РИС. 71Чувства
Сенсорный экран: как стекло находит палец
Под стеклом телефона находится сетка прозрачных электродов, а палец проявляется небольшим уменьшением заряда, передаваемого между ними.
На этом устройстве не получается показать 3D-модель. Шаги экскурсии ниже можно прочитать текстом.
1 / 10 Палец опускаетсяПалец приближается к стеклу, и ёмкость пересечения под ним уменьшается, что видно на панели внизу сцены. Затем экран разбирается на слои. Нажмите на тестовый экран или включите Касание стекла и касайтесь самой модели одним или несколькими пальцами.
Тяните для поворота. Колесо или щипок меняют масштаб.
Как стекло узнаёт, куда вы нажали?
Ёмкостный сенсорный экран определяет положение пальца, измеряя изменения электрического поля между прозрачными электродами под стеклом. Палец меняет связь вблизи пересечений сетки, а контроллер по этим показаниям оценивает его положение. В самом стекле нет подвижной кнопки.
Вы касаетесь значка на телефоне, и открывается нужное приложение, хотя у стекла нет ни кнопок, ни подвижных деталей, ни видимых проводов. Сразу под стеклом находится сетка прозрачных электродов, а небольшая микросхема рядом с ними измеряет её много раз в секунду. Палец ничего не нажимает. Он меняет количество электрического заряда, передаваемого между двумя электродами, и микросхема это замечает.
В начале модели сверху палец опускается на стекло: силовые линии под ним изгибаются к кончику пальца, а панель внизу сцены показывает уменьшение ёмкости ближайшего пересечения. Затем экран разбирается на слои. Под ним находится тестовый экран, на который можно нажимать мышью или пальцами, сколькими угодно одновременно, а режим Касание стекла позволяет касаться самой модели. Каждый квадрат тестового экрана соответствует пересечению сетки, а его цвет и число показывают измеренное там значение. Перекрестия обозначают положения, вычисленные контроллером по этим числам, а пунктирные окружности показывают реальные места нажатий, чтобы можно было сравнить их близость.
Слои экрана телефона
Сверху вниз модель состоит из следующих частей.
- Защитное стекло. Только его вы касаетесь. В телефонах его толщина обычно составляет 0,55, 0,75 или 1,1 мм, а в киосках используют стекло толщиной до 3 мм. Более тонкое стекло или стекло с большей диэлектрической проницаемостью повышает чувствительность. Вместо него можно использовать пластик, но для такой же работы он должен быть примерно вдвое тоньше.
- Приёмные электроды. Столбцы ромбовидных площадок, соединённых в углах узкими перемычками. Контроллер измеряет заряд, поступающий на каждый столбец.
- Изолирующий слой. Он не даёт столбцам соприкасаться со строками. В модели на этом слое также расположена карта узлов: цветные квадраты, показывающие измерения в каждом пересечении.
- Передающие электроды. Ряды ромбов, повёрнутые на 90 градусов относительно столбцов. Контроллер поочерёдно подаёт на них переключаемое напряжение, по одной строке.
- Дисплей. Панель OLED или LCD, создающая изображение. Она находится прямо под сенсорными слоями и одновременно служит их самым шумным соседом.
- Гибкий шлейф и контроллер. Печатный шлейф соединяет линии всех строк и столбцов с микросхемой сенсорного контроллера. Barrett и Omote отмечают, что большинство контроллеров находится на этом шлейфе рядом с сенсором, чтобы линии собирали меньше помех.
Электроды изготовлены из оксида индия и олова (ITO), материала, проводящего электричество и пропускающего свет. В техническом обзоре 3M его поверхностное сопротивление указано как обычно составляющее от 30 до 150 Ом на квадрат и объясняется компромисс: более тонкий слой пропускает больше света, но имеет большее сопротивление. Ромбовидный рисунок наиболее распространён. Barrett и Omote в статье для Information Display 2010 года указывают размер ромбов от 4 до 8 мм в зависимости от производителя. В модели шаг электродов равен 5 мм, как в расчётном примере Microchip, а активная область имеет размеры 120 на 60 мм. Получаются 12 строк, 24 столбца и 288 пересечений, которые инженеры называют узлами.
Толщины в модели сильно преувеличены. Настоящие плёнки ITO намного тоньше всего показанного здесь, и в реальном масштабе весь сенсор выглядел бы одной линией.
Почему палец уменьшает показание
В месте пересечения строки и столбца два электрода образуют крошечный конденсатор. Когда контроллер переключает напряжение строки, через эту ёмкость на столбец поступает небольшой заряд, который контроллер измеряет. Не всё поле остаётся внутри слоёв. У краёв ромбов часть силовых линий выгибается вверх через защитное стекло и возвращается вниз. На шаге 4 экскурсии они показаны дугами. Руководство Microchip отмечает, что во взаимно-ёмкостном сенсоре касание определяется главным образом этими краевыми полями между парой электродов и кончиком пальца. Более широкий зазор между двумя электродами уменьшает их ёмкость покоя, но также сокращает длину обращённых друг к другу краёв.
