Введение в различные распространенные типы сенсорных экранов и метод их работы. Также будут обсуждаться сильные и слабые стороны каждой технологии, чтобы лучше понять, какой тип лучше всего использовать в том или ином конкретном приложении.

Все технологии сенсорных экранов обеспечивают одну и ту же функцию, но значительно различаются по разным типам и методу работы. Все они имеют как определенные преимущества, так и недостатки, и выбор правильного типа для конкретного применения может быть затруднен, если вы не знакомы с различными типами технологий и их эксплуатационными соображениями. Эта статья предназначена для обзора распространенных типов технологий сенсорных экранов, а также их преимуществ и недостатков. Приносим извинения за отсутствие графики, но эти материалы имеют ограничения по размеру.

Это самый распространенный тип сенсорного экрана, используемый сегодня, во многом потому, что он обладает хорошими эксплуатационными характеристиками и стоит недорого. Резистивное касание доступно в 4, 5 и 8-проводных вариантах. Термин «провод» используется для обозначения того, сколько элементов схемы оканчивается на кабель для подключения к интерфейсной электронике. 4-проводные и 8-проводные резистивные аналогичны по работе с 8-проводными, на самом деле это всего лишь 4-проводная вариация. Все резистивные технологии имеют схожие конструкции. То есть это аналоговые переключатели. Они сконструированы из прозрачной подложки - обычно стекла с проводящим покрытием, поверх которого прикреплен гибкий прозрачный переключающий слой - обычно полиэфирная пленка с аналогичным проводящим покрытием. Этот прикрепленный по периметру переключающий слой физически удерживается от подложки с помощью очень маленьких «распорных точек». Если вы поднесете резистивный сенсорный датчик к свету, вы обычно можете их увидеть. Чтобы активировать датчик, вы прикладываете давление на слой переключателя пальцем или стилусом, чтобы заставить гибкий полиэстер между точками распорки соприкоснуться с подложкой. На 4-проводной технологии положение касания получается путем измерения падения напряжения. Слой подложки и переключающий слой имеют прозрачное проводящее распыленное покрытие, которое обычно представляет собой оксид индия и олова (ITO), который является предпочтительным, поскольку он довольно прозрачен, предлагая низкое сопротивление листа, обычно от 15 до 1000 Ом / квадрат. В большинстве резистивных сенсорных экранов используется покрытие ITO около 300 Ом / квадрат, поскольку это хороший компромисс между долговечностью и оптической прозрачностью. Поверх каждого из этих двух слоев наносятся токопроводящие шины по краю, обычно экранированные проводящими серебряными чернилами. В одном слое эти полосы расположены вертикально влево и вправо для элемента X-Plane, а в другом они расположены сверху и снизу для элемента Y-Plane. Таким образом 4 стержня соединяются между собой 4 проводами. Интерфейс контроллера будет подавать ток через стержни одной из этих плоскостей - скажем, X-Plane вход через левую полосу и выход через правую. При протекании этого тока через сопротивление листа 300 Ом / квадрат покрытия ITO на подложке X-Plane произойдет падение напряжения между 2 барами. Когда давление прикладывается к короткому замыканию слоев X и Y, напряжение улавливается плоскостью Y и измеряется интерфейсом контроллера. Чем ближе вы подойдете к тому или иному столбцу на X-плоскости, тем выше или ниже будет напряжение, определяя координату X. Чтобы получить координату Y, выполняется та же операция по очереди, но на этот раз с питанием Y-плоскости, а X-Plane улавливает измерение напряжения. 4 Проводные технологии могут работать на очень малой мощности, поскольку они работают по напряжению и не требуют большого тока, поэтому они желательны для использования в портативных устройствах с батарейным питанием. Их преимущество также заключается в том, что они могут использовать большую часть поверхности датчика в качестве активной области, где можно ощущать прикосновения. Серебристые шины могут быть очень узкими, чтобы не занимать много места по краям. Кроме того, соединительные пути серебряных чернил могут быть наложены поверх разделенных УФ-диэлектриком, что делает конструкцию очень компактной. Это также важное соображение в таких