صفحات لمسی چگونه کار می کنند؟ (بخش اول)

در این مقاله، با نحوه‌ی کارکرد انواع رایج صفحات لمسی به‌صورت کامل آشنا می‌شویم.

پس از گذشت نزدیک به سه دهه از حکم‌رانی ماوس‌ها و کیبوردها بر دستگا‌های ورودیِ اطلاعات در سیستم‌های کامپیوتری، طی چند سال گذشته شاهد ظهور دستگاه‌های ورودی جایگزینی هستیم که عموما برای بهبود آرگونومی طراحی شده و با نیازهای انسانی سازگاری بیشتری دارند. صفحات لمسی پیشرفته‌ترین فناوری دسترسی به سیستم‌های محاسباتی تا به امروز بوده و روبه‌رشدترین تقاضا را در بازار دارند. امروزه تقریبا تمامی نرم‌افزارها نیازمند نوعی دستگاه اشاره‌گر هستند. صفحات لمسی پیشرفتِ تکنولوژیکی در دستگاه‌های ورودی و اشاره‌گرهای سنتی بوده و برای دسترسی به برنامه‌ها استفاده می‌شوند. سوالی که شاید چندین بار در ذهن بسیاری از کاربران تداعی شده، نحوی عملکرد این صفحات است. تصمیم ما نیز بر این است تا با واکاوی نحوه‌ی کارکرد دستگاه‌های یادشده، ابهامات را در این حوزه رفع کرده و پاسخی صحیح برای کاربرانمان فراهم کنیم. البته پیش از هرچیزی لازم است تا ماهیت صفحات لمسی بررسی شده و این نکته تبیین شود که با چه نوع فناوری سروکار داریم.

صفحه‌ی لمسی چیست و چه کاربردی دارد؟

صفحات لمسی نمایشگرهای بصری الکترونیکی هستند که وقوع لمس و مکان آن در صفحه‌ی نمایش را تشخیص می‌دهند. اصطلاح مذکور به‌طور کلی به لمس نمایشگر دستگاه با انگشت یا دست اشاره دارد. صفحات لمسی همچنین می‌توانند اشیاء کنش‌پذیر دیگری مانند قلم‌های استایلوس را حس کنند. صفحات یادشده دو ویژگی اصلی را در خود جای داده‌اند. اولین ویژگی کاربران را قادر می‌سازد تا به‌جای استفاده از ماوس‌ها یا تاچ‌پدها، به‌صورت مستقیم به تعامل با محتوای در حال پخش بپردازند. البته استفاده از قلم‌های استایلوس در صفحات لمسی جدید اختیاری بوده و نمی‌توان آن را با دیدگاه واسطه نگریست. با استفاده از فناوری صفحات لمسی، نمایشگرهای سیستم‌های محاسبه‌گر می‌توانند هم به‌عنوان دستگاه خروجی و هم ورودی کاربرد داشته باشند.

صفحه‌ی نمایش حساس به لمس، رابط ورودی دوستانه‌تری را برای کاربران ایجاد می‌کند و نیازی به داشتن سواد یا مهارت‌های کامپیوتری ندارد. در دستگاه‌های مجهز به نمایشگرهای لمسی از آن‌جایی که کاربر برای انتخاب گزینه‌های موجود صفحه‌ی نمایش را لمس می‌کند، فناوری یادشده راهی آسان برای ارتباط با دستگاه‌ها پیش روی مخاطبان قرار می‌دهد. صفحات کلید مکانیکی QWERTY و ماوس‌های مرتبط در حال منسوخ‌شدن هستند و صفحات لمسی رفته‌رفته جایگزین آن‌ها می‌شوند. دیگر مزیت فناوری‌های لمسی این است که کاربر مجبور نیست تا نگاه خود از صفحه‌نمایش معطوف به صفحه‌کلید کرده و دوباره نمایشگر را نگاه کند. وارد کردن اطلاعات نادرست در صفحه‌ی لمسی غیرممکن است و تنها گزینه‌ی معتبر روی صفحات لمسی نمایش داده می‌شود. همچنین با این فناوری کاربران نگران گم‌شدن قطعات سخت‌افزاری یا آسیب‌دیدنشان نیستند.

صفحات لمسی کاملا متکی بر ادراک و ارتباط مسقیم بوده و تداعی‌کننده‌ی ارتباط مستقیم انسان‌ها با محیط پیرامونشان هستند. نه‌تنها بزرگ‌سالان، بلکه کودکان نیز به‌راحتی با فناوری مذکور ارتباط برقرار می‌کنند. به‌علاوه رابطه‌ی یادشده می‌تواند برای کسانی که در استفاده از سایر دستگاه‌های ورودی مانند ماوس یا صفحه‌کلید دچار مشکل هستند سودمند باشد. پنل‌های لمسی برای افرادی که دچار ناتوانی جسمی هستند نیز، ویژگی بسیار مناسبی محسوب می‌شوند. صفحات لمسی امروزه در نمایشگرهایی که اطلاعات عمومی را نمایش می‌دهند، سیستم‌های پرداختی و محاسبه‌ای خرده‌فروشی‌ها و رستوران‌ها، پایانه‌های فروش، دستگاه خودپرداز، سیستم‌های آموزشی مبتنی بر رایانه، سیستم‌های سلف‌سرویس برای مشتریان، سیستم‌های کنترل و اتوماسیون، فناوری‌های کمکی برای معلولین، کیوسک‌های گردشگری، سیستم‌های موقعیت‌یابی جهانی (GPS)، گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها، ساعت‌های هوشمند، کنسول‌های بازی و همچنین در انواع مختلف فناوری‌های نوین کاربرد دارند. صفحه‌ی نمایش لمسی هم‌اکنون در تمامی صنایع مورد استفاده بوده و در هر اندازه و قیمتی تولید می‌شوند.