Палец проводит электричество и связан с большим телом. Если положить его на стекло над узлом, он перехватывает выгнутые силовые линии и отводит их, поэтому до столбца доходит меньше заряда. Руководство Infineon говорит прямо: когда палец помещают между передающим и приёмным электродами, взаимная ёмкость уменьшается, как и заряд, получаемый приёмным электродом. Microchip описывает палец как «ёмкостно связанный путь к земле», отбирающий часть подаваемого тока.
Изменения очень малы. В записке Microchip TB3064 электрод представляет для измерительной схемы ёмкость около 100 пФ. Сильное касание прямо над ним меняет её на 0,5–1,0 пФ, а касание соседнего электрода примерно на 0,05 пФ. Barrett и Omote пишут, что проекционно-ёмкостный экран должен обнаруживать изменения всего в несколько фемтофарад, поэтому конструкция так чувствительна к электрическим помехам.
На тестовом экране числа уже преобразованы так, чтобы расти при касании. Это отсчёты относительно базового уровня без касаний, поэтому палец даёт положительное число, хотя сама ёмкость уменьшилась. В модели голый палец точно над узлом даёт 100 отсчётов, а контроллер считает узел затронутым начиная с 30.
Чтение 288 пересечений по одной строке
Контроллер не может прочитать все узлы сразу. Он возбуждает одну строку и измеряет все пересекающие её столбцы, затем переходит к следующей строке и повторяет цикл. Barrett и Omote называют это сканированием с адресацией всех точек и приводят частоты примерно от 20 до 200 полных кадров в секунду для контроллеров того времени.
При самом медленном значении Скорости сканирования модель делает то же самое, но медленно. Возбуждаемая строка светится оранжевым, а карта узлов тестового экрана заполняется построчно. При 3 строках в секунду полный кадр из 12 строк занимает 4 секунды, поэтому движущийся палец обнаруживается только тогда, когда сканирование достигает его строки. На полной скорости модели, 120 кадров в секунду, каждой строке достаётся 1/1440 секунды, около 0,69 мс.
Сами по себе исходные числа мало что означают, поскольку начальная ёмкость каждого узла немного отличается. Поэтому контроллер хранит базовый уровень, сохранённую картину экрана без касаний, и вычитает его. В записке Microchip это записано как Normalized = Raw - Baseline, а пример прошивки обновляет базовый уровень примерно каждые 800 мс при отсутствии касаний. Медленные изменения, например прогрев экрана, включаются в базовый уровень и не выглядят как касания.
Положение точнее шага сетки
При шаге электродов 5 мм грубый ответ звучит как «где-то рядом со строкой 6 и столбцом 12», чего недостаточно для попадания в букву клавиатуры. Но кончик пальца шире промежутка между электродами, поэтому виден сразу на нескольких узлах, сильнее всего на ближайшем. Контроллер использует соотношение этих показаний.
Тестовый экран вычисляет по каждой оси взвешенное среднее трёх узлов, центроид. Вот один случай из модели: палец при x = 59,2 мм находится на строке, а ближайшие столбцы расположены на 52,5, 57,5 и 62,5 мм.
| Положение столбца | Значение |
|---|---|
| 52,5 мм | 14 |
| 57,5 мм | 88 |
| 62,5 мм | 62 |
x = (14 × 52,5 + 88 × 57,5 + 62 × 62,5) ÷ (14 + 88 + 62) = 9670 ÷ 164 = 58,96 мм
Ошибка составляет около 0,24 мм на сетке с шагом 5 мм. Поле рядом с тестовым экраном выводит этот же расчёт с вашими числами для самого сильного касания вместе с ошибкой относительно настоящего места нажатия.
Microchip TB3064 использует близкую формулу: положение электрода с максимумом плюс половина шага, умноженная на разность показаний правого и левого соседей и делённая на максимум. В расчётном примере максимум 100 находится в позиции 384, соседние показания равны 25 и 75, а между электродами 128 шагов: 384 + 64 × (75 - 25) ÷ 100 = 416. Взвешенное среднее даёт те же 416, (25 × 256 + 100 × 384 + 75 × 512) ÷ 200, поскольку в этом примере сумма двух соседних значений точно равна максимуму. При 128 шагах между соседними электродами слой из девяти электродов различает 1024 положения. Infineon приводит похожее значение для своих ползунков, где пять сегментов различают не менее 100 положений, а Barrett и Omote оценивают обычное разрешение проекционно-ёмкостного экрана как 1024 на 1024 или больше.
Infineon добавляет полезное правило проектирования. Результат линеен, только если при любом положении пальца между центрами двух сегментов два сенсора дают пригодный сигнал. Если касание слишком мало, чтобы затронуть соседа, выдаваемая координата смещается скачком к ближайшему узлу.
Два пальца и ложные точки
Есть более дешёвый способ сканирования: измерять каждую строку и каждый столбец целиком относительно земли. Это называется измерением собственной ёмкости. Для сетки модели из 12 строк и 24 столбцов тогда нужно всего 36 измерений вместо 288. Обзор 3M разбирает более крупный пример: сенсор 40 на 60 со 100 электродами, но 2400 узлами, то есть разница в плотности касаний составляет 24 к 1.