приложениях, как портативные устройства, где размер очень ограничен. Поскольку 4 провода работают под напряжением, не может быть никаких отклонений в электрических свойствах проводящих слоев, или показания напряжения от этих слоев X и Y изменятся, что приведет к позиционному дрейфу в точке касания. Это может быть вызвано несколькими факторами, наиболее распространенным из которых является нагрев и охлаждение датчика в условиях окружающей среды. Это становится заметной проблемой только при экстремальных колебаниях температуры и на широкоформатных размерах, таких как 12,1-дюймовые датчики и больше. На самом деле это не заметно на небольших форматах, таких как 6,4 дюйма и меньше. Реальная проблема с 4 проводами - это срок службы датчика. Это не так хорошо. Как правило, вы можете ожидать 4 миллиона касаний или меньше в одном и том же месте при работе пальцами. Со стилусом дело обстоит гораздо хуже. 4-проводной датчик может быть разрушен всего несколькими жесткими ударами тонкого стилуса. Это связано с тем, что ITO слоя переключателя из полиэстера хрупкий. ITO представляет собой керамику и легко трескается или «ломается» при слишком сильном изгибе. Это растрескивание обычно происходит на слое переключателя полиэстера, поскольку он многократно сгибается в слой подложки между точками распорки для установления электрического контакта. При многократном изгибе, особенно в часто используемом месте, таком как кнопка ввода в приложении, ITO будет ломаться в этой области и не будет проводить ток, что приведет к увеличению сопротивления листа в этом месте. Это повреждение происходит намного быстрее, если стилус используется, так как изгиб слоя переключателя за маленькую точку стилуса намного острее. Если это произойдет, измерение напряжения плоскости X и Y над этим местом или вокруг него будет выше, чем должно быть, из-за чего точка касания будет выглядеть так, как будто она находится дальше от шины, чем она есть на самом деле. Эта потеря точности нелинейна и не может быть восстановлена с помощью повторной калибровки, так как это может привести к проблеме дрейфа. Новые методы, такие как полиэфирная пленка ITO на основе ручки, сначала наносят ITO на неровную поверхность, нанесенную на полиэстер, чтобы избежать гладкого плоского покрытия ITO, которое может быть легче растрескано. Это улучшает проблему, но не устраняет ее. Разновидностью 4-проводного является 8-проводной, который, как утверждается, «основан на 4-проводной резистивной технологии, при этом каждый край обеспечивает еще одну чувствительную линию в качестве стабильного градиента напряжения для контроллера сенсорного экрана. Функциональность дополнительных 4 линий заключается в получении фактического напряжения, генерируемого напряжением привода, поэтому контроллер сенсорного экрана может автоматически устранять проблему дрейфа, возникшую в результате воздействия суровых условий окружающей среды или длительного использования». Я должен признать, что немного не уверен в том, как работает эта теория работы. Мне никогда не объясняли это так, чтобы это имело какой-либо смысл, но я уверен, что это работает. Тип 5 проводов, на мой взгляд, является реальным решением проблемы разрушения ITO. Он не полагается на напряжение для получения положения X и Y, а скорее на протекание тока. Провод 5 состоит из тех же слоев переключателей, что и 4 провода, но вместо противоположных пар шин X и Y в проводе 5 используются электроды, которые размещены на четырех углах слоя подложки, представляющих 4 из 5 проводов. Верхний слой переключателя из полиэстера ITO представляет собой одну плоскость заземления, представляющую собой 5-й провод - таким образом, 5 проводов. Интерфейс контроллера подает низкое напряжение на 4 угловых электрода. Ничего не происходит до тех пор, пока заземленный слой переключателя не будет вдавлен в подложку, после чего ток начнет течь из 4 углов. Если бы вы коснулись непосредственно в середине датчика, вы бы получили одинаковый ток, протекающий из каждого угла, поскольку точка касания находится на одинаковом расстоянии от каждого угла, и, следовательно, сопротивление через покрытие ITO от угла до точки касания было бы одинаковым. Чем ближе вы подходите к углу, тем выше становится протекание тока по мере уменьшения расстояния и сопротивления от точки касания до угла. Расстояние и сопротивление от трех других углов увеличиваются, в результате чего поток тока уменьшается по мере удаления точки касания. В зависимости от тока, протекающего из каждого угла, интерфейс контроллера может определить, где находится точка касания. 