Czym jest panel dotykowy?

Panele dotykowe w dużym stopniu wpływają na postrzeganie jakości i ogólną użyteczność urządzeń mobilnych. Panele dotykowe są głównym sposobem, w jaki użytkownicy wchodzą w interakcję z komputerami mobilnymi, kontrolując wszystko od nawigacji po wprowadzanie danych. Dlatego responsywność, czułość i projektowanie interfejsu tych paneli dotykowych mogą w znacznym stopniu wpłynąć na wrażenia użytkownika z urządzeniem, wpływając na to, jak postrzega jego jakość i użyteczność. Dzięki ciągłym innowacjom te komponenty zyskały na możliwościach i złożoności.

Wielu producentów paneli dotykowych angażuje się w poszukiwanie nowych technologii i ulepszanie istniejących. To zaangażowanie ma na celu zaspokojenie rosnących potrzeb klientów w nowych i innowacyjnych zastosowaniach oraz środowiskach.

Rodzaje ekranów dotykowych

Na długo przed masowym wdrożeniem konsumenckich smartfonów, używanie ekranów dotykowych stało się popularne w celu sterowania korporacyjnymi asystentami cyfrowymi (EDA).

Określane jako „panele dotykowe”, „ekrany dotykowe” lub „digityzery”, te elementy należą do grupy czujników, które przekładają położenie wejścia w fizycznej przestrzeni odniesienia na wejście w przestrzeni cyfrowej.

Te czujniki są często przezroczyste i zintegrowane z wyświetlaczami LCD, tworząc interfejs dotykowy (dotykowy UI), który obecnie znajduje się wszędzie, od samochodów po domowe termostaty. Typy ekranów dotykowych obecnych w dzisiejszych produktach można podzielić na dwie grupy: rezystancyjne i pojemnościowe.

1. Rezystancyjne panele dotykowe

Technologia rezystancyjnego wykrywania dotyku jest stosowana od stosunkowo dawna. Ten rodzaj panelu dotykowego jest powszechnie stosowany ze względu na prostotę konstrukcji, trwałość i elastyczność środowiskową.

Jak sama nazwa wskazuje, panel dotykowy rezystancyjny wykrywa położenie poprzez konwersję fizycznego nacisku na panel dotykowy do zmian oporności.

Projektowanie i funkcjonalność rezystancyjnych paneli dotykowych

Rezystywny panel dotykowy składa się z dwóch folii, które są oddzielone szczeliną powietrzną. Oba folie mają powierzchnie przewodzące prąd elektryczny, które są skierowane do siebie.

Każda z przewodzących powierzchni wykrywa położenie w jednym kierunku; na przykład, górna folia może wykrywać pionowe położenie, a dolna folia może wykrywać poziome położenie. Gdy na panel dotykowy działa siła wejściowa, górna folia zapada się do wewnątrz poza szczeliną powietrzną, tworząc fizyczny kontakt z dolną powierzchnią przewodzącą.

Uzyskane połączenie elektryczne zmienia wartość oporności na zarówno górnej, jak i dolnej powierzchni przewodzącej. Mikrokontroler w urządzeniu mierzy tę nową wartość oporu jako zmianę napięcia, która odpowiada nowej pozycji pionowej i poziomej. Pomiar górnych i dolnych przewodzących powierzchni odbywa się wiele razy na sekundę w celu śledzenia ruchu wejścia, takiego jak rysik, podczas jego przesuwania po panelu dotykowym.

Ograniczenia rezystancyjnego ekranu dotykowego

Mikropęknięcia i zużycie mechaniczne

Ponieważ rezystancyjny panel dotykowy opiera się na fizycznym ruchu górnej warstwy w celu utworzenia połączenia elektrycznego, ten typ panelu dotykowego jest podatny na zużycie mechaniczne. To zużycie mechaniczne występuje, ponieważ każdy fizyczny ruch górnej warstwy powoduje małe mikropęknięcia w przewodzącej powierzchni.

Gdy te mikropęknięcia powiększą się na tyle, że zakłócą połączenie elektryczne między górną a dolną warstwą folii, ekran dotykowy może zacząć działać nieprawidłowo, powodując, że niektóre obszary przestaną reagować na dotyk lub będą reagować w miejscu innym niż to, które zostało dotknięte. Panele dotykowe rezystancyjne wykazujące te objawy są fizycznie zużyte.

Zależności od mikropęknięć

Przyczyny i ramy czasowe powstawania tych pęknięć zależą od wielu czynników, w tym:

• Siła używana do ściskania folii (czasami nazywana siłą aktywacji)
  
• Warunki temperaturowe podczas sprężania

Geometria obiektu używanego do ściskania folii (stylus, palec lub inny obiekt), jak opisano poniżej:

Powszechną przyczyną przyspieszonego powstawania mikropęknięć jest używanie długopisu do aktywacji rezystancyjnego panelu dotykowego.