باور این نکته سخت است که تنها چند دهه پیش، فناوری صفحات نمایش لمسی تنها در کتاب‌های علمی‌تخیلی و فیلم‌ها یافت می‌شدند. اما حالا تصور انجام‌دادن وظایف روزمره بدون استفاده از گوشی‌های هوشمند یا تبلت‌ها غیرممکن است. البته این امر محدود به کاربری‌های مذکور نبوده و پیش‌تر نیز گفته شد که صفحات لمسی در چه زمینه‌هایی کاربرد دارند. دستیابی به چنین جایگاهی، به واسطه‌ی نسل‌ها تغییر و چندین مرحله پیشرفت بزرگ تکنولوژیکی محقق شده است. اگرچه ردِ فناوری‌های اساسی به‌کاررفته در صفحات نمایش می‌تواند به سال ۱۹۴۰ میلادی باز گردد، اما شواهد بسیاری وجود داشته و نشان می‌دهد که ساخت این فناوری تا سال ۱۹۶۵ میلادی امکان‌پذیر نبوده است.

برنامه‌های عملی‌تخیلی مشهور در تلویزیون تا زمان پخش Star Trek، در مورد فناوری نبودند. دومین سری از مجموعه‌ی یادشده با نام Next Generation در سال ۱۹۸۷ پخش شد؛ تقریبا دو دهه پس از اینکه فناوری صفحات لمسی امکان‌پذیر تلقی شود. اما حضور صفحات لمسی در سری تلوزیونی یادشده، به موازات پیشرفت‌های صورت‌گرفته در دنیای فناوری بود و تا اواخر دهه‌ی ۱۹۸۰ صفحات لمسی به حد واقع‌بینانه‌ای رشد کرده و به جایی رسیدند که مشتریان توانایی به‌کارگیری فناوری مذکور در داخل خانه‌هایشان را داشتند.

افزایش استفاده از صفحات نمایش لمسی و ظهور اپلکیشن‌های جدید، درک تفاوت‌های موجود بین انواع فناوری‌های لمسی را مهم‌تر از پیش جلوه می‌دهد. بیش از ده‌ها فناوری لمسی روی صفحات نمایش وجود دارد که هیچ‌کدامشان صددرصدِ الزامات مورد نیاز برای نرم‌افزارها را برآورده نمی‌سازند. درنتیجه طی چند سال گذشته، جریان جدیدی از نوآوری در فناوری صفحات لمسی به وجود آمده است. طیف وسیعی از محیط‌های کاربری برای نرم‌افزار‌ها سبب شده تا انواع گسترده‌تری از فناوری‌های لمسی با قابلیت‌های منحصربه‌فرد به وجود آید. فناوری‌های لمسی که بیشترین مورد استفاده را دارند شامل خازنی گسترده‌شده (projected)، مقاومتی، خازنی سطحی، موج اکوستیک (صوتی) سطحی (SAW)، پرتوی مادون‌قرمز (IR) و مبتنی‌بر دوربین هستند. فناوری‌های دیگر شامل فناوری سیگنال پراکنده (DST)، تشخیص پالس اکوستیک، LCD بصری درون‌سلولی و نوع سنجش نیرو کاربرد چندانی ندارند. در کل تمامی موارد یادشده در ۴ دسته‌ی اصلی خازنی، مقاومتی، اکوستیک و بصری جای می‌گیرند.

درواقع ۱۱ دسته از صفحات لمسی در بازار موجود است، اما صفحات خازنی گسترده‌شده بیشتر بازار را به خود اختصاص داده است. نوع مقاومتی صفحات نمایش به مدت طولانی بر بازار حکم‌فرمایی می‌کردند، با این حال نوع بالارده‌ی صفحات خازنی گسترده‌شده از سال ۲۰۱۰ جایگاه خود را در رهبری صفحات لمسی پس گرفتند. بیشترین کاربری صفحات لمسی در دنیای گوشی‌های هوشمند و تبلت‌ها است. IBM اولین شرکتی بود که فناوری مذکور را در دنیای موبایلی به کار گرفت و از آن زمان تقریبا تمامی تولید‌کننده‌ها، دستگاه‌های خود را با این فناوری تولید می‌کنند. ادامه‌ی روند یادشده در سایه‌ی نوابغی چون دکتر سم هارست، استیو جابز، هلوت و پاكارد و دیگر افراد محقق شده است.

ساختار صفحات نمایش لمسی

برای شناخت طراحی در صفحات نمایش لمسی، لازم است در ابتدا با قطعات به‌کاررفته در این فناوری آشنا شویم. تولید‌کنندگان زنجیره‌ی تأمین دستگاه‌های مذکور، غالبا قطعات متنوعی را جهت ساخت صفحات لمسی ارائه می‌دهند. نمایشگرهای لمسی از ۴ عنصر اصلی تشکیل شده‌اند:

• پنل جلویی یا پوشش پلاستیکی: پنل جلویی بیرونی‌ترین قسمت محصول نهایی است. در برخی از این نوع محصولات، پنل جلویی شامل پوشش شفافی به جهت محافظت در برابر آب و گرد‌و‌غبار و رطوبت بوده و از فناوری حسگر زیرین در برابر خرابی جلوگیری می‌کند.
• کنترلر لمسی: کنترلر لمسی عموما یک مدار مجتمع مبتنی‌بر میکروکنترلر بوده و بین حسگر لمسی و کنترلر سیستم توکار قرار می‌گیرد. مدار مجتمع مذکور می‌تواند روی یک صفحه‌ی کنترلر داخل سیستم باشد یا در مدار چاپی انعطاف‌پذیر (FPC) روی حسگر لمسی شیشه‌ای واقع شود. کنترلر لمسی یادشده اطلاعات را از حسگر لمسی گرفته و به‌گونه‌ای ترجمه می‌کند که قابل فهم برای سیستم محاسبه‌گر یا کنترلر سیستم توکار باشد.
• حسگر لمسی: حسگر صفحه‌ی لمسی، پنل شیشه‌ای شفاف بوده و دارای سطحی واکنشی نسبت به لمس است. این حسگر ممکن است همانند آنچه در صفحات لمسی خازنی یا مقاومتی شاهد هستیم، روی صفحه‌ی نمایشگر LCD جا خوش کرده باشد یا مانند سیستم‌های لمسی SAW یا مادون قرمز، روی قاب قرار گرفته باشد. امروزه انواع مختلفی از حسگرهای لمسی در بازار موجود است که هر کدام به روش‌های مختلفی ورودیِ لمسی را تشخیص می‌دهند. اصولا اکثر فناوری‌ها یک جریان الکتریکی را از پنل لمسی عبور می‌دهند. لمس نمایشگرهای مذکور منجر به تغییر جریان یا تغییر سیگنال در نقطه‌ی لمس می‌شود. این تغییر ولتاژ برای تعیین محل لمس توسط کنترلر لمسی حس می‌شود.
• نرم‌افزار سیستم: نرم‌افزار مذکور به حسگر نمایشگر لمسی و کنترلر سیستم اجازه می‌دهد تا به‌صورت هماهنگ با هم کار کنند. همچنین به سیستم‌های عامل‌ محصولات یادشده نشان می‌دهد که چگونه اطلاعات بازخورد لمسی که از طرف کنترلر ارسال می‌شوند را تفسیر کند.

