Wykrywanie pojemnościowe - Capacitive sensing

W elektrotechnice , pojemnościowy czujnik (czasami czujnik pojemnościowy ) jest to technologia, oparta na sprzężenie pojemnościowe , które można wykryć i zmierzyć wszystko, co sprzyja lub ma dielektryczną różni się od powietrza. Wiele typów czujników wykorzystuje czujniki pojemnościowe, w tym czujniki do wykrywania i pomiaru bliskości, ciśnienia, położenia i przemieszczenia , siły , wilgotności , poziomu płynu i przyspieszenia . Urządzenia interfejsu ludzkiego oparte na wykrywaniu pojemnościowym, takie jak touchpady , mogą zastąpić mysz komputerową . Cyfrowe odtwarzacze audio , telefony komórkowe i tablety wykorzystują ekrany dotykowe z czujnikami pojemnościowymi jako urządzenia wejściowe. Czujniki pojemnościowe mogą również zastąpić przyciski mechaniczne.

Pojemnościowy ekran dotykowy zazwyczaj składa się z pojemnościowego czujnika dotykowego wraz z co najmniej dwoma komplementarnymi układami scalonymi (IC) z komplementarnymi metalowo-tlenkowymi półprzewodnikami ( CMOS ) , kontrolerem układu scalonego specyficznego dla aplikacji (ASIC) i procesorem sygnału cyfrowego (DSP). Pojemnościowy czujnik jest powszechnie stosowany do telefonów multi-dotykowe wyświetlacze, spopularyzowana przez firmy Apple „s iPhone w 2007 roku.

Projekt

Czujniki pojemnościowe są zbudowane z wielu różnych mediów, takich jak miedź, tlenek indowo-cynowy (ITO) i drukowany atrament. Miedziane czujniki pojemnościowe mogą być zaimplementowane na standardowych PCB FR4, jak również na elastycznym materiale. ITO pozwala, aby czujnik pojemnościowy był przezroczysty do 90% (dla rozwiązań jednowarstwowych, takich jak ekrany telefonów dotykowych). Rozmiar i odstępy czujnika pojemnościowego są bardzo ważne dla wydajności czujnika. Oprócz wielkości czujnika i jego odległości względem płaszczyzny uziemienia bardzo ważny jest rodzaj zastosowanej płaszczyzny uziemienia. Ponieważ pasożytnicza pojemność czujnika jest związana ze ścieżką pola elektrycznego (pola elektrycznego ) do ziemi, ważne jest, aby wybrać płaszczyznę uziemienia, która ogranicza koncentrację linii e-pola bez obecności obiektu przewodzącego.

Zaprojektowanie systemu wykrywania pojemności wymaga najpierw wybrania rodzaju materiału wykrywania (FR4, Flex, ITO itp.). Należy również zrozumieć środowisko, w którym będzie działać urządzenie, takie jak pełny zakres temperatur pracy , jakie częstotliwości radiowe są obecne i jak użytkownik będzie wchodzić w interakcję z interfejsem.

Istnieją dwa rodzaje czujników pojemnościowych: wzajemna pojemność, w której obiekt (palec, przewodzący rysik) zmienia wzajemne sprzężenie między elektrodami rzędowymi i kolumnowymi, które są skanowane sekwencyjnie; oraz pojemność własną lub bezwzględną, gdy obiekt (taki jak palec) ładuje czujnik lub zwiększa pojemność pasożytniczą względem ziemi. W obu przypadkach różnica poprzedniej pozycji bezwzględnej od obecnej pozycji bezwzględnej daje względny ruch obiektu lub palca w tym czasie. Technologie zostały omówione w następnym rozdziale.