Проблема проявляется со вторым пальцем. Включите Сканирование собственной ёмкости и нажмите двумя пальцами по диагонали. Контроллер видит две строки и два столбца выше порога, которые пересекаются в четырёх точках. Две настоящие, а две ложные, и измерения не позволяют отличить одни от других. Обзор Kyung Hee University выражает это формулой: касания в (x1, y1) и (x2, y2) также создают ложные положения в (x1, y2) и (x2, y1). В режиме взаимной ёмкости каждое пересечение имеет собственное число, поэтому два пальца видны как два отдельных холма и ничего больше.
Записка Microchip описывает способ объединить методы. Сначала быстро измеряется собственная ёмкость каждого электрода, чтобы найти задействованные строки и столбцы. Затем взаимная ёмкость измеряется только на их пересечениях. В примере с двумя пальцами четыре узла-кандидата дают 20, 130, 110 и 15, а два больших значения отмечают реальные касания.
У измерения каждого узла есть ещё одно применение. Barrett и Omote цитируют патентную заявку Apple на экран iPhone, в которой контроллер поддерживает 15 касаний, «10 пальцев, 2 ладони и 3 других», в частности чтобы распознавать и игнорировать руку, держащую телефон.
Если касается не голый палец
Измените Предмет касания, чтобы увидеть реакцию экрана на другие вещи, и добавьте перчатку, защитную плёнку, воду и помехи зарядного устройства ползунками ниже. Панель внизу сцены показывает сигнал, шум и их отношение; столбики на изолирующем слое представляют те же значения узлов в 3D.
Перчатка отдаляет палец от электродов и помещает между ними плохой проводник. Модель рассматривает защитное стекло, плёнку и перчатку как последовательные слои: 0,7 мм стекла с относительной диэлектрической проницаемостью 7 эквивалентны 0,1 мм воздуха, а перчатка эквивалентна своей толщине, делённой на 2. Перчатка толщиной 1 мм даёт максимум 25 отсчётов, 2 мм дают 14, а 3 мм дают 10 при пороге 30. Высокая чувствительность снижает порог до 12, поэтому перчатки 1 мм и 2 мм работают, а 3 мм нет. Это значения модели. Barrett и Omote отмечают, что дальность обнаружения проекционно-ёмкостного экрана можно увеличить для хлопковых или хирургических перчаток. Та же повышенная чувствительность позволяет обнаружить голый палец ещё до соприкосновения: в модели палец в 2 мм над стеклом уже даёт 39 отсчётов. Настройка перчатки относится только к пальцу. Стилус, банан или сосиску держат в руке, а стекла касается их собственный кончик, поэтому при их выборе ползунок перчатки заблокирован.
Защитная плёнка действует так же. В модели пластиковая плёнка толщиной 0,5 мм с относительной диэлектрической проницаемостью 2 оставляет 40 отсчётов, а плёнка 1 мм оставляет 25, ниже обычного порога. Каждый максимум также расширяется на 0,6 мм на миллиметр добавленного слоя.
Капля воды может действовать двумя способами. Infineon объясняет, что капля над сенсором, также покрывающая заземлённый участок, уменьшает взаимную ёмкость, как палец. Капля, покрывающая только передающий и приёмный электроды, наоборот увеличивает её, поэтому показание меняется в другую сторону. Модель показывает оба случая: изолированная капля даёт около −18 отсчётов, синий цвет на тестовом экране, и контроллер её игнорирует; когда палец приближается примерно на 9 мм, капля заземляется через него и даёт +50, так что вычисленное положение смещается к ней. При сканировании собственной ёмкости с высокой чувствительностью нескольких капель в одной строке и столбце достаточно для регистрации касания там, где пальца вообще нет. Обзор Kyung Hee относит воду к загрязнениям, которые ёмкостный экран может принять за касание.
Пассивный стилус представляет собой проводящий наконечник, имитирующий палец. Обзор отмечает, что площадь его контакта должна быть сопоставима с площадью пальца, а экран не способен отличить его от пальца. В 2009 году Atmel объявила о контроллере, отслеживающем проводящий стилус с наконечником 2–3 мм после увеличения отношения сигнал/шум с 25:1 до 80:1. Barrett и Omote подчёркивают, что это всё ещё намного шире наконечников старых стилусов для КПК размером 0,8 мм. В модели резиновый наконечник шириной 6 мм даёт около 72 отсчётов, а наконечник 2,5 мм всего около 24, поэтому тонкому стилусу нужна высокая чувствительность. Активные перья передают в сетку собственный сигнал. Они перечислены в каталоге на сцене, но не моделируются.
Банан или сосиска в руке ведут себя как немного более широкий палец, поскольку содержат влагу, достаточно хорошо проводят электричество и примерно равны по ширине кончику пальца (максимумы модели 88 и 80 отсчётов). В феврале 2010 года Engadget сообщал, что южнокорейские владельцы iPhone касались экранов закусочными сосисками, чтобы не снимать перчатки. Деревянный карандаш почти ничего не даёт. Графитовый стержень проводит электричество, но сухое дерево вокруг изолирует его от руки, а касающийся стекла кончик очень мал.
Помехи зарядного устройства отличаются от небольшого случайного мерцания каждого узла. EDN объясняет, что дешёвая зарядка заставляет питание и общий провод телефона колебаться вместе относительно земли. Это важно лишь тогда, когда связанный с землёй палец касается экрана: палец вводит помехи в электроды под ним. Поэтому в модели шум появляется вдоль столбцов под пальцем, а при 85 % создаёт ложные касания выше и ниже настоящего. Cypress запатентовала контроллеры, которые обнаруживают эти помехи и переходят на менее шумную рабочую частоту; Фильтр помех (смена частоты) уменьшает помехи зарядки в модели до 12 %.