صفحات لمسی مقاومتی

اگرچه اولین صفحات لمسی از نوع خازنی بودند، اما در سال‌های بعد فناوری مقاومتی بود که بر بازار چیره شد. مخترع آمریکایی، دکتر جی ساموئل هارست، اولین‌بار در سال ۱۹۷۰ صفحات مذکور را به‌صورت تقریبا تصادفی ابداع کرد. مجله‌ی دانشگاهی بِرِآ (Berea) ابداع صفحات لمسی مقاومتی را این‌گونه برای فارغ‌التحصیلان توصیف می‌کند:

برای مطالعات فیزیک اتمی، تیم تحقیقاتی یک دستگاه شتاب‌دهنده‌ی واندوگراف قدیمی که تنها در شب امکان استفاده داشت را به کار گرفت. مراحل پیشرفته باعث کند شدن تحقیقاتشان شد. سم [دکتر ساموئل] به فکر راه‌حلی برای مسئله بود. او، پارکز و تورمن استورات و یک دانشجوی دیگر دکترا از کاغذی رسانا برای خواندن یک جفت مختصات X و Y استفاده کردند. این ایده منجر به ساخته‌شدن اولین صفحه‌ی لمسی برای رایانه شد. با این ایده دانش‌جویان او کاری را که ممکن بود روزها به طول بینجامد در طی چند ساعت انجام دادند.

تا پیش از سال ۲۰۱۰ نوعِ غالب صفحات لمسی، مقاومتی بود. فناوری مذکور ارزان‌قیمت بود و در بسیاری از صفحات لمسی از جمله رایانه‌های دستی، PDAها (مخففی از Personal Digital Assistant است و نمونه‌ی آن، دستگاه‌های ثبت جریمه هستند)، لوازم الکتریکی مصرفی و دستگاه‌های فروش به‌وفور یافت می‌شد. نمایشگرهای لمسی مقاومتی به دلایل مختلف محبوبیت فراوانی دارند. از جمله‌ی این دلایل ارزان‌قیمت بودنشان (در اندازه‌های کوچک) است. همچنین از آنجایی که این دستگاه‌ها حساس به فشار هستند، توانایی پشتیبانی از طیف وسیعی از ابزارهای ورودی از جمله انگشتان دست، دستکش‌ها، کارت‌های اعتباری و انواع مختلف قلم‌های استایلوس را دارند. دو نوع فناوری مقاومتی اساسی وجود دارد؛ نوع ۴ سیمی (4-wire) که عمر کوتاهی دارد و ارزان‌قیمت بوده و در دستگاه‌های تلفن همراه رایج است و نوع ۵ سیمی (5-wire) که گران‌قیمت بوده و با عمر بالای خود در دستگاه‌های ثابتی چون ATMها کاربرد دارد.

ساختار و عملکرد صفحات لمسی مقاومتی

سیستم‌های مقاومتی از چند لایه تشکیل شده‌اند که موقعیت لمس را تشخیص می‌دهند و ثبت می‌کنند. بیرونی‌ترین لایه یک پوشش سخت و بادوام است که وظیفه‌ی آن، محافظت از حسگرهای ظریف‌تری است که معمولا از نوعی پلی‌استر ساخته می‌شوند. درونی‌ترین لایه پوششی سفت‌و‌سخت از شیشه است. سطح پوشش شیشه‌ای با یک لایه‌ی شفاف رسانا پوشیده شده است. سطح داخلی لایه‌ی پلی‌استر نیز با یک لایه شفاف دیگر رسانا ساخته‌شده از اکسید قلع ایندیم (ITO) پوشیده شده است. بین لایه‌ی پلی‌استر و شیشه، هزاران نقطه‌ی جداکننده‌ی کوچک وجود دارد که همانند آنچه در شکل مشخص شده، لایه‌های رسانای بالا و پایین را از هم جدا نگه می‌دارد.

هنگامی که یک جسم مانند انگشت، نقطه‌ای از سطح بیرونی پنل را فشار می‌دهد، لایه‌های رسانای یادشده به هم متصل می‌شوند. درنتیجه سوییچی در مدار ایجاد می‌شود که بسته‌ شده است. سپس پنل همانند یک جفت تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ عمل می‌کند که خروجی‌هایشان به هم متصل است. این نیز به‌نوبه‌ی خود سبب تغییر در ولتاژ الکتریکی شده و به‌عنوان یک رویداد لمسی، ثبت شده و برای پردازش به کنترلر ارسال می‌شود. کنترلر صفحه‌ی لمسی ولتاژهای متناوب بین دو لایه را دریافت کرده و به مختصات دیجیتالی X و Y در ناحیه‌ی فعال‌شده‌ی صفحه‌ی نمایش تبدیل می‌کند. پس از شناخته‌شدن مختصات، درایور نرم‌افزاری مخصوصی لمس را تبدیل به اطلاعاتی می‌کند که برای سیستم‌عامل قابل‌درک باشد.

