Что такое сенсорная панель?

Сенсорные панели значительно улучшают восприятие качества и общую удобство использования мобильного устройства. Сенсорные панели — это основной способ взаимодействия пользователей с мобильными компьютерами, который позволяет управлять всем: от навигации до ввода данных. Таким образом, скорость отклика, чувствительность и дизайн интерфейса этих сенсорных панелей могут значительно влиять на взаимодействие пользователя с устройством, определяя восприятие его качества и удобства использования. Благодаря постоянным инновациям, эти компоненты стали более функциональными и сложными.

Многие производители сенсорных панелей стремятся к внедрению новых технологий и улучшению существующих. Эта приверженность направлена на удовлетворение растущих потребностей клиентов в новых и инновационных приложениях и условиях.

Типы сенсорных панелей

Задолго до массового распространения потребительских смартфонов, использование сенсорных панелей стало популярным для управления корпоративными цифровыми помощниками (EDA).

Известные как «сенсорные панели», «сенсорные экраны» или «диджитайзеры», эти компоненты являются частью группы датчиков, которые преобразуют позицию ввода из физического пространства в цифровое пространство.

Эти датчики часто прозрачные и интегрированы с ЖК‑дисплеями для создания сенсорного пользовательского интерфейса (сенсорного UI), который теперь присутствует повсюду — от автомобилей до домашних термостатов. Типы сенсорных панелей, присутствующие в современных продуктах, можно разделить на две группы: резистивные и емкостные.

1. Резистивные сенсорные панели

Технология резистивных сенсорных панелей существует относительно давно. Этот тип сенсорной панели часто используется благодаря простоте конструкции, надежности и устойчивости к внешним условиям.

Как следует из названия, резистивная сенсорная панель определяет положение, преобразуя физическое нажатие на панель в изменения сопротивления.

Конструкция и функциональность резистивных сенсорных панелей

Резистивная сенсорная панель состоит из двух пленок, разделенных воздушным зазором. Обе пленки имеют электрически проводящие поверхности, обращенные друг к другу.

Каждая из проводящих поверхностей определяет положение в одной ориентации; например, верхняя пленка может определять вертикальное положение, а нижняя — горизонтальное. Когда сила приложена к сенсорной панели, верхняя пленка прогибается внутрь за пределы воздушного зазора, чтобы установить физический контакт с нижней проводящей поверхностью.

В результате образуется электрическое соединение, которое изменяет значение сопротивления на верхней и нижней проводящих поверхностях. Микроконтроллер в устройстве измеряет это новое значение сопротивления как изменение напряжения, что соответствует новой вертикальной и горизонтальной позиции. Измерение верхней и нижней проводящих поверхностей происходит много раз в секунду для отслеживания ввода, например, стилуса, когда он перемещается по сенсорной панели.

Ограничения резистивной сенсорной панели

Микротрещины и механический износ

Поскольку резистивная сенсорная панель зависит от физического перемещения верхней пленки для создания электрического соединения, этот тип сенсорной панели подвержен механическому износу. Этот механический износ происходит, потому что каждое физическое движение верхней пленки вызывает небольшие микротрещины в проводящей поверхности.

Как только эти микротрещины становятся достаточно большими, чтобы нарушить электрическое соединение между верхней и нижней пленками, сенсорная панель может развить неработающие участки или казаться реагирующей в другом месте, чем то, что было активировано. Резистивные сенсорные панели, проявляющие эти симптомы, физически износились.

Зависимость микротрещин

Причины и сроки образования этих трещин зависят от многих факторов, в том числе:

• Сила, используемая для сжатия пленок (иногда называется силой активации)
  
• Температурные условия во время сжатия

Геометрия объекта, используемого для сжатия пленок (стилус, палец или другой объект), описана ниже:

Распространенной основной причиной ускоренного микротрещинообразования является использование шариковой ручки для активации резистивной сенсорной панели.

Кончик обычной шариковой ручки состоит из стального шарика с приблизительным диаметром 0,5 мм. Этот стальной шарик одновременно тверже и меньше наконечника стилуса мобильного компьютера, который сделан из пластика и имеет диаметр около 1,6 мм.

Когда используется инструмент малого диаметра, например, шариковая ручка, даже типичные усилия активации (250-450 граммов) могут привести к высоким напряжениям в проводящем слое. Это высокое напряжение приводит к ускоренному образованию микротрещин.

Дополнительное повреждение происходит, так как твердый стальной шар также оставляет царапины на сравнительно более мягкой верхней пленке сенсорной панели.

Преимущества резистивных сенсорных панелей

Преимущества, которые способствуют сохранению актуальности резистивных сенсорных панелей, включают следующее:

Их способность считывать ввод пользователя, несмотря на изменяющиеся условия окружающей среды. Опора на физический контакт с последующим сжатием верхней пленки создает датчик, который сложно активировать случайно. Капли дождя, снег или другие осадки не создают достаточно усилия для сжатия верхней пленки сенсорной панели; следовательно, эти условия окружающей среды не влияют на работу.

Зависимость от физического контакта позволяет активировать сенсорную панель пользователям, носящим любые перчатки, которые позволяют приложить достаточную силу для сжатия верхней пленки.

2. Емкостные сенсорные панели

Схема активации на основе силы, используемая в резистивных сенсорных панелях, является надежной и обеспечивает гибкость в условиях использования, но не позволяет использовать несколько касаний одновременно. (Проекционно) емкостная сенсорная панель была разработана для обеспечения ввода с помощью нескольких касаний и, как следствие, создает более интуитивно понятный пользовательский интерфейс.