5-провод не так сильно подвержен влиянию разрыва ITO, потому что ему не нужно поддерживать фактические значения протекающего тока, чтобы оставаться линейным. Например, если наша точка касания находится прямо посередине экрана, мы можем увидеть ток, скажем, 50 мА через каждый угловой электрод. Это в общей сложности 200 мА, при этом каждый угол составляет 25% от общего количества. Если протекание тока одинаково во всех четырех углах, то точка касания должна быть посередине. Что делать, если ITO сломается в середине экрана и потеряет 90% своей способности проводить ток. Что ж, тогда только 20 мА тока будет протекать через четыре угла, а 5 мА через каждый угол, что по-прежнему составляет 25% от общего тока, протекающего через каждый угол, поэтому линейность остается неизменной. 5-проводной рассматривает значения углового тока как относительные друг к другу, а не буквальные значения, как показания напряжения в 4-м проводе, поэтому ITO может сломаться, но это не будет иметь никакого значения для линейности на 5-м проводе. ITO должен был бы сломаться до такой степени, что интерфейс контроллера не мог бы обнаружить протекание тока при нажатии на уровень переключателя. Типичный 5-проводной резистив может достигать 35 миллионов касаний в одной точке с активацией пальца. Опять же, меньше со стилусом. D Metro в Канаде предлагает бронированную резистивную технологию, которая заменяет слой переключателя из полиэстера слоистым слоем переключателя из стекла / полиэстера, который жестче, чем полиэстер. Помимо очевидной прочности поверхности, более жесткий слой переключателя из стекла / поли не может изгибаться достаточно резко, чтобы вызвать разрушение ITO слоя переключателя, что позволяет этому типу служить в 10 раз дольше, чем обычные 5-проводные типы. Из-за двух слоев ITO, необходимых в резистивной технологии, прозрачность не так хороша, как в других типах сенсорных экранов. Оптическая передача обычно составляет около 82% для резистивной. Резистивный может не подходить для некоторых агрессивных сред, так как слой переключателя из полиэстера может быть поврежден острыми предметами. Кроме того, слой переключателя из полиэстера не является влагостойким, но влагостойким, что означает, что при высокой влажности при многократном нагревании и охлаждении влага может проходить через слой переключателя из полиэстера и конденсироваться внутри воздушного пространства между переключателем и слоями подложки, вызывая отказ. Некоторые резистивные датчики большого формата имеют проблему с «подушкой». Это когда полиэфирный переключающий слой расширяется по отношению к стеклянной подложке и либо деформируется, либо вздувается и не ложится ровно на стеклянную подложку. Довольно часто это всего лишь косметический дефект, но может вызвать ложную активацию, если слой переключателя достаточно деформирован. Эта проблема обычно возникает из-за нагрева и охлаждения, когда полиэстер имеет более высокий коэффициент расширения и сжатия по сравнению со стеклянной подложкой и при нагревании увеличивается в размерах, чем стекло. Помимо более низкого светопропускания, бронированная резистивная технология от A D Metro устраняет все вышеперечисленные недостатки. Резистивная технология активируется давлением, что означает, что ее можно использовать пальцем, тяжелой перчаткой, стилусом или любым другим инструментом, что является очень желательной функцией. Он требует очень мало энергии, очень надежен и быстр. Он поддерживает ось Z, что означает, что он может обнаруживать, когда вы прикладываете различное давление к точке касания, что удобно, если у вас есть приложение, в котором вы хотели бы ускорить операцию, просто приложив большее давление к сенсорной кнопке, например, быстро или медленно открыть клапан, например, в приложении для управления технологическим процессом. Он не подвержен влиянию грязи, каких-либо загрязнений и обладает скрытыми электрическими эксплуатационными характеристиками, что делает его фаворитом для военных применений.

Конструкция емкостного разъема чем-то похожа на 5-проводной резистивный, но не имеет коммутационного слоя. Существует только токопроводящая подложка с покрытием с 4 угловыми электродами, похожими на 5 проводов. В качестве проводящего покрытия обычно используется не ITO, а оксид сурьмы и олова (ATO), который имеет более высокое сопротивление листа около 2000 Ом / квадрат, что лучше подходит для емкостной технологии. Покрытие ATO обычно имеет силикатное покрытие толщиной около 50 ангстрем, чтобы защитить его от стирания во время использования. Электроника контроллера подает радиочастоту на четыре угловых электрода. Активация достигается прикосновением пальца к поверхности экрана при соединении поверхности пальца с поверхностью ATO под ней, создавая емкостную связь, через которую может проходить радиочастота. Ваше тело рассеивает радиочастоту в атмосфере, как антенна. Чем ближе вы подойдете к углу, тем больше радиочастот будет проходить через него. Глядя на радиоактивность из каждого угла, контроллер может вычислить, куда касается ваш палец. Из-за окружающих электромагнитных помех (EMI) и радиочастотных помех (RFI) от других радио- и электрических устройств в этом районе необходимо выполнить большую обработку сигналов, чтобы отфильтровать окружающий радиочастотный шум, что делает интерфейс контроллера более сложным, требующим большего энергопотребления. Несмотря на это, емкостный по-прежнему относительно быстрый. Он имеет очень легкое прикосновение и идеально подходит для перетаскивания. Поскольку поверхность стеклянная, она устойчива к вандалам и широко используется в киосках, включая игровые автоматы. Он имеет хорошую оптическую передачу около 90%. Он не подвержен воздействию грязи или загрязнений, если только он не настолько серьезен, что мешает емкостной связи вашего пальца. Его нельзя использовать в тяжелых перчатках, стилусах или указательных приборах, если он не привязан и не подключен к контроллеру. Если ваш палец слишком сухой, это может не сработать, так как для хорошей емкостной связи необходима влага кожи. Если поверхность поцарапана, это может привести к выходу из строя датчика в поцарапанной области или полному выходу из строя, если царапина достаточно длинная. EMI и RFI могут привести к тому, что он выйдет из калибровки. Он не поддерживает ось Z. Он не подходит для мобильной работы, так как окружающая среда EMI и RFI меняется слишком часто, что может запутать интерфейс контроллера. Он не подходит для военных применений, требующих скрытной работы, потому что излучает радиочастоту. Он требует особых требований к монтажу, так как корпуса и металлические лицевые панели могут мешать его работе. Проекционно-емкостный: Проекционно-емкостный, включая Near Field Imaging (NFI), изготовлен из стеклянной подложки с покрытием ITO или ATO, которое вытравливается, оставляя сетчатый рисунок, состоящий из элементов линий X и Y. В некоторых конструкциях используются встроенные металлические нити, которые не заметны для получения той же сетки. Подложка с рисунком сетки имеет защитную стеклянную пластину, прикрепленную к лицевой стороне подложки сетки. Поле переменного тока, примененное к сетке. Когда палец или токопроводящий стилус касается поверхности датчика, он нарушает поле, позволяя интерфейсу контроллера точно определить, где на сетке поле нарушается больше всего. Затем интерфейс контроллера может рассчитать положение касания. Эта технология очень долговечна и не может быть повреждена до такой степени, что она не будет работать, если сетка подложки не будет нарушена. Он может ощущать прикосновения через окно. Он может работать на открытом воздухе. Он не подвержен влиянию грязи. Его можно использовать руками в перчатках. Это, однако, дорого. Он имеет сравнительно низкое разрешение. Его можно легко отключить электростатическим разрядом. У него нет реального тактильного чувства, что означает, что он может активироваться до того, как вы к нему прикоснетесь. Он чувствителен к электромагнитным и радиочастотным помехам, что делает его надежность проблематичной.

Эта технология не требует обработки электрических сигналов на поверхности датчика и не использует проводящие покрытия. Он использует ультразвуковой звук для ощущения прикосновений. Датчик ПАВ состоит из подложки датчика, к периметру которой прикреплен пьезоэлектрический излучатель вместе с 2 или 3 приемниками. Также по всему периметру краев датчика проходят ремесла отражения, используемые для отражения ультразвукового звука вперед и назад по поверхности поверхности датчика. Для обнаружения прикосновений пьезоэлектрический преобразователь посылает всплески ультразвукового звука, который отражается гребнями по периметру вперед и назад по всей поверхности датчика. Поскольку скорость звука несколько постоянна, известно, когда исходящий всплеск звука вместе со всеми отраженными всплесками от гребней периметра должен поступать к каждому приемнику. Если палец или другой звукопоглощающий стилус соприкасается с поверхностью датчика, часть этого исходящего или отраженного звука будет поглощена и будет отсутствовать, когда контроллер ожидает, что они поступят на приемники. Эти отсутствующие инциденты позволяют интерфейсу контроллера определять, где касание должно быть расположено на поверхности датчика, чтобы блокировать эти звуковые инциденты от поступления на приемники, когда ожидалось. Эта технология обеспечивает 97% светопропускания, поскольку подложка датчика представляет собой просто голое стекло. Он также предлагает очень легкое прикосновение и хорошо работает с функциями перетаскивания. Он имеет стеклянную поверхность, которая очень прочна и не подвержена вандализму. Он будет работать руками в тяжелых перчатках, но не жестким стилусом или каким-либо инструментом, который не может поглощать звук. Если вы поцарапаете его достаточно глубоко, ультразвуковые волны могут упасть в долину выбоины и отскочить в космос, вызывая мертвое пятно на одной стороне царапины. Он восприимчив к грязи и пыли, которые замедляют или блокируют ультразвуковой звук. Капли воды мешают его работе, как и насекомые, привлеченные светом дисплея. Он не может быть эффективно герметизирован от грязи или влаги, так как такая прокладка будет блокировать ультразвуковой звук. Прокладка из пенопласта с открытыми порами не может быть защищена от влаги и все равно в конечном итоге засоряется грязью, вызывая блокировку ультразвукового звука. Изменения влажности и температуры вызовут изменение плотности воздуха, влияющее на скорость, с которой может распространяться ультразвуковой звук, что может вызвать проблемы с точностью. Инфракрасная матрица: Это одна из первых сенсорных технологий, когда-либо разработанных. Он очень прост в эксплуатации и возвращается в качестве жизнеспособного решения для сенсорного ввода, поскольку лучше подходит для плоскопанельных дисплеев. ИК-матрица состоит из рамки, в которой установлен ряд от 30 до 40 ИК-фотоизлучателей вдоль одной стороны и либо сверху, либо снизу согласован с ИК-фотоприемниками, выровненными по противоположной стороне и сверху или снизу. Интерфейс контроллера стробирует ИК-излучатели как в плоскости X, так и в плоскости Y, чтобы обеспечить сетку световых лучей, которые могут быть нарушены пальцем или любым сенсорным инструментом. Когда прикосновение производится пальцем или сенсорным инструментом, один или несколько лучей света в матрице будут разрушены, и интерфейс контроллера может определить, где находится касание, чтобы блокировать эти конкретные лучи. Кроме того, частичная блокировка световых лучей в ту или иную сторону от касания позволяет интерфейсу контроллера разрешаться до довольно высокого разрешения, но диаметр стилуса должен быть достаточно большим, чтобы блокировать по крайней мере один световой луч фотоизлучателя, а также часть соседнего, чтобы интерфейс контроллера видел изменение положения. Технология потеряла популярность по мере того, как в сети появились другие типы технологий, потому что несколько лет назад дисплеи представляли собой сферические ЭЛТ с кривизной радиуса 22,5 дюйма или меньше. Существовала значительная проблема параллакса при попытке использовать ИК-матрицу с прямыми и плоскими световыми лучами на изогнутом ЭЛТ-дисплее. Сенсорный экран с ИК-матрицей активируется задолго до того, как ваш палец достигнет поверхности ЭЛТ, особенно в углах, что делает его громоздким в использовании. Это, конечно, больше не проблема универсальности плоскопанельных дисплеев сегодня, и именно поэтому ИК-матрица в некотором роде возвращается. Он предлагает очень легкое прикосновение и подходит для приложений перетаскивания. Если используется рамочная версия без защитной стеклянной подложки, то оптическое пропускание составляет 100%, что желательно в любом приложении. Он имеет хорошее разрешение и очень быстрый. На него не влияют резкие перепады температуры или влажности. Он очень линейный и точный. Однако технология не имеет тактильного ощущения и активируется до того, как ваш палец коснется поверхности экрана. Ему требуется много места как по толщине, так и по ширине рамы, поэтому для размещения рамки может потребоваться специальная конструкция корпуса дисплея. Он состоит из множества компонентов, которые представляют более высокий риск отказа компонентов. На него воздействует грязь, которая может блокировать световые лучи. Летающие насекомые, привлеченные светом дисплея, могут ложно активировать датчик.