فناوری لمسی مقاومتی ۴ سیمی

تمامی صفحات لمسی مقاومتی اساسا از همان اصول عملکردی ولتاژ‌محور استفاده می‌کنند. ساده‌ترین روش بر مبنای اعمال ولتاژ الکتریکی برای تولید صفحات لمسی مقاومتی، استفاده از فناوری ۴ سیمی است. هدف از  ساخت فناوری ۴ سیمی، توانایی ایجاد گرادیان‌های ولتاژ متناوب خطی بین دو جهت X و Y است. گرادیان ولتاژ (VG) اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه است که با فاصله‌ی مشخصی از هم جدا شده‌اند. برای دستیابی به این فناوری، دو مدار مقاومتی استفاده شده‌ است؛ یک مدار در محور X و دیگری در محور Y. هر مدار از دو نوار باس (bus) و یک لایه‌ی رسانای ITO تشکیل شده‌ است. بنابراین می‌توان گفت فناوری ۴ سیمی از دو لایه برای ساخت محورهای X و Y استفاده می‌کند. این در حالی است که در روش ۵ سیمی، مدارهای X و Y هر دو روی یک لایه‌ی شیشه‌ای هستند.

نوارهای باس که به‌صورت جداگانه‌ای از هم قرار گرفته‌اند، باعث ایجاد انواع مختلفی از الگوهای مقاومتی در فضای نمایش می‌شوند. این اِلمان‌های منفردِ ناشی از اشکال هندسی همجوار، از ماده‌ای با مقاومت پایین تشکیل شده‌اند و به‌صورت مستقیم روی سطح لایه‌ی ITO چاپ می‌شوند. هنگامی که لمس رخ می‌دهد، یک جفت ولتاژ برای جهات X و Y ایجاد می‌شود. نقاط داده در محورهای X و Y با بهره‌گیری از هر دو صفحه‌ی رسانا در دو مرحله به‌دست می‌آیند. در اولین مرحله از جمع‌آوری داده‌ها، لایه‌ی رسانای بالایی از لحاظ الکتریکی شارژ شده و لایه‌ی زیرین با ارسال ولتاژ خام از نقطه‌ی لمسی به تجهیزات الکترونیکی داخل دستگاه، به‌عنوان یک بازخورد عمل کرده و نیمی از مختصات کامل لمسی را هدایت می‌کند. در مرحله‌ی دوم لایه‌ی زیرین از لحاظ الکترونیکی شارژ‌ شده و لایه‌ی بالایی مختصات را ارسال می‌کند. باتوجه به اینکه نیمه‌ی دیگر مختصات به واسطه‌ی نوارهای باس لایه‌ی زیرین ثبت می‌شود، در نهایت مختصات کامل نقطه‌ی لمس به کنترلر ارسال می‌شود.

مهم است که مقدار مقاومت در هر دو جهت X و Y یا به‌عبارتی در هر دو لایه، پس از کالیبره‌کردن نمایشگر پایدار بماند. خم شدن مکرر لایه‌ی فوقانی در نقاطی که بیشتر مورد استفاده  هستند، مانند آیکون خاموش و روشن، باعث آسیب مکانیکی به پوشش رسانای آن شده و مشخصات الکتریکی یا مقاومت را در آن نقطه تغییر می‌دهد. به تبع آن نیز صحت مختصات X و Y تحت تأثیر قرار می‌گیرد. دلیل اصلی خرابی یادشده، خصوصیات فیزیکی پوشش رسانای شفاف است. ITO از جنس سرامیک است و هنگامی که روی یک بستر انعطاف‌پذیر قرار می‌گیرد، در صورت تغییر شکل بسترِ پایه مستعد ترک‌خوردگی می‌شود. اگر پوشش ITO ترک بردارد، خواص مدار انعطاف‌پذیر، دیگر اجازه‌ی ایجاد گرادیان ولتاژ خطی را نمی‌دهد؛ درنتیجه صفحه‌نمایش غیرخطی می‌شود.

نقطه‌ضعف دیگر سیستم ۴ سیمی، این است که ITO روی یک بستر انعطاف‌پذیر، تحت تأثیر تغییرات محیطی به‌خصوص رطوبت و گرما قرار خواهد داشت، زیرا این آلیاژ هرگز به‌طور کامل اکسیده نمی‌شود. درواقع با تغییر شرایط منبسط و منقبض شده و درنتیجه باعث تغییر در مقادیر مقاومت اولیه می‌شود. تغییر مذکور نیز منجر به فرسایش در نقطه‌ی لمس شده و باعث کاهش اطمینان‌پذیری صفحه‌ی لمسی می‌شود. در نهایت نیز جریان الکتریکی درون صفحه‌ی لمسی به‌طور کامل از کار می‌افتد. مزیت صفحات ۴ سیمی، استفاده‌ی گسترده از آن است که کمک کرده تا قیمت این فناوری در سطح پایینی باقی بماند و تولیدگنندگان تراشه ترغیب به تولید عمده و مقرون‌به‌صرفه‌ی قطعات الکرونیکی این فناوری شوند.

فناوری لمسی مقاومتی ۵ سیمی

نمایشگرهای لمسی مقاومتی ۴ سیمی، مدت طولانی است که رابط کاربری موفقی برای صفحات نمایش لمسی در دستگاه‌های کوچک و دستی هستند. با این حال مشاغل صنعتی عمومی مانند انبارداری، کنترل فهرست‌های موجودی، خرده‌فروشی‌ها، صنایع بیمارستانی و برنامه‌های کاربردی پزشکی نیازمند رابط‌هایی هستند که محدودیت‌های فیزیکی فناوری ۴ سیمی توانایی برآورده‌کردنشان را ندارد. این امر باعث شده تا تولیدکنندگان، نمایشگرهای لمسی مقاومتی جدید و مستحکم‌تری برای کاربری‌های یادشده در محیط‌های مخصوص به خودشان توسعه دهند. برخلاف فناوری ۴ سیمی که در آن دو لایه برای اندازه‌گیری مختصات X و Y مورد نیاز بود، نمایشگر لمسی ۵ سیمی از لایه‌ی زیرین برای اندازه‌گیری هر دو محور استفاده می‌کند و پوشش شفاف انعطاف‌پذیری روی آن، تنها به‌عنوان جست‌و‌جوگری برای اندازه‌گیری ولتاژ عمل می‌کند. این بدان معنی است که صفحه لمسی حتی در صورت یکنواخت نبودن پوشش رسانای صفحه به‌درستی کار می‌کند. درنتیجه نمایشگر لمسی ۵ سیمی، بادوام و قابل اعتماد بوده و عملکرد آن خالی از هرگونه فرسایش است.

از نظر الکتریکی کارکرد فناوری ۵ سیمی به نحوی است که ولتاژ را به دو گوشه‌ی مخالف از الگوی مقاومتی اعمال می‌کند. این در حالی است که دو گوشه‌ی دیگر در حالت پایدار قرار دارند. فرایند مذکور، گرادیان ولتاژ نیمه‌خطی را در سراسر سطح صفحه در یکی از محورهای X یا Y ایجاد می‌کند. لایه‌ی بالایی که با یک سیم متصل به فناوری ۵ سیمی است، تنها لایه‌ای جداگانه بوده که همانند صفحه‌ی لمسی ۴ سیمی به‌عنوان هادی مختصات به کنترلر عمل می‌کند. برای تعیین مختصات محور دوم، نقش دو گوشه‌ی مخالف معکوس شده و یکی در حالت پایدار قرار گرفته و به دیگری ولتاژ اعمال می‌شود. روند مذکور باعث تغییر ۹۰ درجه‌ایِ گرادیان ولتاژ می‌شود. باز هم لایه‌ی بالایی به‌عنوان حامل مختصات لمسی (X یا Y) دوم عمل می‌کند.

از آن‌جایی که لایه‌ی بالایی فقط به‌عنوان حاملی برای مختصات کار می‌کند، لازم نیست تا هیچ جریانی از آن عبور کند. از این‌رو توان تحمل تغییرات مقاومت را به‌گونه‌ای دارد که هیچ تغییری روی دقت نقاط لمسیِ لایه‌ی پایه ایجاد نمی‌کند. هرگونه ترک یا شکاف ناشی از استفاده‌ی ناصحیح یا طولانی‌مدت، روی دقت صفحه‌ی نمایش تأثیری ندارد؛ به همین دلیل صفحات لمسی ۵ سیمی قادر به تحمل رطوبت، دما و فشارهای فیزیکی هستند. نزدیک به ۲۰ سال است که صفحات لمسی ۵ سیمی، راه‌حل مناسب بر مبنای فناوری مقاومتی برای محیط‌های کاربری حساس همچون ماژول‌های کنترل صنعتی، پایانه‌های فروش و کیوسک‌ها هستند، اما بزرگ‌ترین نقطه‌ی ضعفی که دارند محکوم بودن به داشتن اندازه‌ای بزرگتر از ۶٫۴ اینچ است. چنین محدودیتی تاکنون مانع از به‌کارگیری آن‌ها در دستگاه‌های کوچک دستی شده است.

فناوری لمسی مقاومتی دیجیتالی

فناور‌های لمسی مقاومتی که پیش‌تر توضیح داده شد، به‌صورت گسترده‌ای به صفحات مقاومتی آنالوگ شهرت دارد. فناوری به‌کاررفته در نمایشگرهای لمسی مقاومتی دیجیتالی، درست همانند صفحات مقاومتی آنالوگ است. تفاوت آن‌ها در این بوده که نوع دیجیتالی متشکل از ماتریکسی از پنل‌های مقاومتی آنالوگ در یک صفحه است. بزرگ‌ترین مزیت این فناوری نسبت به نوع آنالوگ، چندلمسی بودن آن بوده اما نکته‌ی منفی‌اش گران‌بودن است.

مزایا و معایب کلی صفحات نمایش مقاومتی

فناوری لمسی خازنی

به‌طور کلی مورخان اولین صفحه‎‌ی لمسی که با انگشت کنترل می‌شد را اختراعِ ای اِی جانسون می‌دانند. وسیله‌ی مذکور را جانسون در سال ۱۹۶۵ میلادی و در مؤسسه‌ی رویال رادار در مالورن انگلستان ابداع نمود. صفحه‌ی لمسی جانسون از عایقی مانند شیشه استفاده می‌کرد که با یک هادی شفاف مانند اکسید قلع ایندیم پوشیده شده بود. درواقع صفحه‌ی لمسی که جانسون اختراع کرد، اولین نمونه از صفحات لمسی خازنی بود. پنل‌های لمسی خازنی پس از نوع مقاومتی دومین جایگاه پرکاربرد صفحات نمایش لمسی را به خود اختصاص داده‌اند.

باتوجه به اینکه در سال‌های اخیر صفحات لمسی خازنی تبدیل به فناوری پیشرو در نمایشگرها شده‌اند، محبوبیت آن‌ها رو به فزونی گذاشته است. از سال ۲۰۰۱ این فناوری به‌تدریج در دستگاه‌هایی چون گوشی‌های هوشمند و MP3 پلیرها کاربردی شد. افزایش استفاده از صفحات لمسی خازنی درنتیجه‌ی اثربخش شدن طراحی آن‌ و قابلیت‌هایی چون فناوری چندلمسی و به‌کارگیری آن‌ها در محصولات محبوب اپل از جمله آیفون،آیپاد و آپید محقق شد. نمایشگرهای لمسی خازنی برای تشخیص مکان و زمان لمس، متکی بر خواص الکتریکی بدن انسان هستند. به همین دلیل نیز صفحات مذکور را از طریق کوچک‌ترین تماس با انگشتان می‌توان کنترل کرد. نکته‌ی منفی ماجرا این است که صفحات خازنی را نمی‌توان با قلم‌های استایلوس مکانیکی یا دستکش استفاده کرد.

نوع خازنی صفحات نمایش لمسی به دو دسته تقسیم می‌شوند: خازنی گسترده‌شده و خازنی سطحی. صفحات نمایش آیفون‌ها و آیپدها از نوع اول هستند. ساختار داخلی این دو فناوری متفاوت است. هم صفحات خازنی گسترده‌شده و هم خازنی سطحی بر پایه‌ی این حقیقت کار می‌کنند که لمس با انگشت باعث تغییر ظرفیت الکتریکی در قسمت مربوطه شده و باعث می‌شود تا جریان الکتریکی سیستم، لمس را تشخیص داده و موقعیت آن را روی صفحه شناسایی کند. در مقایسه با نوع مقاومتی، سیستم‌های خازنی تغییرات در میدان‌های الکتریکی را تشخیص می‌دهند، اما متکی‌بر فشار واردشده بر صفحه‌ی نمایش نیستند.

نمایشگرهای لمسی خازنیِ گسترده‌شده

طراحی نمایشگرهای لمسی خازنیِ گسترده‌شده به‌گونه‌ای مشابه با نوع مقاومتی است. در هر دوی آن‌ها از دو لایه‌ی ITO استفاده شده‌ است. در این نوع نمایشگر، یک آرایه‌ی XY یا با تولید لایه‌ی تکی برای ایجاد الگوهای شبکه‌ای از الکترودها یا با روی هم قرار دادن دو لایه‌ی مجزا و عمود متشکل از مواد رسانا با خطوط موازی یا مسیرهایی برای فرم‌دهی به شبکه به‌دست آمده است. شبکه‌ی مذکور از طریق لایه‌ی بالایی شیشه، میدان الکتریکی را گسترش می‌دهد، از این رو صفحات لمسی یادشده، خازنیِ گسترده‌شده نام گرفته‌اند. به دلیل گسترده‌سازی میدان الکتریکی که پیش‌تر گفته شد، زمانی‌که کاربر لایه‌ی بالایی شیشه را لمس می‌کند، درواقع مقادیر اندازه‌گیری‌شده‌ی ظرفیت الکترودهای آن ناحیه را تغییر می‌دهد. دلیل تغییر یادشده، اندک بار الکتریکی موجود در بدن انسان است. این تغییرات در ظرفیت الکترودها به‌صورت مختصات X و Y که مشابه با نوع مقاومتی است، به‌عنوان نقاط لمس‌شده اندازه‌گیری و محاسبه می‌شوند.

روش‌های بسیاری برای ساخت صفحات لمسی خازنی گسترده‌شده وجود دارد. روی لنز (on lens)، روی سلول (on sell) و درون سلولی (in cell) روش‌های غالب در این زمره هستند. از آن‌جایی که ساخت این نوع از صفحات لمسیِ پیچیده، گران از آب درمی‌آید، سازندگانی با طرح‌های ساده‌تر بیشترین موفقیت را کسب می‌کنند. چالش‌های فنی در این فناوری شامل ازبین‌بردن نویز برای افزایش دقت تشخیص ژست‌های حرکتی، کاهش توان مصرفی نمایشگر، حل مسئله‌ی کارکرد با انگشت‌های عرق‌کرده و نیاز به کاهش ضخامت و افزایش کارایی دستگاه‌ها است.

آرایه‌ی حسگر صفحات لمسی خازنی گسترده‌شده، به‌گونه‌ای طراحی شده که یک انگشت در آنِ واحد با بیش از یک حسگر در محور X و بیش از یک حسگر در محور Y در تعامل باشد. چنین ویژگی به واسطه‌ی موارد تعبیه‌شده‌ی مذکور، نرم‌افزار را قادر می‌سازد تا با درجه‌ی بالایی به‌صورت دقیق محل لمس انگشت را تعیین کند. برای مثال اگر حسگر شماره‌ی ۱، ۲ و ۳ به ترتیب سیگنال‌هایی با شدت ۳، ۱۰ و ۷ میلی‌ولت را تشخیص دهند، مرکز لمس انگشت برابر خواهد بود با:

۲٫۲=(۳+۱۰+۷)⁄[(۱×۳)+(۲×۱۰)+(۳×۷)]

تفاوت روش اندازه‌گیری ظرفیت الکتریکی دوطرفه با اندازه‌گیری خودظرفیتی

ظرفیت الکتریکی در اجسام دو نوع است. یکی نوع ظرفیت الکتریکی ۲ طرفه و دیگری خودظرفیتی. نوع دوطرفه، ظرفیت الکتریکی است که بین دو عدد رسانا یا دو شیء دارای بار الکتریکی وجود دارد که در آن جریان الکتریکی از طریق یک رسانا به دیگری عبور داده می‌شود. نوع خودظرفیتی نیز میزان بار الکتریکی است که با اضافه‌کردن آن به یک رسانا، پتانسیل الکتریکی آن به میزان یک واحد افزایش پیدا می‌کند. دو روش برای تعیین موقعیت انگشت با صفحات لمسی خازنی گسترده‌شده وجود دارد.؛یکی اندازه‌گیری ظرفیت الکتریکی ۲ طرفه و دیگری خودظرفیتی. در روش خودظرفیتی، ظرفیت الکتریکی در کل سطر یا ستون اندازه‌گیری می‌شود. روش خودظرفیتی گزینه‌ای ایده‌آلی برای سیستم‌های تک‌لمسی است، اما در صفحات چندلمسی کاربردی ندارد؛ زیرا چندین لمس هم‌زمان باعث ایجاد ابهام در پتانسیل الکتریکی می‌شود.

برای مثال اگر کاربری روی شبکه‌ی خازنی ایجادشده روی صفحه‌ی لمسی، مختصات X1،Y1 و X2،Y2 را لمس کند، ستون یا سطر یا همان الکترود مربوطه به سیستم نشان خواهد داد که نقاط X1 ،Y1، Y2 و X2 لمس می‌شوند. اما سیستم توانایی درک ترکیب لمسی را نداشته و ممکن است مختصات را این‌گونه درک کند: X1،Y2 و X2،Y1. چنین مشکلی ghosting یا ایجاد سایه نام دارد. بنابراین زمانی‌که در روش خودظرفیتی ورودی یک لمس یا حتی چند لمس است، خروجی سیستم تنها یک ظرفیت الکتریکی معتبر برای کل پنل لمسی است.

