Kaip veikia jutiklinių ekranų kapacityvinis jutiklis

Kodėl mūsų pirštai gali valdyti telefonus

Prisimenu, kai pirmą kartą pamačiau žmogų naudojantį iPhone 2007 metais – atrodė kaip magija. Jokių mygtukų, tik pirštų judesiai ekrane, o telefonas klausė kiekvieno prisilietimo. Tada dar niekas iš mūsų nežinojome, kad už šios „magijos” slypi kapacityvinis jutiklis – technologija, kuri per keliolika metų tapo tokia įprasta, jog apie ją net nebegalvojame.

Kapacityviniai jutikliniai ekranai šiandien yra visur: išmaniuosiuose telefonuose, planšetėse, bankomato ekranuose, automobiliuose, net šaldytuvuose. Bet kaip tiksliai veikia ši technologija? Kodėl ekranas reaguoja į mūsų pirštus, bet ignoruoja pieštuko galą ar pirštines? Pasirodo, atsakymas slypi elektros fizikoje ir mūsų kūno savybėse.

Elektros laukai ir žmogaus kūnas

Norint suprasti kapacityvinius jutiklius, pirmiausia reikia suprasti, kas yra talpumas (kapacityvumas). Tai elektros savybė, kuri apibūdina gebėjimą kaupti elektros krūvį. Kiekvienas objektas turi tam tikrą talpumą, o žmogaus kūnas – ypač gerą, nes esame maždaug 60 procentų sudaryti iš vandens, kuris puikiai veda elektrą.

Kapacityvinis ekranas iš esmės yra vienas didelis kondensatorius – įtaisas, galintis kaupti elektros energiją. Ekrano paviršiuje yra plonas skaidrus laidininkas, dažniausiai indžio alavo oksidas (ITO), kuris sudaro elektros lauką. Kai jūsų pirštas priartėja prie ekrano, jūsų kūnas tampa šio elektros lauko dalimi ir pakeičia jo savybes konkrečioje vietoje.

Įsivaizduokite vandens paviršių – kai įmerkiate pirštą, susidaro bangelės. Panašiai veikia ir kapacityvinis ekranas, tik vietoj vandens bangelių čia keičiasi elektros lauko intensyvumas. Ekrano kampuose ar kraštų zonose esantys jutikliai stebi šiuos pokyčius ir tiksliai nustato, kur ekraną palietėte.

Kaip ekranas žino, kur lietėte

Moderniuose ekranuose naudojama projekcinė kapacityvinė technologija (PCAP), kuri yra gerokai sudėtingesnė už ankstyvąsias versijas. Ekrano viduje yra dvi laidininkų sluoksnių tinkleliai, išdėstyti vienas virš kito – vienas horizontalus, kitas vertikalus. Šie tinkleliai sudaryti iš mikroskopinių laidų ar skaidrių laidininkų juostelių, kurios yra tokios plonos, kad akimi jų nepastebėsite.

Kai įjungiamas ekranas, pro šiuos laidus teka silpna elektros srovė, sukurdama elektromagnetinį lauką. Kiekvienas susikirtimo taškas tarp horizontalių ir vertikalių linijų veikia kaip atskiras mažytis kondensatorius. Šiuolaikiniame išmaniajame telefone tokių susikirtimo taškų gali būti dešimtys tūkstančių.

Kai jūsų pirštas paliečia ekraną, jis iškrauna nedidelę dalį elektros krūvio tame taške. Specialus mikroschemos procesorius nuolatos stebi kiekvieno susikirtimo taško talpumą ir, aptikęs pasikeitimą, apskaičiuoja tikslią prisilietimo vietą. Visas šis procesas vyksta per kelias milisekundes – todėl ekranas reaguoja beveik akimirksniu.

Kodėl pirštinėmis neveikia

Štai kodėl žiemą lauke bandant naudoti telefoną su įprastomis pirštinėmis nieko nenutinka – medžiaga tarp jūsų odos ir ekrano veikia kaip izoliatorius, blokuojantis elektros lauką. Jūsų pirštas tiesiog nepasiekia ekrano elektromagnetinio lauko, todėl sistema neužregistruoja jokio prisilietimo.

Tačiau specialios jutiklinių ekranų pirštinės veikia, nes į jų galiukus įaustas laidus siūlas, dažniausiai su sidabro ar vario dalelėmis. Šis siūlas praleidžia elektrą ir leidžia jūsų kūno elektriniam laukui pasiekti ekraną. Kai kurie žmonės net patys pasigamina tokias pirštines, įsiūdami laidų siūlą į įprastų pirštinių galiukus.

Pieštuko galas, plastikinis stylus ar bet koks kitas neelektrinis objektas taip pat neveiks su kapacityviniu ekranu. Būtent todėl buvo sukurti specialūs kapacityviniai stylus’ai – jie turi laidžią gumą ar specialų antgalį, kuris imituoja žmogaus piršto elektrines savybes.

Skirtumas tarp senųjų ir naujųjų jutiklių

Prieš kapacityvinius ekranus dominavo rezistyviniai jutikliniai ekranai. Juos dar galima rasti senesniuose bankomato ekranuose ar pramoniniuose įrenginiuose. Rezistyvinis ekranas veikia visiškai kitaip – jame yra du laidūs sluoksniai, atskirti mažytėmis tarpiklėmis. Kai spaudžiate ekraną, šie sluoksniai susiliečia, ir sistema užregistruoja prisilietimą.

Rezistyviniai ekranai turi privalumų – jie veikia su bet kuo: pirštu, pirštine, pieštuku, nagu. Jie pigesni gaminti ir gali būti naudojami drėgnoje aplinkoje. Tačiau jų trūkumai akivaizdūs: prastas skaidrumas, mažesnis jautrumas, nepalaikomas daugiataškis lietimas (multi-touch), ir jie gana greitai nusidėvi, nes reikia fiziškai spausti ekraną.

Kapacityviniai ekranai šių problemų neturi. Jie skaidresni, jautresni, palaiko iki dešimties ar daugiau vienu metu užregistruotų prisilietimų (todėl galime naudoti gestus dviem pirštais), ir jų paviršius nesidėvi, nes nereikia spausti – pakanka lengvo prisilietimo. Vienintelis rimtesnis trūkumas – jie neveikia su įprastomis pirštinėmis ir kai kuriais objektais.

Daugiataškio lietimo paslaptis

Viena įspūdingiausių kapacityvinių ekranų savybių yra gebėjimas atpažinti kelis prisilietimus vienu metu. Būtent ši funkcija leidžia mums „ištempti” nuotrauką dviem pirštais, pasukti žemėlapį ar žaisti žaidimus, kuriuose reikia valdyti kelis objektus.

Techniškai tai veikia todėl, kad ekrano procesorius stebi visus tūkstančius susikirtimo taškų tinklelyje vienu metu. Kai aptinkama keletas pasikeitusio talpumo zonų, sistema apskaičiuoja kiekvienos jų koordinates atskirai. Moderniausios sistemos gali atskirti net dešimt ar daugiau vienu metu užregistruotų prisilietimų.

Įdomu tai, kad sistema turi būti gana protinga, kad atskirtų tikrus prisilietimus nuo atsitiktinių. Pavyzdžiui, kai laikote telefoną, jūsų delnas gali būti arti ekrano krašto, bet telefonas neturi to interpretuoti kaip prisilietimo. Todėl programinė įranga naudoja sudėtingus algoritmus, kurie analizuoja prisilietimo dydį, formą ir intensyvumą, atskirdami tikrus pirštų prisilietimus nuo atsitiktinių kontaktų.

Ką daryti, kai ekranas nebeveikia tinkamai

Kartais pastebite, kad jūsų telefono ekranas reaguoja lėčiau, neregistruoja kai kurių prisilietimų ar net „pats spaudžia” dalykus. Dažniausiai tai nesusijęs su sugedimu, o su išoriniais veiksniais.

Pirmas dalykas, kurį reikia patikrinti – ekrano švarumas. Riebalai, purvas, dulkės ar drėgmė ant ekrano paviršiaus gali trukdyti elektros laukui ir sukelti netikslumų. Nuvalykite ekraną švaria mikropluošto šluoste – dažnai tai išsprendžia problemą.

Jei naudojate apsauginį stiklą ar plėvelę, įsitikinkite, kad jie tinkamai pritvirtinti be oro burbuliukų. Oro tarpas tarp apsauginio stiklo ir ekrano gali sutrikdyti kapacityvinį lauką. Kokybiški apsauginiai stiklai šios problemos nesukelia, bet pigūs ar blogai pritvirtinti gali.

Ekstremalios temperatūros taip pat gali paveikti veikimą. Labai šaltame ore ekranas gali reaguoti lėčiau ar visai nereaguoti – tai normalu, nes žemos temperatūros keičia medžiagų elektrines savybes. Kai telefonas atšyla, viskas turėtų sugrįžti į normalias vėžes.

Jei ekranas vis tiek veikia blogai, pabandykite perkrauti telefoną. Kartais programinės įrangos klaidos gali sukelti jutiklinio ekrano problemų. Jei ir tai nepadeda, gali būti, kad ekranas fiziškai pažeistas – pavyzdžiui, po kritimo galėjo atsijungti vidinis kabelis ar sugesti pats jutiklinis sluoksnis.

Ateities technologijos ir ką jos žada

Kapacityviniai ekranai nuolat tobulėja. Naujausi išmaniųjų telefonų ekranai jau gali atpažinti ne tik prisilietimo vietą, bet ir spaudimo jėgą. Ši technologija, vadinama 3D Touch ar Force Touch, prideda papildomą valdymo dimensiją – stipriau paspaudus ekraną atsiranda papildomos funkcijos ar meniu.

Kai kurie gamintojai eksperimentuoja su ultragarsinio tipo jutikliais, kurie gali veikti net po vandeniu ar su šlapiomis rankomis – tradicinių kapacityvinių ekranų silpnoji vieta. Kiti kuria ekranus, kurie gali aptikti prisilietimą net neliečiant paviršiaus – sistema jaučia, kai pirštas yra vos kelių milimetrų atstumu.

Ateityje galime tikėtis ekranų, kurie bus integruoti į bet kokius paviršius – stalus, sienas, net langus. Jau dabar yra prototipų, kur visa automobilio prietaisų skydo paviršius yra vienas didelis kapacityvinis ekranas. Technologija tampa lankstesnė, pigesnė ir patikimesnė.

Įdomu tai, kad kai kurie mokslininkai dirba prie ekranų, kurie galėtų suteikti haptinį (lietimo) grįžtamąjį ryšį – jausti mygtukų tekstūrą ar pasipriešinimą, nors ekranas yra visiškai lygus. Tai atvertų visiškai naujas galimybes sąveikai su skaitmeniniais įrenginiais.

Kai technologija tampa nematoma

Kapacityviniai jutikliniai ekranai yra puikus pavyzdys, kaip sudėtinga technologija tampa tokia įprasta, kad apie ją net nebegalvojame. Kas rytą paliečiame telefoną, kad išjungtume žadintuvą, per dieną šimtus kartų braukiame pirštais per ekraną, o vakare naršome internete ar žiūrime filmus – visa tai dėka mikroskopinių laidininkų tinklelių ir protingų algoritmų, kurie stebi mūsų kūno elektrinį lauką.

Nuo tų pirmųjų iPhone dienų technologija padarė milžinišką šuolį. Ekranai tapo jautresni, greitesni, didesni ir patikimesni. Jie veikia bet kokiomis sąlygomis, atpažįsta sudėtingus gestus ir net jaučia, kaip stipriai spaudžiate. O visa tai pagrįsta paprasta fizikos taisykle – žmogaus kūnas veda elektrą ir gali keisti elektromagnetinį lauką.

Kiekvieną kartą, kai palietę ekraną matote akimirksniu atsirandančią reakciją, prisiminkite, kad už šio paprastumo slypi dešimtmečiai tyrimų, inžinerijos ir tobulinimo. Tai technologija, kuri pakeistė mūsų santykį su skaitmeniniais įrenginiais ir padarė juos tokius intuityvius, kad net maži vaikai gali jais naudotis be jokių instrukcijų. Ir tai tikrai nėra magija – tai tiesiog labai protingai panaudota fizika.