Pojemność powierzchniowa

W tej podstawowej technologii tylko jedna strona izolatora jest pokryta materiałem przewodzącym. Do tej warstwy przykładane jest niewielkie napięcie , co powoduje powstanie jednolitego pola elektrostatycznego. Kiedy przewodnik , taki jak ludzki palec, dotyka niepowleczonej powierzchni, kondensator tworzy się dynamicznie. Ze względu na rezystancję powierzchniową, każdy narożnik jest mierzony tak, aby miał inną pojemność skuteczną. Czujnik jest kontroler może określić lokalizację w dotyku pośrednio ze zmianą pojemności mierzonej od czterech rogach panelu: im większa zmiana pojemności, im bliżej touch jest do tego rogu. Bez ruchomych części jest średnio wytrzymały, ale ma niską rozdzielczość, jest podatny na fałszywe sygnały z pasożytniczego sprzężenia pojemnościowego i wymaga kalibracji podczas produkcji. Dlatego jest najczęściej wykorzystywany w prostych aplikacjach, takich jak sterowniki przemysłowe i kioski interaktywne .

Przewidywana pojemność

Schemat projekcyjnego pojemnościowego ekranu dotykowego

Technologia Projected Capacitive Touch (PCT) to technologia pojemnościowa, która umożliwia dokładniejsze i bardziej elastyczne działanie poprzez trawienie warstwy przewodzącej. Siatki XY jest utworzona zarówno przez wytrawianie z jednej warstwy, z wytworzeniem wzoru siatki elektrod lub za pomocą trawienia dwa oddzielne, równoległe warstwy przewodzącego materiału o liniach prostopadłych do torów lub do tworzących siatkę; porównywalna z siatką pikseli znajdującą się w wielu wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD).

Większa rozdzielczość PCT umożliwia pracę bez bezpośredniego kontaktu, dzięki czemu warstwy przewodzące mogą być pokryte kolejnymi ochronnymi warstwami izolacyjnymi i mogą działać nawet pod osłonami ekranu lub za szkłem odpornym na warunki atmosferyczne i wandalizm. Ponieważ górna warstwa PCT jest szklana, PCT jest bardziej wytrzymałym rozwiązaniem w porównaniu z rezystancyjną technologią dotykową. W zależności od implementacji, zamiast lub oprócz palca można użyć aktywnego lub pasywnego rysika. Jest to powszechne w przypadku urządzeń w punktach sprzedaży , które wymagają przechwytywania podpisu. Palce w rękawiczkach mogą nie być wyczuwane, w zależności od implementacji i ustawień wzmocnienia. Smugi przewodzące i podobne zakłócenia na powierzchni panelu mogą zakłócać działanie. Takie przewodzące smugi pochodzą głównie z lepkich lub spoconych opuszków palców, szczególnie w środowiskach o dużej wilgotności. Problemem może być również zbierający się kurz, który przywiera do ekranu z powodu wilgoci z opuszków palców.

Istnieją dwa rodzaje PCT: pojemność własna i pojemność wzajemna.

Wzajemne czujniki pojemnościowe mają kondensator na każdym przecięciu każdego rzędu i każdej kolumny. Na przykład tablica o wymiarach 12 na 16 miałaby 192 niezależne kondensatory. Napięcie jest stosowane do wierszy lub kolumn. Zbliżenie palca lub rysika przewodzącego do powierzchni czujnika powoduje zmianę lokalnego pola elektrycznego, co zmniejsza wzajemną pojemność. Zmiana pojemności w każdym pojedynczym punkcie siatki może być mierzona w celu dokładnego określenia lokalizacji dotyku poprzez pomiar napięcia na drugiej osi. Wzajemna pojemność umożliwia obsługę wielodotykową , w której można jednocześnie dokładnie śledzić wiele palców, dłoni lub rysików.

Czujniki z pojemnością własną mogą mieć taką samą siatkę XY, jak czujniki z pojemnością wzajemną, ale kolumny i wiersze działają niezależnie. Dzięki pojemności własnej prąd wykrywa obciążenie pojemnościowe palca na każdej kolumnie lub rzędzie. Daje to silniejszy sygnał niż wzajemne wykrywanie pojemności, ale nie jest w stanie dokładnie rozdzielić więcej niż jednego palca, co powoduje „duchy” lub wykrywanie niewłaściwej lokalizacji.

Projekt obwodu

Pojemność jest zwykle mierzona pośrednio, wykorzystując ją do sterowania częstotliwością oscylatora lub do zmiany poziomu sprzężenia (lub tłumienia) sygnału AC.

