Detectare capacitivă - Capacitive sensing
În ingineria electrică , detectarea capacitivă (uneori detectarea capacității ) este o tehnologie, bazată pe cuplarea capacitivă , care poate detecta și măsura orice este conductiv sau are un dielectric diferit de aer. Multe tipuri de senzori folosesc senzori capacitivi, inclusiv senzori pentru a detecta și măsura proximitatea, presiunea, poziția și deplasarea , forța , umiditatea , nivelul fluidului și accelerația . Dispozitivele de interfață umană bazate pe detectarea capacitivă, cum ar fi touchpad-urile , pot înlocui mouse-ul computerului . Playerele audio digitale , telefoanele mobile și computerele tabletă utilizează ecranele tactile de detectare capacitivă ca dispozitive de intrare. Senzorii capacitivi pot înlocui și butoanele mecanice.
Un touchscreen capacitiv de obicei constă dintr - un capacitiv touch senzor , împreună cu cel puțin două complementare din metal-oxid-semiconductor ( CMOS ) circuite integrate cipuri (IC), un circuit de aplicație integrat specific (ASIC) controler și un procesor de semnal digital (DSP). Detectare capacitivă este frecvent utilizat pentru mobile multi-touch display - uri, popularizat de la Apple „s iPhone în 2007.
Proiecta
Senzorii capacitivi sunt construiți din mai multe medii diferite, cum ar fi cuprul, oxidul de staniu (ITO) și cerneala tipărită. Senzorii capacitivi de cupru pot fi implementați pe PCB-uri FR4 standard , precum și pe material flexibil. ITO permite senzorului capacitiv să fie transparent până la 90% (pentru soluții cu un singur strat, cum ar fi ecranele de telefon tactil). Dimensiunea și distanța senzorului capacitiv sunt ambele foarte importante pentru performanța senzorului. În plus față de dimensiunea senzorului și distanța acestuia față de planul de masă , tipul de plan de masă utilizat este foarte important. Deoarece capacitatea parazitară a senzorului este legată de calea câmpului electric (câmpul e) către sol, este important să alegeți un plan de sol care să limiteze concentrația liniilor câmpului e fără obiect conductiv prezent.
Proiectarea unui sistem de detectare a capacității necesită mai întâi alegerea tipului de material de detectare (FR4, Flex, ITO etc.). De asemenea, trebuie să înțelegeți mediul în care va funcționa dispozitivul, cum ar fi gama completă de temperatură de funcționare , ce frecvențe radio sunt prezente și modul în care utilizatorul va interacționa cu interfața.
Există două tipuri de sistem de detectare capacitivă: capacitate reciprocă, în care obiectul (degetul, stylusul conductiv) modifică cuplarea reciprocă între electrozi de rând și de coloană, care sunt scanate secvențial; și capacitatea auto sau absolută în care obiectul (cum ar fi un deget) încarcă senzorul sau mărește capacitatea parazită la sol. În ambele cazuri, diferența unei poziții absolute precedente față de poziția absolută actuală dă mișcarea relativă a obiectului sau a degetului în timpul respectiv. Tehnologiile sunt elaborate în secțiunea următoare.
Capacitate de suprafață
În această tehnologie de bază, doar o parte a izolatorului este acoperită cu material conductiv. O tensiune mică este aplicată acestui strat, rezultând un câmp electrostatic uniform. Când un conductor , cum ar fi un deget uman, atinge suprafața neacoperită, se formează în mod dinamic un condensator . Datorită rezistenței foii de suprafață, fiecare colț este măsurat pentru a avea o capacitate efectivă diferită. Controlerul senzorului poate determina locația atingerii indirect din schimbarea capacității măsurată din cele patru colțuri ale panoului: cu cât este mai mare schimbarea capacității, cu atât atingerea este mai aproape de acel colț. Fără părți în mișcare, este moderat durabil, dar are o rezoluție scăzută, este predispus la semnale false de la cuplarea capacitivă parazită și are nevoie de calibrare în timpul fabricării. Prin urmare, este cel mai des utilizat în aplicații simple, cum ar fi controalele industriale și chioșcurile interactive .
Capacitate proiectată
Tehnologia tactilă capacitivă proiectată (PCT) este o tehnologie capacitivă care permite o funcționare mai precisă și flexibilă, prin gravarea stratului conductiv. O grilă XY este formată fie prin gravarea unui strat pentru a forma un model de grilă de electrozi , fie prin gravarea a două straturi separate, paralele, de material conductor cu linii perpendiculare sau piste pentru a forma grila; comparabil cu grila de pixeli găsită în multe afișaje cu cristale lichide (LCD).
