Как работает сенсорный экран смартфона — и почему он не чувствует перчатку и ноготь
Если коротко: экран смартфона не чувствует ни тепло, ни нажим. Под стеклом лежит прозрачная сетка из тончайших проводников, и между каждой парой пересекающихся линий есть крошечная электрическая ёмкость. Палец — это проводник, соединённый с вашим телом: он уводит на себя часть электрического поля, и в узлах под ним сигнал проседает. Контроллер непрерывно сканирует эту сетку, видит «пятно» проседания и вычисляет его центр. Ноготь, обычная перчатка и пластиковая палочка поле не уводят — поэтому экран их и не замечает.
Это канал «Всё про ИИ и Роботов». Мы обычно разбираем, как машины видят мир, а сегодня — про самый массовый датчик на планете, которым вы пользуетесь прямо сейчас. Механизм у него простой и красивый, а из этого механизма сами собой вытекают ответы на бытовые вопросы: почему не работает в перчатках, почему глючит под дождём и почему, как однажды выяснилось, им можно управлять сосиской.
Миф: экран чувствует тепло или силу нажатия
Самое частое объяснение «на пальцах» звучит так: экран реагирует на тепло руки. Проверить легко. Прижмите к экрану тёплую кружку — ничего. А пальцем, только что с мороза и почти ледяным, телефон управляется как обычно. Значит, температура тут ни при чём.
Со вторым мифом — про давление — интереснее, потому что когда-то он был правдой. Старые сенсорные экраны действительно реагировали на нажим, и о них ниже. Современный ёмкостный экран отзывается на лёгкое скольжение даже без ощутимого усилия: производитель дисплеев Newhaven Display в сравнении технологий прямо пишет, что такому экрану почти не нужен контакт и лёгкий свайп срабатывает так же, как медленное «тяжёлое» ведение пальцем.
Была и промежуточная история: в iPhone от 6s до XS стояла отдельная технология 3D Touch, которая различала силу нажатия. Но это был дополнительный слой датчиков поверх обычного сенсора, а сами координаты касания всё равно считались по ёмкости. Позже Apple от этого слоя отказалась и заменила его «долгим нажатием» с вибрацией — Haptic Touch. То есть чувство «экран ощущает, как сильно я жму» — это либо воспоминание о старых моделях, либо работа программы, которая смотрит на длительность касания и на то, как расплющивается подушечка пальца.
Что на самом деле лежит под стеклом
Если разрезать дисплей смартфона, сверху окажется защитное стекло, под ним — сенсорный слой, а ещё ниже — сама матрица, которая светится картинкой. Сенсорный слой сделан из прозрачного проводящего материала; классический вариант — оксид индия-олова (ITO), тонкая плёнка, которая проводит ток и при этом почти не мешает свету.
Важно, что этот проводник не сплошной. Его вытравливают в рисунок — ряды линий в одном направлении и ряды в перпендикулярном, разделённые изолятором. Получается мелкая сетка, которую вы никогда не видите. Технология называется проекционно-ёмкостной (projected capacitive, PCAP): «проекционной» — потому что электрическое поле от этой сетки «выглядывает» сквозь стекло наружу и чувствует, что происходит над ним. Именно поэтому сенсор работает через защитное стекло и плёнку и не требует, чтобы палец касался самих проводников.
Ёмкость — это просто «как сильно два проводника чувствуют друг друга»
Два проводника, разделённые изолятором, образуют конденсатор. Если подать на один из них переменный сигнал, часть этого сигнала «перетечёт» на второй через электрическое поле между ними — и чем больше ёмкость, тем больше дойдёт. В каждой точке, где строка сетки пересекает столбец, возникает такой маленький конденсатор. Инженеры называют эти точки узлами.
Как контроллер находит палец: взаимная ёмкость
Дальше начинается самое красивое. Одни линии сетки работают передатчиками, другие — приёмниками. Контроллер по очереди подаёт сигнал на линии-передатчики, а приёмники в это время слушают, сколько сигнала до них дошло через каждый узел. Так устроена схема из патента Apple на мультитач-экран, поданного ещё в 2004 году: одна группа линий возбуждается, вторая измеряет ёмкостную связь в каждом узле, а палец, оказавшись рядом, по формулировке патента, «крадёт заряд» и меняет ёмкость узла.
Почему палец «крадёт»? Ваше тело — проводник, причём довольно большой и связанный с окружением. Когда подушечка пальца оказывается над узлом, часть силовых линий поля, которые шли от передатчика к приёмнику, замыкается на палец и уходит в тело. До приёмника доходит меньше сигнала. Контроллер видит: в этом узле связь просела.
Палец намного шире шага сетки, поэтому проседают сразу несколько соседних узлов: сильнее всего — под центром подушечки, слабее — по краям. Получается маленькая «тепловая карта» касания, хотя никакого тепла в ней нет — только цифры ослабления сигнала. Контроллер вычисляет центр этого пятна и выдаёт координаты точнее, чем расстояние между линиями. Этот режим называется взаимной ёмкостью (mutual capacitance), потому что меряется связь между двумя разными электродами.
Откуда берётся мультитач
Раз контроллер получает целую карту узлов, а не одно число, на ней можно увидеть несколько пятен сразу. Два пальца — два пятна, у каждого свой центр, и программа следит, как они расходятся при «щипке» для увеличения. В патенте Apple это так и описано: сигналы каждого пятна контакта группируются в отдельное «изображение». А в патенте Elo Touch Solutions о защите от воды отмечается, что смартфоны и планшеты используют как раз режим взаимной ёмкости и обычно отслеживают одновременно десять и более касаний.
Есть и второй режим — собственная ёмкость (self capacitance): каждый электрод одновременно и возбуждается, и измеряется, контроллер смотрит, насколько выросла его ёмкость относительно «земли». Он чувствительнее, но с несколькими пальцами сразу у него хуже: по строке и столбцу отдельно непонятно, какие пересечения настоящие. Поэтому в телефонах основной режим — взаимный.
Чем отличался старый резистивный экран
До эпохи смартфонов с мультитачем сенсоры часто были резистивными, и их до сих пор можно встретить в промышленных панелях и терминалах. Устроены они по-другому: по описанию Newhaven Display, это две проводящие плёнки с небольшим зазором. Нажимаете — верхний гибкий слой прогибается, касается нижнего, цепь замыкается, и контроллер по напряжению вычисляет, в каком месте.
Отсюда все его особенности. Такому экрану всё равно, чем жать: пальцем, ногтем, рукой в перчатке, пластиковым стилусом. Зато нужно именно надавить, лёгкое скольжение он не замечает. Плёнка сверху мягче стекла и хуже пропускает свет: в той же спецификации у резистивного сенсора указано около 75% светопропускания против 82% у ёмкостного. И мультитач для него — задача очень трудная: при двух нажатиях слои замыкаются в двух местах, и простая схема видит что-то среднее между ними.
Получается, миф про давление — это просто воспоминание о резистивных экранах, перенесённое на технологию, которая работает совсем иначе.
Почему экран не чувствует ноготь и обычную перчатку
Теперь, зная механизм, ответ очевиден: ёмкостному экрану нужен проводник, связанный с вашим телом, причём близко к стеклу. Электрическое поле сетки выглядывает наружу лишь чуть-чуть и быстро ослабевает с расстоянием.
Ноготь — это роговая пластина из сухого кератина, ток он проводит плохо. Когда вы касаетесь экрана кончиком ногтя, проводящая мякоть пальца остаётся в нескольких миллиметрах от стекла — слишком далеко, чтобы заметно ослабить связь в узлах. Иногда длинный ноготь всё же «срабатывает», если подушечка случайно оказывается почти у поверхности, но надёжно это не работает.
Обычная перчатка делает то же самое вдвойне: ткань или кожа не проводят ток и вдобавок отодвигают палец от стекла. Проседание сигнала становится таким маленьким, что контроллер принимает его за шум. Это защитная логика: если бы сенсор реагировал на такие крошечные изменения, он бы ловил ложные касания от каждого колебания поля.
Как устроены «сенсорные» перчатки
Решение придумали очевидное: сделать в кончиках пальцев проводящий мостик. В патенте на перчатки для сенсорных экранов, поданном в 2010 году, это описано буквально: в вязку на кончиках пальцев вплетают токопроводящую нить так, чтобы она проводила ток от внутренней поверхности, где кожа, до внешней, где стекло. Электрически экран «видит» уже не ткань, а продолжение вашего пальца. Обычно такие нити — синтетика с металлическим покрытием, чаще всего серебряным.
Отсюда практический вывод: если «сенсорная» перчатка перестала работать, часто дело не в ней, а в том, что проводящая вставка не касается кожи — перчатка велика, или вставка протёрлась. Ещё один вариант — режим повышенной чувствительности. Например, Samsung в инструкции к Galaxy советует включить «Чувствительность касания» в настройках экрана, если вы пользуетесь защитной плёнкой или перчатками. Такой режим просто снижает порог, после которого слабое проседание считается касанием, — платой бывает чуть больше случайных срабатываний.
Мокрые руки, дождь и знаменитая сосиска
С водой ситуация обратная: она не «не видна», а видна слишком хорошо — и не так, как надо. Вода сильно влияет на электрическое поле: у неё очень высокая диэлектрическая проницаемость, около 80, — это отмечено в уже упомянутом патенте Elo. Там же сказано, что в режиме взаимной ёмкости качество распознавания быстро падает с ростом количества воды на поверхности. При этом отдельная капля, не связанная с телом, остаётся для электроники почти незаметной: палец даёт сигнал потому, что он электрически соединён с вашим телом, а капля — нет.
Проблемы начинаются, когда капли и плёнка воды связываются с пальцем или друг с другом. Тогда влага растягивает «пятно» касания, соединяет соседние узлы, и контроллер видит касание шире настоящего или несколько ложных. Отсюда знакомые симптомы под дождём или после душа: экран «прыгает», сам что-то открывает, свайпы срываются. Помогает банальное — вытереть и стекло, и палец: дело не в «замыкании», а в том, что вода искажает карту узлов.
Сосиска вместо стилуса
Зимой 2010 года в Южной Корее, по сообщениям тогдашней прессы, владельцы смартфонов стали пользоваться на морозе небольшими мясными колбасками вместо пальца, чтобы не снимать перчатки. История звучит как анекдот, но физика в ней честная. Сосиска — это в основном вода с солью, то есть неплохой проводник. Кусок такого проводника заметного размера сам по себе уводит на себя часть поля сетки, а через руку, которой его держат, ещё и связан с телом. Для экрана он выглядит как очень толстый и странно пахнущий палец.
По этой же логике работают покупные стилусы с мягким токопроводящим наконечником: внутри проводник, соединённый с рукой через корпус. А обычная пластиковая палочка не срабатывает, сколько ни дави, — пластик диэлектрик и заряд не уводит.
Почему экран иногда «живёт своей жизнью»
Если сенсор — это прибор, который постоянно меряет крошечные изменения ёмкости, то всё, что эти изменения вызывает, может ему мешать. Отсюда типичные ситуации, которые иногда принимают за поломку.
Плохо приклеенная плёнка или стекло. Воздушный пузырь или пыль под защитой — это лишний зазор между пальцем и сеткой. В той же инструкции Samsung прямо указано, что отслоившаяся или неровно приклеенная плёнка ухудшает отклик. Сам по себе слой защиты не мешает — сенсор рассчитан работать сквозь стекло, — мешает именно неравномерный зазор.
Грязь и жир — обычно не беда, а вот солёный пот или вода — уже проводящая плёнка, и она вносит те же искажения, что и дождь.
Трещина в стекле может повредить линии сетки под ним — тогда «мёртвая» полоса или самопроизвольные касания означают повреждение сенсора, а не программный сбой. Если интересно, что из мелких повреждений стекла поправимо, а что нет, — у нас есть отдельный разбор про царапины.
Смартфон вообще полон датчиков, которые работают совсем не так, как кажется. Например, навигация ничего не отправляет на спутники, а только слушает их часы:
А если хочется ещё одной истории о том, почему ток идёт не туда, куда мы интуитивно ждём, — вот разбор про птиц на проводах:
Коротко
— Сенсорный экран смартфона — проекционно-ёмкостной: под стеклом прозрачная сетка проводников, и в каждом пересечении есть крошечная ёмкость.
— Контроллер по очереди возбуждает одни линии и слушает другие. Палец, связанный с телом, уводит часть поля, сигнал в узлах под ним проседает.
— По карте проседаний контроллер находит центр каждого пятна — отсюда и точные координаты, и мультитач на десять и более пальцев.
— Тепло и сила нажатия тут ни при чём. На давление реагировали старые резистивные экраны, а «силовой» 3D Touch в iPhone был отдельным дополнительным слоем.
— Ноготь и обычная перчатка не проводят ток и отодвигают палец от стекла. «Сенсорные» перчатки работают благодаря токопроводящей нити, а сосиска — благодаря солёной воде.
— Вода на стекле искажает карту узлов, поэтому мокрый экран сбоит. Вытрите и стекло, и палец.
Пока нет комментариев