похожее на палец. Тонким наконечником такой стилус сделать нельзя - пятно станет слишком маленьким и сигнал утонет в шуме.

Активный стилус решает задачу иначе: у него есть питание, и он сам излучает сигнал, синхронизированный с опросом экрана. Тогда контроллер ловит не искажение поля, а собственный сигнал пера, и потому знает про перо больше: как сильно на него нажали и под каким углом держат. Заодно экран отличает перо от ладони и не портит линию, когда рука лежит на планшете.

Мультитач: как экран считает пальцы

Измерение в пересечениях даёт не одну точку, а полную карту изменений по всей решётке. По ней контроллер выделяет отдельные пятна, как остров на карте высот, и следит за каждым по отдельности от касания до отрыва.

Каждому пятну присваивается свой номер, который сохраняется, пока палец не оторван. Благодаря этому программа получает не просто набор точек, а траектории: этот палец поехал вправо, тот стоит на месте. Расхождение двух траекторий превращается в увеличение картинки, поворот пары точек друг относительно друга - в поворот изображения.

Число одновременно различаемых пятен ограничено не физикой, а производительностью контроллера: карту нужно обработать целиком за один цикл опроса, а циклов должно быть много в секунду, иначе линия под пальцем начнёт отставать.

Резистивные экраны и где они остались

До ёмкостных экранов господствовала другая схема, и в терминалах, кассовом оборудовании и промышленной технике она встречается до сих пор.

Там два гибких прозрачных слоя с проводящим покрытием разделены микроскопическими точками-распорками и в обычном состоянии не касаются друг друга. Нажатие продавливает верхний слой до контакта с нижним. Дальше контроллер подаёт напряжение вдоль одного слоя и меряет, какое напряжение получилось в точке контакта на другом: слой работает как делитель, и по доле напряжения вычисляется координата. Потом слои меняются ролями, и находится вторая координата.

У схемы есть достоинство: она реагирует на что угодно - ноготь, перчатку, стилус, отвёртку. И два недостатка, из-за которых её вытеснили: одновременное касание в двух местах даёт бессмысленную усреднённую точку, а лишние слои плёнки заметно приглушают яркость и чёткость картинки.

Большие экраны: рамки и звук

На экране размером с дверь сетку электродов тянуть неудобно и дорого, поэтому там работают другие принципы.

Инфракрасная рамка ставит по двум сторонам экрана линейки светодиодов, а по двум противоположным - линейки приёмников. Над поверхностью получается невидимая решётка лучей. Палец перекрывает один луч по горизонтали и один по вертикали, и пересечение теней даёт координату. Такому экрану всё равно, чем в него тыкают, и он не требует ничего поверх стекла, зато срабатывает от мухи и от пыли на рамке.

Второй вариант - поверхностные акустические волны. По стеклу пускают ультразвук, отражатели по краям гоняют его через всю поверхность, а приёмник слушает. Палец гасит волну, и по задержке провала вычисляется точка. Такой экран очень прочный, но капля воды на стекле гасит звук так же, как палец.

Почему экран сходит с ума от воды и плохой зарядки

Вода - проводник, и растекается она не точкой, а лужей. Пятно из воды меняет сигнал сразу во многих узлах, контроллер видит одно огромное касание или несколько сразу и начинает нажимать всё подряд. Мокрый палец добавляет к этому размытый край пятна, и центр тяжести скачет.

Вторая частая причина хаоса - электрические помехи от зарядного устройства. Экран меряет крошечные величины, а плохой блок питания выдаёт напряжение с высокочастотной пульсацией и подмешивает её в телефон. Помеха попадает в тот же диапазон, что и полезный сигнал, и контроллер принимает её за касания. Отсюда знаменитый эффект призрачных нажатий, который проходит, стоит отключить зарядку.

Бороться с этим помогает то же, чем борются с шумом в радиосвязи: экран опрашивает сетку не на одной частоте, а перескакивая между несколькими, и выбирает ту, где помех меньше.

Как это собрано в телефоне

В простой конструкции слоёв три: защитное стекло сверху, под ним сенсорная плёнка с сеткой электродов, под ней сама матрица дисплея. Между слоями - оптический клей, вытесняющий воздух, иначе на каждой границе часть света отражалась бы и картинка выцветала.

В современных телефонах сенсор чаще всего не отдельный слой, а часть дисплея: электроды встроены прямо в конструкцию матрицы, а иногда их роль по совместительству играют уже имеющиеся там управляющие электроды. Экран становится тоньше, ярче и дешевле в сборке.

У такой интеграции есть обратная сторона, знакомая всем по ремонту. Разбитое защитное стекло на разделённой конструкции можно поменять отдельно, а в интегрированной сенсор, матрица и стекло склеены в один модуль, и меняется он целиком.