Końcówka zwykłego długopisu składa się ze stalowej kulki o średnicy około 0,5 mm. Ta stalowa kulka jest zarówno twardsza, jak i mniejsza niż końcówka stylu komputera mobilnego, który jest wykonany z tworzywa sztucznego i ma średnicę około 1,6 mm.

Gdy używany jest przyrząd o małej średnicy, taki jak długopis, nawet typowe siły aktywacji (250–450 g) mogą powodować duże naprężenia w warstwie przewodzącej. Ten wysoki poziom naprężenia prowadzi do przyspieszonej powstawania mikropęknięć.

Dodatkowe uszkodzenia powstają, ponieważ twarda stalowa kula pozostawia również rysy w stosunkowo miększej górnej warstwie panelu dotykowego.

Zalety rezystancyjnego panelu dotykowego

Korzyści, które przyczyniają się do ciągłej aktualności rezystancyjnych paneli dotykowych, obejmują następujące:

Ich zdolność do wykrywania sygnałów użytkownika pomimo zmieniających się warunków środowiskowych. Zależność od fizycznego kontaktu z górną warstwą oraz od późniejszego ucisku tej warstwy powoduje, że czujnik jest trudny do przypadkowego uruchomienia. Kropelki deszczu, śnieg lub inne opady atmosferyczne nie wytwarzają wystarczającej siły, aby ścisnąć górną warstwę panelu dotykowego, dlatego warunki te nie wpływają na jego działanie.

Zależność od fizycznego kontaktu umożliwia aktywację panelu dotykowego przez użytkowników noszących dowolny typ rękawiczek, które pozwalają na wywarcie odpowiedniej siły w celu ściśnięcia warstwy wierzchniej.

2. Kapacytne panele dotykowe

Schemat aktywacji siłowej stosowany w rezystancyjnych panelach dotykowych jest niezawodny i zapewnia elastyczność w różnych warunkach, ale nie pozwala na obsługę wielu dotknięć jednocześnie. Prognostyczny panel dotykowy pojemnościowy został opracowany w celu umożliwienia obsługi wieloekranowej, co skutkuje bardziej intuicyjną obsługą.

Ruchy dłoni, takie jak zaciśnięcie palców do powiększenia, zmniejszają liczbę kroków potrzebnych do interakcji z urządzeniem i upraszczają interfejs użytkownika. To uproszczenie dla użytkownika końcowego wiąże się ze zwiększoną złożonością, zarówno na poziomie sprzętu panelu dotykowego, jak i oprogramowania sterującego.

Design und Funktionalität von kapazitiven Touchpanels

Kapacytny panel dotykowy to bezkontaktowy czujnik, który wykorzystuje zmiany pojemności do pomiaru położenia sygnału wejściowego. Panel dotykowy składa się z dwóch głównych podkomponentów: czujnika i szyby osłonowej.

Konstrukcyjnie czujnik może być wykonany na szklanych lub elastycznych foliach polimerowych; w tym dokumencie opisano jedynie panele dotykowe wykorzystujące folie czujnikowe.

Podobnie jak rezystancyjny czujnik dotykowy, pojemnościowy czujnik składa się z dwóch folii. Każdy film czujnikowy rejestruje wejście w jednej orientacji; wzdłuż osi poziomej lub pionowej. W przypadku pojedynczej orientacji przewodząca powierzchnia folii jest wytrawiana w celu utworzenia siatkowego wzoru komórek przewodzących. Każda komórka generuje pole elektrostatyczne nad powierzchnią czujnika.

Jako że przedmiot przewodzący, taki jak ludzki palec, zostaje wprowadzony do wyznaczonego pola elektrostatycznego, część ładunku jest sprzężona pojemnościowo z przedmiotem. Mikrokontroler następnie mierzy nową pojemność jako zmianę napięcia, która jest następnie przekształcana na pozycję na panelu dotykowym, a ostatecznie na wyświetlaczu.

Czujnik mikrokontrolera i oprogramowanie sprzętowe

Ponieważ ta technika mierzy każdą komórkę przewodzącą niezależnie, wiele razy na sekundę, wszystkie pojemnościowe panele dotykowe wymagają specjalizowanego mikrokontrolera IC. Oprogramowanie sprzętowe działające w tym układzie scalonym może kontrolować wiele szczegółów działania panelu dotykowego. Obejmuje to odległość od czujnika, w której obiekt przewodzący zostanie zarejestrowany jako dotyk (czułość), rozmiar obiektu, który zostanie zarejestrowany jako dotyk (rozdzielczość), oraz częstotliwość aktualizacji pozycji. Unikalnie dostrojone oprogramowanie sprzętowe i układy scalone wchodzą w interakcje z systemem operacyjnym urządzenia mobilnego na różne sposoby, dlatego też zmiany w tych elementach często wymagają aktualizacji sterowników systemu operacyjnego.

Ograniczenia pojemnościowego ekranu dotykowego

Najtrudniejszym trybem awarii, którego nie da się zapobiec w pojemnościowych panelach dotykowych, są uszkodzenia spowodowane uderzeniami punktowymi. Uderzenia mechaniczne występują na różne sposoby, ale najczęściej, gdy urządzenie spada na nierówną powierzchnię, taką jak żwir czy asfalt.

Gdy urządzenie zostanie upuszczone twarzą w dół, małe wypustki na powierzchni uderzeniowej stykają się z panelem dotykowym. Ponieważ takie wypukłości mają bardzo małą powierzchnię styku, lokalne naprężenia na panelu dotykowym mogą osiągnąć poziom wystarczający do spękania nawet szkła wzmocnionego chemicznie. Tego typu usterki można ograniczyć dzięki konstrukcji urządzenia, ale nadal są główną przyczyną ogólnych uszkodzeń pojemnościowych paneli dotykowych.

Zalety pojemnościowego panelu dotykowego

Optymalizacja wydajności

Projekt matrycy czujnika, układ scalony sterownika i oprogramowanie sterownika wpływają na ogólne właściwości robocze paneli dotykowych. Te czynniki można dostosować, aby umożliwić panelowi dotykowemu działanie w różnych warunkach, np. pod wpływem deszczu lub gdy obiekt wejściowy nie jest przewodzący (np. ręka w rękawiczkach).

Dostrojenie stanowi złożony problem optymalizacyjny, w którym można poprawić wydajność, ale nie zawsze można ją uczynić bezbłędną. Panele dotykowe mogą być specjalnie zoptymalizowane pod znane środowiska klientów, aby zmaksymalizować elastyczność.

W tym obszarze ciągłych innowacji dostawców paneli dotykowych nowe produkty będą wykorzystywać najlepsze możliwe rozwiązania, aby zaspokoić potrzeby swoich klientów.

Wytrzymałość mechaniczna i elastyczność

Podczas gdy sam czujnik zapewnia funkcjonalność panelu dotykowego pojemnościowego, szkło pokrywające zapewnia strukturę i odporność mechaniczną. Szkło pokrywowe jest często dwukrotnie grubsze niż czujnik, chociaż w niektórych zastosowaniach przemysłowych jest nawet większe.

Czujnik i szkiełko pokrywające są zazwyczaj połączone za pomocą przezroczystego kleju optycznego (OCA), który nadaje czujnikowi jednolitą wytrzymałość mechaniczną. Odporność szkła osłonowego na uszkodzenia wzrosła w ciągu ostatniej dekady dzięki wprowadzeniu szkła „wzmacnianego chemicznie”. Ten rodzaj szkła zwiększa zdolność panelu dotykowego do zginania się bez pękania, a także jest odporny na zarysowania. Wytrzymałość na zginanie jest ważną właściwością przy opracowywaniu produktu, który musi przetrwać upadki z różnych wysokości.

Podczas upadków struktura produktu ulega odkształceniu, powodując wygięcie panelu dotykowego; panele dotykowe wykonane ze szkła hartowanego mogą wytrzymać większe odkształcenia bez powstania pęknięć w zewnętrznej powłoce szkła. Ponadto, szkło hartowane chemicznie ma większą twardość powierzchni w porównaniu do szkła niehartowanego; skutkuje to stosunkowo wyższym stopniem odporności na zarysowania.

Wiele firm produkuje szkło hartowane chemicznie, ale szkło Corning Gorilla Glass jest obecnie uważane za najbardziej wytrzymałe.

Producenci nadal wybierają rodzaj używanego panelu dotykowego w nowych produktach na podstawie opinii swoich klientów. Aktualne trendy wskazują na potrzebę klientów w zakresie intuicyjnych interfejsów użytkownika i elastyczności środowiskowej. Te potrzeby sprawiły, że pojemnościowy panel dotykowy (który umożliwia odpychanie wody i obsługę w rękawiczkach) zdominował aktualną mapę drogową produktów. W konsekwencji integracja rezystancyjnych paneli dotykowych spadła, chociaż nadal pełnią one rolę niszową dla urządzeń wykorzystujących interfejsy użytkownika o niskiej złożoności.

Stworzyliśmy bardziej szczegółowy przewodnik dotyczący typów i technologii paneli dotykowych.