Здесь также следует затронуть упрочненные стеклянные подложки, поскольку они являются критическим фактором во многих областях применения и не очень хорошо понимаются многими. Обычно используются два типа упрочненного стекла. Первым и наиболее распространенным является термозакаленное стекло, обычно называемое безопасным стеклом. Это стекло изготавливается путем введения стекла, такого как обычное натриево-известковое стекло, в печь, где оно нагревается почти до плавления, затем извлекается из печи и быстро обрабатывается воздухом для охлаждения внешней поверхности, в то время как внутреннее ядро остается горячим. Это сжимает внешнюю поверхность стекла при растяжении к внутреннему ядру, делая его очень прочным, очень похожим на давление в воздушном шаре. Когда внешняя поверхность трескается, напряжение ослабевает, и стекло взрывается на безвредные мелкие кусочки, отсюда и термин «безопасное стекло». Этот тип стекла не подходит для дисплеев, потому что процесс закалки немного деформирует стекло, ухудшая его оптические свойства. Химически упрочненное стекло гораздо лучше подходит для демонстрационных целей, потому что процесс не искажает стекло. Обычное натриево-известковое стекло погружают в ванну с калийной селитрой при температуре около 500 градусов по Цельсию на 8-16 часов. Обмен молекул соли на молекулы калия происходит на поверхности стекла. Чем дольше ванна, тем глубже обмен. Результирующая поверхность молекулярного обмена приводит к поверхностному натяжению от 20 000 до 50 000 фунтов на квадратный дюйм, что в 6 раз превышает прочность обычного отожженного натриево-известкового стекла. В отличие от термозакаленного стекла, вы можете резать химически упрочненное стекло, но вы потеряете упрочняющие свойства примерно на 1-1,5 дюйма от края, что сделает его бесполезным для датчиков малого формата. Если вам нужна усиленная стеклянная сенсорная подложка небольшого формата, стекло необходимо сначала обрезать по размеру, а затем химически упрочнить для обработки краев. Также нет ограничений по толщине при химическом упрочнении, в отличие от термоупрочнения. При термоотпуске, если толщина опускается ниже 3 мм, становится трудно достаточно быстро охладить внешнюю поверхность без охлаждения ядра вместе с ней, поэтому надлежащее поверхностное натяжение обычно становится недостижимым при толщине менее 3 мм. Вы можете использовать термозакаленное или химически упрочненное стекло для подложек на 4-х или 8-проводных резистивных датчиках, потому что эти датчики обрабатываются серебряными чернилами и диэлектриками, которые не требуют нагрева при изготовлении слоя подложки. Вы не можете использовать термозакаленное или химически упрочненное стекло для 5-проволочных или емкостных технологий, потому что обработка серебряного рисунка и путей трассировки производится из металлического серебра, что обеспечивает необходимое низкое внутреннее сопротивление для правильной работы 5-проволочного и емкостного. Серебро должно быть расплавлено на стекле ITO в процессе обжига. Этот обжиг снимает поверхностное натяжение в термозакаленном стекле и значительно снижает его в химически упрочненном стекле. Если вам нужна надлежащая усиленная подложка на 5-проводной или емкостной основе, вы должны ламинировать термозакаленную или химически упрочненную заднюю стеклянную пластину на подложке датчика, чтобы обеспечить усиленный носитель для 5-проводного датчика. Хотя мы не смогли обсудить все технологии сенсорных экранов, а также их сильные и слабые стороны, мы надеемся, что было предоставлено достаточно информации о наиболее распространенных типах, чтобы вы могли указать лучший из них для ваших нужд.