در مقابل در یک سیستم خازنی دوطرفه، خروجی مجموعه‌ای از ظرفیت‌های الکتریکی برای جفت مختصات X و Y است. در سیستم خازنی دوطرفه اگر دو لمس هم‌زمان رخ دهد، مختصات به‌صورت X1،Y1 و X2،Y2 شناسایی می‌شوند. در همین حال روش خودظرفیتی مختصات را به‌صورت X1،Y2 و X2،Y1 تشخیص می‌دهد. مشکل ghosting در سیستم‌های خودظرفیتی ایجاد ویژگی ۲ یا چند لمسی را غیر ممکن کرده است.

یک سیستم خازنی دوطرفه به‌عنوان صفحه‌ی لمسی کاملی تعریف شده که توانایی ایجاد چندین لمس هم‌زمان در کوچک‌ترین صفحه‌ی لمسی را فراهم می‌کند. دلیل این ادعا اندازه‌گیری مستقل ظرفیت الکتریکی در هر نقطه از شبکه‌ی لمسی است. به این معنی که هیچ ابهامی در گزارش مختصات در لمس‌های چندگانه وجود ندارد. درنتیجه از لحاظ فنی در سیستم یادشده، امکان تشخیص تعداد نامحدودی از لمس‌ها وجود دارد.

مهم‌ترین مزایای لمسی خازنی گسترده‌شده

• بسیار بادوام است، زیرا کاربران لایه‌ی شیشه‌ای یا پلاستیکی را لمس می‌کنند و در حقیقت لایه‌های ITO در زیر محافظت می‌شوند. این امر سبب می‌شود تا لمس‌ها در صفحات یادشده نسبت به سایر انواع صفحات خازنی دقت بیشتری داشته باشند. علاوه بر این، صفحات لمسی خازنی گسترده‌شده در برابر خراشیدگی و شکستگی مقاومت بالایی دارند.
• صفحات لمسی مذکور «اسکن‌شده» هستند. به این معنی که اغلب این صفحات ساخته‌شده از ماتریکس‌هایی از سطرها و ستون‌ها هستند که ذره‌ذره‌ی صفحه‌ها را بررسی و تحلیل می‌کنند. درنتیجه دقت صفحات لمسی خازنی گسترده‌شده بسیار بالا است. همچنین اسکن‌کردن باعث شده تا هیچ فرسایشی ایجاد نشود و مختصات دست‌نخورده باقی بماند. دلیل چنین ادعایی ثابت‌بودن سطرها و ستون‌ها از نظر فیزیکی و کوچک‌بودن محیط اندازه‌گیری است. عدم وجود فرسایش در صفحات لمسی یادشده باعث شده تا کاربر نهایی لزومی به کالیبره‌کردن صفحه‌ی نمایش نداشته باشد.
• پشتیبانی از فناوری چندلمسی: از آن‌جایی که پنل‌های لمسی خازنی گسترده‌شده (در سیستم خازنی دوطرفه) چندین حسگر دارند، می‌توانند چندین لمس به‌صورت هم‌زمان را تشخیص دهند. این در حالی است که بسیاری از فناوری‌های لمسی دیگر چنین قابلیتی را ندارند. در حقیقت دیده‌ شده که صفحه‌ی نمایش مذکور تا ۱۰ لمس به‌صورت هم‌زمان را پشتیبانی می‌کند. چنین قابلیتی، استفاده از اپلکیشن‌هایی که نیاز به قابلیت چندلمسی دارند، از جمله پیانو و بازی‌های آنلاین را جذاب‌تر جلوه می‌دهد.
• در صورت افزایش حساسیت، توانایی کارکرد با دستکش را نیز دارند
• پنل‌های لمسی خازنی گسترده‌شده حساسیت بالایی به لمس داشته و نیازی نیست تا به آن‌ها فشار وارد شود.
• انتقال بالای نور صفحه‌ی نمایش: سیستم‌های خازنی تا ۹۰ درصد از نور نمایشگر را از خود عبور می‌دهند.
• طول عمر بالایی دارند، زیرا هیچ بخش متحرکی در کار نیست.
• نسبت به نوع مقاومتی و خازنی سطحی رزولوشن بالاتری دارند.

معایب فناوری لمسی گسترده‌شده

• ایمنی پایین در برابر نویز: نوع گسترده‌شده‌ی نمایشگرهای لمسی خازنی به دلیل مکانیسم عملکردی آن، مستعد ابتلا به نویز الکتریکی است. نویز ناشی از صفحه‌ی LCD به‌ویژه روی سنسورها تأثیرگذار است. البته اخیرا روش‌های مختلفی برای بهبود تحمل نویز در این صفحات ایجاد شده است.
• در قیاس با فناوری لمسی مقاومتی، پنل‌هایی خازنی گسترده‌شده نسبتا گران‌تر هستند: در این نوع صفحات نیاز است تا شبکه‌ی سنسورها یا به‌عبارتی الکترودها بهتر و دقیق‌تر باشند. هزینه‌ی تولید چنین قطعاتی بالاتر است.
• به‌جز انگشتان دست و قلم‌های دیجیتال، با هیچ وسیله‌ی دیگری کارایی ندارند.
• ساخت صفحات لمسی خازنی گسترده‌شده با اندازه‌ای بیش از ۲۴ اینچ سخت است.