Konstrukcja prostego miernika pojemności często opiera się na oscylatorze relaksacyjnym . Wykrywana pojemność stanowi część obwodu RC oscylatora lub obwodu LC . Zasadniczo technika działa poprzez ładowanie nieznanej pojemności znanym prądem. (Równanie stanu kondensatora to i = C dv/dt. Oznacza to, że pojemność jest równa prądowi podzielonemu przez szybkość zmiany napięcia na kondensatorze.) Pojemność można obliczyć mierząc czas ładowania wymagany do osiągnięcia napięcie progowe (oscylatora relaksacji) lub równoważnie, mierząc częstotliwość oscylatora. Oba są proporcjonalne do stałej czasowej RC (lub LC) obwodu oscylatora.

Podstawowym źródłem błędów w pomiarach pojemności jest pojemność rozproszona, która, jeśli nie jest chroniona, może wahać się od około 10 pF do 10 nF. Zabłąkana pojemność może być utrzymywana na względnie stałym poziomie poprzez ekranowanie sygnału pojemności (o wysokiej impedancji), a następnie podłączenie ekranu do (niskiej impedancji) uziemienia. Ponadto, aby zminimalizować niepożądane skutki rozproszonej pojemności, dobrą praktyką jest umieszczenie elektroniki czujnika jak najbliżej elektrod czujnika.

Inną techniką pomiarową jest zastosowanie sygnału napięciowego prądu przemiennego o stałej częstotliwości przez dzielnik pojemnościowy. Składa się on z dwóch kondensatorów połączonych szeregowo, jednego o znanej wartości, a drugiego o nieznanej wartości. Sygnał wyjściowy jest następnie pobierany z jednego z kondensatorów. Wartość nieznanego kondensatora można znaleźć ze stosunku pojemności, który jest równy stosunkowi amplitud sygnału wyjściowego/wejściowego, co można by zmierzyć woltomierzem AC. Dokładniejsze instrumenty mogą wykorzystywać konfigurację mostka pojemnościowego, podobną do mostka Wheatstone'a . Mostek pojemnościowy pomaga skompensować wszelkie zmienności, które mogą występować w zastosowanym sygnale.

Porównanie z innymi technologiami dotykowymi

Pojemnościowe ekrany dotykowe są bardziej responsywne niż rezystancyjne ekrany dotykowe (które reagują na dowolny obiekt, ponieważ nie jest potrzebna pojemność), ale są mniej dokładne. Jednak pojemność projekcyjna poprawia dokładność ekranu dotykowego, ponieważ tworzy trójkątną siatkę wokół punktu dotyku.

Standardowy rysik nie może być używany do wykrywania pojemnościowego, ale do tego celu istnieją specjalne rysiki pojemnościowe, które są przewodzące. Można nawet wykonać rysik pojemnościowy, owijając materiał przewodzący, taki jak antystatyczna folia przewodząca, wokół standardowego rysika lub zwijając folię w rurkę. Pojemnościowe ekrany dotykowe są droższe w produkcji niż rezystancyjne ekrany dotykowe . Niektórych nie można używać w rękawiczkach i mogą nie wyczuwać prawidłowo nawet przy niewielkiej ilości wody na ekranie.

Wzajemne czujniki pojemnościowe mogą zapewnić dwuwymiarowy obraz zmian pola elektrycznego. Wykorzystując ten obraz, zaproponowano szereg zastosowań. Możliwe staje się uwierzytelnianie użytkowników, szacowanie orientacji palców dotykających ekran oraz rozróżnianie palców i dłoni. Podczas gdy czujniki pojemnościowe są używane w ekranach dotykowych większości smartfonów, obraz pojemnościowy zwykle nie jest narażony na warstwę aplikacji.

Zasilacze o wysokim poziomie szumów elektronicznych mogą zmniejszać dokładność.

Przetwarzanie za pomocą pióra

Rysik pojemnościowy

Wiele projektów rysików do rezystancyjnych ekranów dotykowych nie rejestruje się na czujnikach pojemnościowych, ponieważ nie są one przewodzące. Rysiki, które działają na pojemnościowych ekranach dotykowych zaprojektowanych głównie dla palców, są wymagane do symulowania różnicy dielektrycznej oferowanej przez ludzki palec.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki