Как сенсорный экран чувствует палец, но не перчатку

Экран чувствует не давление пальца, а то, как ваше тело крадёт у него крошечный электрический заряд.

Ёмкостный экран — это прозрачная сетка электродов под стеклом; палец нарушает их электрическое поле, и по тому, где именно изменилась ёмкость, телефон вычисляет точку касания.

Два разных принципа

Сенсорные экраны бывают двух главных типов, и работают они совершенно по-разному. Старые резистивные экраны (в банкоматах, навигаторах прошлых лет) реагируют на давление: две гибкие плёнки с проводящим слоем продавливаются и соприкасаются в точке нажатия. Им всё равно, чем нажимать — пальцем, ногтем, стилусом, варежкой.

Современные смартфоны используют ёмкостные экраны. Они не чувствуют давления вовсе — им важна электрическая проводимость того, что касается стекла. Поэтому такой экран отзывчивее и поддерживает несколько касаний сразу, но «слепнет» к неэлектропроводным предметам.

Сетка невидимых проводов

Под защитным стеклом ёмкостного экрана нанесён прозрачный проводящий слой — обычно оксид индия-олова, материал, который и ток проводит, и свет пропускает. Из него вытравлена сетка электродов: ряды по горизонтали и колонки по вертикали, как координатная решётка.

На электроды подаётся слабое переменное напряжение, и вокруг них существует электрическое поле. Каждое пересечение строки и столбца обладает определённой ёмкостью — способностью накапливать заряд. В покое все эти ёмкости известны и стабильны.

Палец как вор заряда

Человеческое тело хорошо проводит электричество, ведь оно во многом из солёной воды. Когда палец приближается к стеклу, он становится частью электрической цепи и оттягивает на себя часть заряда — ёмкость в этом месте сетки меняется.

Контроллер постоянно опрашивает все пересечения и замечает, где именно ёмкость «просела». Зная строку и столбец с изменением, он вычисляет координаты касания. Причём по силе изменения у соседних узлов можно уточнить точку между электродами — поэтому касание определяется точнее, чем размер ячейки сетки.

сетка X×Y -> опрос ёмкостей -> «провал» в (столбец 7, строка 12)
        -> уточнение по соседям -> точные координаты

Откуда берётся мультитач

Раз контроллер видит всю сетку целиком, он замечает не одно изменение, а сразу несколько. Два пальца — два «провала» ёмкости в разных местах, и оба отслеживаются независимо. Так появляются жесты: щипок для масштаба, поворот двумя пальцами, набор на клавиатуре.

Система ведёт каждое касание отдельно, присваивая ему идентификатор, и следит за траекторией: откуда палец пришёл, куда движется, когда оторвался. Из этих траекторий жестовый движок и собирает свайпы, тапы и сложные жесты.

Почему перчатка не работает

Обычная шерстяная или кожаная варежка — диэлектрик: она не проводит ток и не оттягивает заряд. Палец в ней не нарушает поле электродов, и экран не видит касания. Поэтому существуют «сенсорные» перчатки — в кончики их пальцев вшита проводящая нить, которая передаёт ёмкость вашего тела стеклу.

Капли, мороз и мокрые руки

Капля воды на экране тоже проводит ток и может дать ложное касание — поэтому телефоны фильтруют сигналы по форме и размеру пятна: настоящий палец оставляет характерное «облако» изменения, а размазанная влага — другое. Часть телефонов умеет распознавать «мокрый» режим и игнорировать воду. На сильном морозе кожа суше, ёмкость меняется слабее, и экран реагирует хуже — отсюда и капризы зимой.

А как же стилусы

Простой стилус для ёмкостного экрана имеет мягкий проводящий наконечник, имитирующий палец. А «умные» перья (для рисования) общаются с экраном активно: внутри пера электроника, которая синхронизируется с сеткой и сообщает не только точку, но и силу нажатия с наклоном — это уже отдельная активная технология поверх обычной сетки.

Итог

Ёмкостный экран — это не «кнопки под стеклом», а тонкая прозрачная решётка электродов, которая ловит, как ваше тело искажает её электрическое поле. Отсюда и плавный мультитач, и капризы в варежках и на морозе. По сути, каждый раз касаясь телефона, вы становитесь частью его электрической схемы — и именно это телефон и чувствует.