فناوری صفحات لمسی خازنی سطحی

نوع خازنی سطحی یکی دیگر از فناوری‌های صفحات لمسی خازنی است. تفاوت بین نمایشگرهای خازنی سطحی با گسترده‌شده در این است که در فناوری مذکور تنها از یک لایه‌ی ITO استفاده شده‌ است. این لایه با استفاده از اصولی که بسیار شبیه به صفحه‌ی نمایش لمسی خازنی گسترده‌شده است، نقاط لمسی را محاسبه می‌کند. با این حال روش اندازه‌گیری مختصات نقاط لمس بسیار متفاوت است. در این فناوری دستگاه محاسبه‌گر، تغییر ظرفیت خازن در هر گوشه‌ی لایه ITO را اندازه‌گیری می‌کند و با داده‌های حاصل از اندازه‌گیری‌های مذکور، مختصات X و Y نقطه‌ی لمسی محاسبه می‌شود. به عبارت دیگر سیستم نمایشگر لمسی، مختصات نقطه‌ی لمس را از اختلاف بار الکتریکی در هر گوشه‌ی لایه به‌دست می‌آورد.

بنابر آنچه گفته‌ شد، تنها یک سمت عایق با لایه‌ی رسانا پوشش داده می‌شود. یک ولتاژ کوچک به لایه اعمال شده و درنتیجه یک میدان الکترواستاتیک یکنواخت ایجاد می‌شود. هنگامی‌که یک رسانا همانند انگشتان دست، سطح بدون پوشش یادشده را لمس می‌کند، به‌صورت پویا یک خازن تشکیل می‌شود. کنترلر حسگر می‌تواند مشخصات نقطه‌ی لمس را به‌گونه‌ای غیرمستقیم از تغییر ظرفیتِ اندازه‌گیری‌شده از ۴ گوشه‌ی پنل تعیین کند. صفحه‌ی نمایش لمسی خازنی سطحی برای نمایشگرهایی با اندازه‌ای بالاتر از ۱۲ اینج استفاده شده و نیاز به کیفیت بالای ساخت، رزولوشن بالا و دوام بیشتری دارند.

مزایای صفحات لمسی خازنی سطحی

• این نوع پنل لمسی خازنی، ساختار ساده‌تری نسبت به صفحه‌ی لمسی خازنی گسترده‌شده دارد و به همین دلیل ساخت آن، هزینه‌ی کمتری را می‌طلبد.
• طول عمر هر قسمت از صفحه‌ی لمسی در این نوع تا ۵۰ میلیون لمس است.
• مناسب برای مانیتورهای دارای ابعاد بزرگ است.
• زمان پاسخگویی این صفحات به لمس سریع‌ترین در میان تمامی فناوری‌ها است.
• عبور نور در این نوع صفحات، به‌دلیل ساختار تک‌شیشه‌ای نسبت به نوع خازنی گسترده‌شده افزایش پیدا کرده و از ۸۸ درصد به ۹۲ درصد رسیده است.
• مقاوم در برابر آلاینده‌ها و مایعات جاری روی صفحه بوده و در صورت وجود آلودگی باز هم به‌خوبی عمل می‌کند.

معایب صفحات لمسی خازنی سطحی

• چندلمسی ضعیفی دارد: ساختار آن، اجازه‌ی تشخیص ۲ یا چند لمس به‌صورت هم‌زمان را نمی‌دهد.
• با دستکش، قلم معمولی، قلم استایلوس و هیچ جسم سختی کار نمی‌کند. درنتیجه استفاده از آن در رستوران‌ها و صنایع پزشکی چندان عملی نیست.
• خراش روی صفحه‌نمایش باعث ایجاد نقاطی مرده (از نظر لمسی) می‌شود.
• با دوام متوسط و رزولوشن محدود است.
• مستعد ابتلا به سیگنال‌های نادرست از طریق اتصال خازنی پارازیتی است؛ بنابراین تنها در کیوسک‌ها و موارد ساده‌ی صنعتی کاربرد دارد.

نکات مثبت و منفی کلی در مورد صفحات لمسی خازنی

صفحات نمایش لمسی خازنی فناوری رایج در بسیاری از دستگاه‌های حال حاضر هستند. اگرچه دو نوع صفحه‌ی نمایش لمسی خازنی وجود دارد، اما اساس کار هر دو بسیار مشابه است. ذکر این نکته لازم است که صفحه‌ی نمایش خازنی گسترده‌شده، اندکی دقیق‌تر از نوع سطحی است؛ با این حال تفاوت مذکور بسیار ناچیز است. یکی از نکات مهم این صفحات، استفاده از فناوری چندلمسی و به تبع آن، توانایی اجرای اپلکیشن‌های چندلمسی است. باتوجه به پایین‌بودن فشار لازم روی صفحه، بزرگ‌نمایی و سوییچ در صفحات لمسی خازنی آسان‌تر است. البته اشکال فناوری مذکور این است که با قلم و دستکش ( بسته به ضخامت آن) کار نخواهد کرد. یکی دیگر از معایب صفحات لمسی یادشده، هزینه‌ی بالای تولید آن‌ها است. صفحات خازنی گران‌تر از نوع مقاومتی هستند. به‌صورت کلی، صفحات لمسی خازنی در کاربری‌های حال حاضر خود از جمله گوشی‌های هوشمند، کارایی بالایی دارد. محدودیت‌های اصلی این فناوری شامل نیاز آن به لمس توسط انگشتان، ایجاد لکه‌های مرده در صورت خراش و تداخل امواج الکترومغناطیسی است.

هدف از نگاشت این مقاله، تنها تشریح نحوه‌ی کارکرد صفحات لمسی است و هیچ‌گونه مقایسه‌ای بین انواع مختلف فناوری‌های مذکور به‌عمل نیامده و نخواهد آمد؛ زیرا هر فناوری کاربری خاص خود را دارد و هیچ‌کدام از آن‌ها قابلیت پاسخ‌گویی به تمامی نیازها را ندارند. در بخش دوم مقاله، کارکرد صفحات لمسی موج اکوستیک (صوتی) سطحی (SAW)، صفحات لمسی موج خم‌شده (Bending Wave)، صفحات مبتنی‌بر مادون‌قرمز و فناوری لمسی تصویربرداری نوری به‌وضوح شرح داده خواهد شد.