Входные жесты, такие как «щипок для увеличения», снижают количество шагов, необходимых для взаимодействия с устройством, и упрощают пользовательский интерфейс. Это упрощение для конечного пользователя сопровождается увеличением сложности как на уровне аппаратного обеспечения сенсорной панели, так и на уровне управляющего программного обеспечения.

Дизайн и функциональность  емкостных сенсорных панелей

Емкостная сенсорная панель — это бесконтактный датчик, который использует изменения емкости для измерения позиции ввода. Сенсорная панель состоит из двух основных компонентов: датчика и защитного стекла.

Структурно сенсор может быть создан на стекле или гибких полимерных пленках; для иллюстрации в этом документе описываются только сенсорные панели, использующие пленочные сенсоры.

Как и резистивный сенсорный сенсор, емкостный сенсор состоит из двух пленок. Каждая пленка считывает ввод в одной ориентации; либо вдоль горизонтальной, либо вертикальной оси. Для одной ориентации проводящая поверхность пленки вытравливается, чтобы создать сетку из проводящих ячеек. Каждая ячейка проецирует электростатическое поле над поверхностью сенсора.

Когда проводящий объект, например человеческий палец, попадает в проецируемое электростатическое поле, часть заряда капацитивно соединяется с объектом. Микроконтроллер затем измеряет новую ёмкость как изменение напряжения, которое затем преобразуется в позицию на сенсорной панели и, в конечном итоге, на дисплее.

Интегральная схема микроконтроллера и встроенное программное обеспечение

Поскольку этот метод измеряет каждую проводящую ячейку независимо, много раз в секунду, все емкостные сенсорные панели требуют специализированной микросхемы контроллера. Прошивка, выполняемая этой микросхемой, может контролировать множество деталей работы сенсорной панели. Это включает дистанцию от датчика, на которой проводящий объект будет зарегистрирован как касание (чувствительность), размер объекта, который будет зарегистрирован как касание (разрешающая способность), и частоту обновления позиции. Уникально настроенная прошивка и микросхемы взаимодействуют с ОС мобильного устройства по-разному; поэтому изменения в этих элементах часто требуют обновлений драйверов ОС.

Ограничения емкостной сенсорной панели

Наиболее сложным режимом отказа, который трудно предотвратить на емкостных сенсорных панелях, является повреждение из-за точечных ударов. Точечные удары происходят по-разному, но чаще всего, когда устройство падает на неровную поверхность, такую как гравий или асфальт.

Когда устройство падает лицевой стороной вниз, небольшие выступы на поверхности касания контактируют с сенсорной панелью. Поскольку такие выступы имеют очень малую площадь контакта, локальное напряжение на сенсорной панели может достигать уровней, достаточных для трещины даже в химически укрепленном стекле. Такие неисправности можно уменьшить за счет конструктивных решений устройства, но они остаются основным источником повреждений сенсорных панелей емкостного типа.

Преимущества емкостной сенсорной панели

Оптимизация производительности

Дизайн схемы сенсора, контроллер IC и прошивка контроллера все вместе влияют на общие характеристики производительности сенсорных панелей. Эти факторы можно настроить, чтобы панель работала в различных условиях, например, под дождем или когда объект ввода не проводит ток (в рукавица́х).

Настройка представляет собой сложную задачу оптимизации, при которой производительность можно улучшить, но не всегда сделать её безупречной. Сенсорные панели могут быть специально оптимизированы для известных условий эксплуатации, чтобы максимизировать гибкость.

В области постоянных инноваций у поставщиков сенсорных панелей новые продукты будут использовать наилучшие решения для удовлетворения потребностей их клиентов.

Механическая прочность и устойчивость

Хотя сам сенсор обеспечивает функциональный аспект емкостной сенсорной панели, защитное стекло придаёт структуру и механическую устойчивость. Защитное стекло часто вдвое толще сенсора, хотя в некоторых промышленных приложениях оно бывает ещё толще.

Сенсор и защитное стекло обычно ламинируются вместе с использованием оптически прозрачного клея (OCA), который придаёт сенсору равномерную механическую прочность. Прочность защитного стекла улучшилась за последнее десятилетие с внедрением „химически упрочнённого“ стекла. Этот тип стекла увеличивает способность сенсорной панели изгибаться без разрушения, а также устойчив к царапинам. Прочность на изгиб — важное свойство при разработке продукта, который должен выдерживать падения с различных высот.

Во время падений структура продукта деформируется, вызывая изгиб сенсорной панели; сенсорные панели из химически упрочнённого стекла могут выдерживать большее количество изгибов, не образуя трещин на покрывающем стекле. Кроме того, химически упрочнённое стекло обладает большей поверхностной твёрдостью по сравнению с неупрочнённым стеклом; это обеспечивает сравнительно более высокую степень стойкости к царапинам.

Существует много производителей химически упрочнённого стекла, но Corning Gorilla Glass в настоящее время считается самым стойким.

Производители продолжают выбирать тип сенсорной панели для новых продуктов, основываясь на мнении своих клиентов. Текущие тенденции указывают на потребность клиентов в интуитивно понятных пользовательских интерфейсах и гибкости в изменяющихся условиях. Эти потребности привели к тому, что ёмкостная сенсорная панель (которая поддерживает влагозащиту и работу в перчатках) доминирует в текущем плане разработки продуктов. В результате, интеграция резистивных сенсорных панелей сократилась, хотя они продолжают играть нишевую роль для устройств с простыми пользовательскими интерфейсами.

Мы создали более подробное руководство по типам и технологиям сенсорных панелей.