Что модель не учитывает
- Толщина и масштаб. Все слои показаны в сотни раз толще, чтобы их можно было увидеть. Карта узлов и столбики нарисованы на изолирующем слое только ради наглядности модели.
- Сам сигнал. Каждый предмет моделируется гладким колоколообразным профилем отсчётов с максимумом 100 и шириной 3,4 мм для пальца. Перчатка или плёнка уменьшают его по описанному правилу последовательных слоёв. Реальные профили зависят от стекла, рисунка электродов и пальца. Добавлен случайный шум до двух отсчётов в обе стороны, чтобы числа мерцали, как реальные показания.
- Пикофарады. Панель внизу сцены переводит отсчёты во взаимную ёмкость по фиксированному правилу: 1,50 пФ без касания и на 0,002 пФ меньше на отсчёт; собственная ёмкость равна 20 пФ плюс 0,01 пФ на отсчёт. Оба значения выбраны для модели, чтобы показать направление и примерный размер изменения, а не измерены на телефоне.
- Помехи дисплея и зарядки. Помехи зарядки моделируются только дополнительными случайными отсчётами вдоль столбцов под предметом касания, а фильтр лишь уменьшает амплитуду. Обзор Kyung Hee также перечисляет помехи дисплея и сетевой фон и описывает решения, например измерение во время интервала гашения дисплея. Некоторые конструкции добавляют сплошной экранирующий слой ITO внизу пакета, а конструкции in-cell встраивают сенсорные электроды в сам дисплей. Помехи дисплея не моделируются.
- Слежение и фильтрация. Настоящая прошивка отслеживает каждый палец от кадра к кадру, сглаживает его траекторию и отбрасывает ладони. Тестовый экран выдаёт результат одного кадра, поэтому шумный кадр может показать ложное касание, которое прошивка отбросила бы.
- Цепочка задержек. 3M отмечает, что большинство пользователей устраивает отклик на касание за 20 мс или меньше, но опытные пользователи могут замечать задержки в 10 мс. Операционная система и графика добавляют собственную задержку поверх задержки контроллера.
От радиолокационных пультов к телефонам
Первый сенсорный экран с управлением пальцем появился в противовоздушной обороне и управлении воздушным движением. В Royal Radar Establishment в Малверне Eric Arthur Johnson натянул тонкие медные проволоки поверх электронно-лучевой трубки и создал схемы, обнаруживающие прикосновения, чтобы оператор мог выбирать команды прямо на экране. Его американский патент Touch displays был выдан 2 декабря 1969 года.
В CERN Bent Stumpe предложил ёмкостный сенсорный экран в рукописной записке от 11 марта 1972 года для диспетчерской нового Super Proton Synchrotron. Его конденсаторы представляли собой тонкие медные линии на стекле шириной 80 мкм с промежутками 80 мкм, чтобы их нельзя было увидеть, под лаковым покрытием, не допускавшим контакта с пальцами. Frank Beck и Stumpe описали устройство в отчёте CERN в 1973 году, а при запуске SPS в 1976 году его диспетчерская уже была оборудована такими экранами. Первая версия имела 16 фиксированных кнопок. В 1977 году Stumpe разработал экран X–Y с двумя слоями конденсаторов, по одному для каждой координаты, на том же принципе строк и столбцов, который использует модель.
Проекционная ёмкость десятилетиями оставалась специализированной технологией. Barrett и Omote описывают, как благодаря iPhone она из малоизвестной в 2006 году стала второй по распространённости сенсорной технологией в 2009 году.
Насколько малое касание меняет заряд?
Слово «пикофарад» может скрывать масштаб электрической задачи. В конспекте MIT о ёмкости заряд определяется формулой Q = CV. Для расчётного примера предположим, что измерительная схема видит 100 пФ и подаёт скачок напряжения 3 В. Это иллюстративные условия схемы, а не характеристики модели или конкретного телефона. Связанный с этим скачком заряд равен 100 пФ × 3 В = 300 пКл. Если касание меняет эффективную ёмкость на 0,5 пФ, изменение заряда при том же напряжении составляет всего 1,5 пКл, или 0,5 % начального значения. Изменение на 1,0 пФ даёт 3 пКл, или 1 %. Диапазон ёмкости взят из Microchip TB3064; напряжение выбрано для этого расчёта.
Не следует понимать пример так, будто каждое взаимно-ёмкостное пересечение имеет ёмкость покоя 100 пФ. Ёмкость, видимая измерительной схемой, включает электрод и паразитные связи. Палец также не подаёт фиксированное количество заряда подобно батарее. Он меняет сеть электрических полей вокруг возбуждаемых электродов. Контроллер многократно подаёт известное возбуждение и ищет разницу результата. При измерении взаимной ёмкости соответствующая связь уменьшается; при измерении собственной ёмкости связь с землёй увеличивается.
На экране есть ещё одно малое число: положение выводится с шагом 0,1 мм. При шаге электродов 5 мм это 50 отображаемых интервалов на шаг сетки, а не 50 физических электродов. Расчёт по трём узлам выше даёт 58,96 мм для пальца, который на самом деле находится на 59,2 мм: ошибка около 0,24 мм ещё без учёта меняющегося шума. Округление ответа до одного знака после запятой не устраняет ошибку. Разрешение означает расстояние между возможными выдаваемыми значениями; точность описывает их близость к истинному положению. Медленное движение через один промежуток позволяет увидеть разницу. У края контроллер также теряет соседний отсчёт, поэтому правило интерполяции, хорошо работающее в середине, не обязательно работает столь же хорошо на границе.
Почему 120 сканирований в секунду не означают отклик за 8 мс
На самой быстрой настройке модель сканирует 12 строк × 120 кадров/с = 1440 строк/с. Полное сканирование занимает 1000 / 120 = 8,33 мс. Предположим, что неподвижный палец опускается в случайный момент, каждая строка опрашивается раз за кадр, а обнаружение происходит сразу при её опросе. При этих предположениях ожидание строки составляет почти от 0 до 8,33 мс, в среднем 4,17 мс. Это расчётное ожидание сканирования, а не измерение задержки браузера.
Теперь предположим, что прошивке нужны два последовательных положительных показания для принятия нового касания. Это добавит один кадр, увеличив ожидание примерно до 8,33–16,67 мс, в среднем 12,5 мс. Правило двух показаний служит примером фильтрации, а не утверждением об алгоритме этого экспоната. Отбрасывание короткого электрического выброса может повысить надёжность, одновременно задерживая настоящее касание. Исторический диапазон Barrett и Omote от 20 до 200 кадров/с соответствует периодам кадра от 50 до 5 мс; сами эти периоды не определяют окончательный отклик телефона.
После обнаружения координаты ещё должны дойти до приложения, которое должно нарисовать новое изображение. Для ещё одного явного предположения возьмём дисплей 60 Гц, начинающий новый интервал обновления каждые 16,67 мс. Ожидание следующей возможности может добавить почти столько же времени ещё до прочей обработки. Поэтому частота сканирования, частота обновления дисплея и задержка от касания до изображения описывают разные события. Экспонат замедляет сканирование, чтобы была видна последовательность строк, но не моделирует операционную систему или конвейер обновления дисплея. При 3 строках/с полное сканирование 12 строк занимает 4 секунды; средняя настройка, 3 кадра/с, занимает около 333 мс. Смешение строк в секунду с кадрами в секунду меняет ответ в 12 раз.
Четыре способа найти палец
BYU Design Review описывает четыре семейства сенсоров. Они могут находиться поверх похожих дисплеев, но измерять совсем разные физические изменения. Проекционно-ёмкостную конструкцию телефона не следует считать объяснением устройства любого общественного киоска.
| Сенсор | Что измеряется | Что его активирует | Практическое ограничение |
|---|---|---|---|
| Резистивный | Напряжение в месте соприкосновения двух покрытых слоёв под давлением | Палец, перчатка или непроводящий стилус, прижимающий слои друг к другу | Верхний слой должен прогибаться; важно его состояние |
| Проекционно-ёмкостный | Электрическая связь через защитный слой | Достаточно хорошо связанный палец или проводящий наконечник; активным перьям нужна совместимая электроника | Перчатки и вода меняют электрические условия |
| Инфракрасный | Прерывание световых путей между излучателями и приёмниками по периметру | Предмет, перекрывающий лучи | Пыль или сильное внешнее освещение могут мешать |
| На поверхностных акустических волнах | Потеря энергии ультразвуковой волны, распространяющейся по поверхности | Контакт, поглощающий достаточно энергии волны | Материал на поверхности может нарушать распространение волн |
Резистивной панели не нужен проводящий кончик пальца, поскольку механический контакт закрывает зазор между слоями. Инфракрасной рамке не обязательно помещать прозрачную сетку электродов поперёк видимой области: измерительные пути пересекаются над ней. Панель на поверхностных акустических волнах использует преобразователи и время возмущений волн, а не ёмкость пользователя. Ни один из этих трёх альтернативных сенсоров не моделируется изменением Предмета касания. Этот регулятор меняет предмет, подносимый к ёмкостному сенсору экспоната, а не саму технологию обнаружения.
Исторические даты тоже нужно разделять. Обзор USC Viterbi датирует работу Johnson с управлением пальцем в RRE 1965 годом. Указанный выше 1969 год относится к выдаче его американского патента, а не к первой демонстрации идеи. Отчёт CERN 1973 года относится к более поздней разработке для диспетчерской. Ни одна из дат не означает, что ранние системы уже поддерживали непрерывно отслеживаемые жесты многими пальцами, привычные для современного телефона.
Распространённые заблуждения
Чем сильнее нажатие, тем сильнее должен быть электрический сигнал. Этот сенсор измеряет связь, а не силу. Более сильное нажатие может расплющить кончик пальца и изменить площадь контакта, но это не калиброванное измерение силы. У пальца модели фиксированный профиль и нет регулятора давления. Приложение не может достоверно получить силу, просто переименовав амплитуду касания.
Четыре точки-кандидата означают обнаружение четырёх пальцев. При измерении собственной ёмкости строк и столбцов две активные строки и два активных столбца дают четыре возможных пересечения. Не хватает информации о том, какая строка связана с каким столбцом. Понижение порога не восстановит эту информацию и может пропустить больше шума. Взаимные измерения разрешают пересечения по отдельности. Два касания на одной строке также отличаются от двух диагональных касаний, поскольку меняется число неоднозначных пересечений.
Синяя отметка воды доказывает водонепроницаемость настоящих телефонов. Синий цвет здесь означает отрицательный сигнал после вычитания базового уровня в выбранной модели изолированной капли. Вода, достигающая заземлённого участка, может вести себя иначе, как объясняет руководство Infineon. Водонепроницаемость касается проникновения жидкости внутрь устройства; надёжная работа мокрым пальцем касается различения электрических сигналов. Выполнение одного требования не доказывает выполнение другого.
Эксперименты на экране
Каждая задача под регуляторами начинается с подготовленного состояния, а значок на сцене считает решённые задачи. В опытах ниже используются те же регуляторы.
Выберите Голый палец в поле Предмет касания и включите Значения узлов. Медленно перемещайте одно касание между центрами соседних узлов. Сравните указанную координату с пунктирной отметкой реального положения и ошибкой рядом с результатом. Запишите наибольшую ошибку на этом коротком пути, а не принимайте одно удачное показание за техническую характеристику.
Положите два пальца на тестовый экран или включите Касание стекла и положите их на модель. На телефоне разведите пальцы: пунктирная линия между касаниями показывает коэффициент масштабирования, а два максимума на сцене тоже расходятся. При работе мышью щёлкните с Shift в двух местах по диагонали, чтобы оставить оба пальца на месте, включите Сканирование собственной ёмкости, сосчитайте возможные пересечения, затем выключите режим, не перемещая пальцы.
Установите Толщину перчатки 2 мм и нажмите. Ничего не обнаруживается, пока не включена Высокая чувствительность; при 3 мм даже она не помогает. Повторите с Защитной плёнкой 1 мм и Тонким стилусом, наконечник 2,5 мм. Затем задайте пять Капель воды на стекле, ничего не касаясь, и найдите сочетание сканирования и чувствительности, регистрирующее касание от одной лишь воды.
Наконец установите Помехи зарядки на 85 % и держите один палец неподвижно. Ложные касания появляются вдоль его столбцов. Включите Фильтр помех (смена частоты), и число вернётся к реальным касаниям. Эти опыты используют отсчёты, а не измеренные пикофарады, и не могут проверить поведение перчаток, воды или зарядки на устройстве, с которого вы читаете.
Вопросы
Почему палец уменьшает ёмкость, а не увеличивает её?
При измерении взаимной ёмкости контроллер измеряет связь между строкой и столбцом. Палец отводит часть поля, которое иначе прошло бы от одного электрода к другому, поэтому связь уменьшается. При измерении собственной ёмкости контроллер измеряет один электрод относительно земли, а палец добавляет путь к земле, поэтому показание растёт. Тестовый экран показывает оба случая положительными отсчётами над базовым уровнем.
Каково расстояние между электродами в настоящем телефоне?
Производители используют разные рисунки и редко публикуют их. Приведённые здесь источники указывают ромбы 4–8 мм (Barrett и Omote) и используют 5 мм в расчётном примере (Microchip); это значение используется в модели.
Если шаг электродов 5 мм, как попасть в цель размером 2 мм?
Кончик пальца покрывает несколько узлов, и контроллер сравнивает силу отклика каждого. Взвешенное среднее трёх соседних значений даёт положение с долями миллиметра. Поле рядом с тестовым экраном показывает этот расчёт для вашего касания.
Что такое ложное касание?
Это ложное положение, возникающее при измерении двух пальцев сканированием собственной ёмкости строк и столбцов. Две затронутые строки и два столбца пересекаются в четырёх точках, и контроллер не отличает две реальные от двух мнимых. Измерение каждого пересечения отдельно, как при взаимной ёмкости, устраняет проблему.
Почему телефон не реагирует на меня в перчатках?
Толстая перчатка держит палец слишком далеко от электродов и сама плохо проводит электричество, поэтому изменение остаётся ниже порога контроллера. Телефоны с режимом перчаток повышают чувствительность, что также заставляет их реагировать на палец, зависший прямо над стеклом.
Почему капли воды нарушают работу сенсорного экрана?
Вода проводит электричество. В зависимости от того, достигает ли капля также заземлённой части сенсора, она может уменьшать показание как палец или изменять его в противоположную сторону. В любом случае она нарушает числа, на которые опирается контроллер, и прошивка должна распознать её и исключить.
Почему сосиска или банан работают на сенсорном экране?
Потому что предмет держат в руке, он достаточно хорошо проводит электричество и покрывает примерно столько же сетки, сколько кончик пальца, поэтому сетка видит немного более широкий палец. Engadget сообщал в феврале 2010 года, что южнокорейские владельцы iPhone использовали на холоде закусочные сосиски таким образом. Деревянный карандаш ничего не делает: графит проводит электричество, но дерево отделяет его от руки, а кончик очень мал.
Почему телефон плохо работает с дешёвой зарядкой?
EDN объясняет, что плохая зарядка заставляет общий провод телефона колебаться относительно земли, а касающийся экрана палец вводит эти колебания в электроды под ним. Контроллеры обнаруживают помехи и меняют рабочую частоту; модель показывает вызванные ими ложные касания и действие фильтра.
Зачем нужен специальный стилус?
Наконечник должен проводить электричество и быть достаточно широким, чтобы покрывать узел подобно кончику пальца. Обычная пластиковая ручка вообще не меняет поле. Перья для рисования с тонким наконечником относятся к активным: они посылают в сетку собственный сигнал.
Может ли экран обнаружить палец до касания?
Да. Выгнутое поле немного выходит над стеклом. Большинство телефонов ждёт уверенного касания, но Barrett и Omote отмечают, что чувствительность можно поднять до обнаружения руки рядом с экраном; они называют это обнаружением приближения. В модели палец в 3 мм над стеклом даёт 22 отсчёта, чуть ниже обычного порога 30.
Гарантируют ли 0,1 мм на индикаторе точность 0,1 мм?
Нет. Это шаг индикации. В расчётном примере ошибка составляет около 0,24 мм, несмотря на более мелкие выводимые разряды; интерполяция, шум и краевые эффекты по-прежнему важны.
Совпадает ли самая быстрая настройка сканирования с частотой обновления дисплея?
Нет. Её 120 кадров/с относятся к сенсору касаний. Полное сканирование занимает 8,33 мс, но обработка и планирование обновления дисплея добавляют задержки, которые модель не воспроизводит.
Термины
- Проекционная ёмкость: технология, обнаруживающая палец через стекло путём измерения ёмкости между электродами с рисунком под ним.
- Взаимная ёмкость: ёмкость между передающим и приёмным электродами в месте пересечения.
- Собственная ёмкость: ёмкость одного целого электрода относительно земли.
- Узел: одно пересечение строки и столбца, наименьшая единица измерения взаимно-ёмкостного контроллера.
- ITO (оксид индия и олова): прозрачный проводящий материал, используемый для электродов.
- Базовый уровень: сохранённое показание без касаний, вычитаемое контроллером из каждого нового измерения.
- Порог: значение над базовым уровнем, при котором узел считается затронутым.
- Центроид: взвешенное среднее значений нескольких узлов для определения положения точнее шага электродов.
- Ложная точка: ложное положение касания, возникающее при измерении строк и столбцов целиком.
- Шаг: расстояние между соседними электродами.
Источники
Microchip Technology, Todd O'Connor, TB3064: mTouch Projected Capacitive Touch Screen Sensing Theory of Operation (2010): ромбовидные электроды ITO, типичные значения ёмкости, измерение взаимной и собственной ёмкости, базовый уровень, формула и пример интерполяции, пример двух касаний. https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/93064A.pdf (проверено 16 октября 2026 года)
Microchip Technology, AN2934: Capacitive Touch Sensor Design Guide (2020): конструкция взаимно-ёмкостного сенсора и шаг электродов. https://ww1.microchip.com/downloads/aemDocuments/documents/TXFG/ApplicationNotes/ApplicationNotes/Capacitive-Touch-Sensor-Design-Guide-DS00002934-B.pdf (проверено 16 октября 2026 года)
Infineon Technologies, AN85951: PSoC 4 and PSoC 6 MCU CAPSENSE design guide: уменьшение взаимной ёмкости под пальцем, расчёт центроида и линейность, капли жидкости на взаимно-ёмкостных сенсорах. https://documentation.infineon.com/psoc6/docs/epf1667481159393 (проверено 16 октября 2026 года)
Infineon Technologies, AN234185: PSoC 4 CAPSENSE touchpad design guide: ромбовидный рисунок ITO, разрешение центроида. https://www.infineon.com/assets/row/public/documents/30/42/infineon-an234185-psoc-4-capsense-touchpad-design-guide-applicationnotes-en.pdf (проверено 16 октября 2026 года)
3M Touch Systems, Touch Technology Brief: Projected Capacitive Technology, размещено MIT для курса по электрическим цепям: конструкция сенсора ITO и поверхностное сопротивление, ложные точки, пример 40 на 60, время отклика. https://circuits.mit.edu/_static/S25/labs/rc/3m_capsense.pdf (проверено 16 октября 2026 года)
Gary Barrett и Ryomei Omote, Projected-Capacitive Touch Technology, Information Display 3/10 (2010), размещено Stanford University: толщина защитного стекла, размер ромбов, частоты сканирования, разрешение, ограничения для перчаток и стилусов, обнаружение приближения, контроллер на гибком шлейфе, цитата из патента о 15 касаниях. http://large.stanford.edu/courses/2012/ph250/lee2/docs/art6.pdf (проверено 16 октября 2026 года)
Hyoungsik Nam и другие, Kyung Hee University, Review of Capacitive Touchscreen Technologies: Overview, Research Trends, and Machine Learning Approaches, Sensors 21 (2021): собственная и взаимная ёмкость, ложные касания, помехи дисплея и зарядки, пассивные и активные стилусы, вода как загрязнение. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8309784/ (проверено 16 октября 2026 года)
Graham Roth, Capacitive Touch Screens, учебная работа Stanford University для PH250 (2012): обзор собственной и взаимной ёмкости. http://large.stanford.edu/courses/2012/ph250/roth2/ (проверено 16 октября 2026 года)
CERN, CERN becomes one of the touch-screen pioneers: записка Stumpe 1972 года, линии 80 мкм, отчёт 1973 года, диспетчерская SPS, экран X–Y 1977 года. https://timeline.web.cern.ch/cern-becomes-one-touch-screen-pioneers (проверено 16 октября 2026 года)
Bent Stumpe и Christine Sutton, The first capacitative touch screens at CERN, CERN Courier (2010). https://cerncourier.com/a/the-first-capacitative-touch-screens-at-cern/ (проверено 16 октября 2026 года)
Malvern Radar and Technology History Society, 1965: The Touchscreen: сенсорный дисплей Eric Johnson с медными проволоками в RRE Malvern. http://mraths.org.uk/?page_id=531 (проверено 16 октября 2026 года)
Eric Arthur Johnson, патент США 3,482,241, Touch displays, выдан 2 декабря 1969 года. https://patents.google.com/patent/US3482241A/en (проверено 16 октября 2026 года)
Расчёты на этой странице: значение узла = A × exp(-d² ÷ 2s²) ÷ (1 + (h ÷ 1,6 мм)²), где A = 100 и s = 3,4 мм для пальца; положение = Σ(значение × положение) ÷ Σ значений трёх соседних узлов.
MIT, Scott Hughes, 8.022 Lecture 6, Capacitance: Q = CV и смысл накопленного заряда; использовано для примера с явно принятым напряжением 3 В. https://web.mit.edu/sahughes/www/8.022/lec06.pdf (проверено 23 октября 2026 года)
Dylan Conover, BYU Design Review, Explained: How Touchscreens Work (2026): принципы работы и ограничения резистивных, инфракрасных сенсоров и сенсоров на поверхностных акустических волнах. https://www.designreview.byu.edu/collections/explained-how-touchscreens-work (проверено 23 октября 2026 года)
USC Viterbi, Illumin, Touchscreen: an Engineered Harmony between Humans and Machines: работа Johnson в RRE в 1965 году; использовано для даты, а не для упрощённой аналогии электрического поля. https://illumin.usc.edu/touchscreen-an-engineered-harmony-between-humans-and-machines/ (проверено 23 октября 2026 года)
Nilay Patel, Engadget, South Korean iPhone users turn to sausages as a cold weather 'meat stylus' (11 февраля 2010 года). https://www.engadget.com/2010-02-11-south-korean-iphone-users-turn-to-sausages-as-a-cold-weather-me.html (проверено 27 октября 2026 года)
EDN, Aggressively combat noise in capacitive touch applications (2013): синфазные помехи зарядки, вводимые через палец только при касании. https://www.edn.com/aggressively-combat-noise-in-capacitive-touch-applications/ (проверено 27 октября 2026 года)
Petro Ksondzyk и Dennis Wavomba (Cypress Semiconductor), патент США 9,444,452, Frequency hopping algorithm for capacitance sensing devices (2016): обнаружение помех зарядки и переход на другую рабочую частоту. https://patents.google.com/patent/US9444452B2/en (проверено 27 октября 2026 года)
Jefferson Y. Han, Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection, UIST 2005. https://dl.acm.org/doi/10.1145/1095034.1095054 (проверено 27 октября 2026 года)
Wacom, What is the EMR (Electro-Magnetic Resonance) method? и Our key technologies: перья EMR без батареи, перья Active ES, использующие общий сенсор с пальцами. https://support.wacom.com/hc/en-us/articles/1500006270401-What-is-the-EMR-Electro-Magnetic-Resonance-method-incorporated-in-a-pen-tablet и https://www.wacom.com/en-us/about-wacom/technologies (проверено 27 октября 2026 года)
Synaptics, Clear ID optical in-display fingerprint sensors featured on new vivo X21 UD smartphones (21 марта 2018 года). https://www.synaptics.com/company/news/clear-id-vivo-x21-ud-smartphone (проверено 27 октября 2026 года)
Qualcomm, Qualcomm 3D Sonic Sensor (2019), Introducing Qualcomm 3D Sonic Sensor Gen 2 (2021: Gen 1 4 × 9 мм) и Force Sensing creates new waves for smartphone displays (2024: 3D Sonic Max 600 мм², два пальца). https://www.qualcomm.com/news/onq/2019/02/samsung-galaxy-s10-taps-qualcomm-3d-sonic-sensor-top-notch-security-and-accuracy , https://www.qualcomm.com/news/onq/2021/01/introducing-qualcomm-3d-sonic-sensor-gen-2 , https://www.qualcomm.com/news/onq/2024/05/force-sensing-creates-new-waves-for-smartphone-displays (проверено 27 октября 2026 года)
Значения модели на сцене: перчатка и плёнка как последовательные слои с защитным стеклом, k = 1 ÷ (1 + 0,6 × (плёнка ÷ 2 + перчатка ÷ 2) ÷ 0,1 мм); изолированная капля −18 отсчётов, заземлённая капля +50; помехи зарядки до 46 отсчётов вдоль затронутых столбцов, 12 % с фильтром; 1,50 пФ и 0,002 пФ на отсчёт.
Текст и симуляция: CC BY-NC-SA 4.0, если не указано иное.