Rezoluția mai mare a PCT permite funcționarea fără contact direct, astfel încât straturile conductoare să poată fi acoperite cu alte straturi izolatoare de protecție și să funcționeze chiar și sub protecții de ecran, sau în spatele sticlelor antivandal și antivandal. Deoarece stratul superior al unui PCT este din sticlă, PCT este o soluție mai robustă față de tehnologia tactilă rezistivă. În funcție de implementare, un stylus activ sau pasiv poate fi utilizat în locul sau în plus față de un deget. Acest lucru este comun cu dispozitivele de la punctul de vânzare care necesită captură de semnături. Este posibil ca degetele mănușite să nu fie detectate, în funcție de setările de implementare și de câștig. Petele conductive și interferențe similare pe suprafața panoului pot interfera cu performanța. Astfel de pete conductive provin în principal din vârfurile degetelor lipicioase sau transpirate, în special în medii cu umiditate ridicată. Praful colectat, care aderă la ecran din cauza umezelii de la vârful degetelor poate fi, de asemenea, o problemă.
Există două tipuri de PCT: capacitate proprie și capacitate reciprocă.
Senzorii capacitivi reciproci au un condensator la fiecare intersecție a fiecărui rând și a fiecărei coloane. Un tablou 12-by-16, de exemplu, ar avea 192 de condensatori independenți. O tensiune este aplicată rândurilor sau coloanelor. Aducerea unui deget sau a unui stylus conductor lângă suprafața senzorului schimbă câmpul electric local, ceea ce reduce capacitatea reciprocă. Schimbarea capacității în fiecare punct individual al rețelei poate fi măsurată pentru a determina cu exactitate locația tactilă prin măsurarea tensiunii în cealaltă axă. Capacitatea reciprocă permite funcționarea multi-touch în care mai multe degete, palme sau stili pot fi urmărite cu precizie în același timp.
Senzorii de auto-capacitate pot avea aceeași grilă XY ca senzorii de capacitate reciprocă, dar coloanele și rândurile funcționează independent. Cu auto-capacitate, curentul detectează sarcina capacitivă a unui deget pe fiecare coloană sau rând. Acest lucru produce un semnal mai puternic decât detectarea reciprocă a capacității, dar nu este capabil să rezolve cu precizie mai mult de un deget, ceea ce duce la „fantomă”, sau la detectarea locației nepotrivite.
Proiectarea circuitului
Capacitatea este de obicei măsurată indirect, utilizând-o pentru a controla frecvența unui oscilator sau pentru a varia nivelul de cuplare (sau atenuare) al unui semnal de curent alternativ.
Proiectarea unui contor de capacitate simplu se bazează adesea pe un oscilator de relaxare . Capacitatea de detectat formează o porțiune a circuitului RC sau a circuitului LC al oscilatorului . Practic tehnica funcționează prin încărcarea capacității necunoscute cu un curent cunoscut. (Ecuația de stare pentru un condensator este i = C dv / dt. Aceasta înseamnă că capacitatea este egală cu curentul împărțit la rata de schimbare a tensiunii pe condensator.) Capacitatea poate fi calculată prin măsurarea timpului de încărcare necesar pentru a ajunge tensiunea de prag (a oscilatorului de relaxare), sau echivalent, prin măsurarea frecvenței oscilatorului. Ambele sunt proporționale cu constanta de timp RC (sau LC) a circuitului oscilatorului.
Sursa principală de eroare în măsurătorile de capacitate este capacitatea rătăcită, care, dacă nu este ferită, poate fluctua între aproximativ 10 pF și 10 nF. Capacitatea fără stăpân poate fi menținută relativ constantă prin ecranarea semnalului de capacitate (cu impedanță ridicată) și apoi conectarea ecranului la o referință de masă (cu o impedanță mică). De asemenea, pentru a minimiza efectele nedorite ale capacității rătăcite, este o bună practică să localizați dispozitivele electronice de detectare cât mai aproape de electrozii senzorilor.
O altă tehnică de măsurare este aplicarea unui semnal de tensiune alternativă cu frecvență fixă pe un divizor capacitiv. Acesta constă din doi condensatori în serie, unul cu o valoare cunoscută și celălalt cu o valoare necunoscută. Un semnal de ieșire este apoi preluat de pe unul dintre condensatori. Valoarea condensatorului necunoscut poate fi găsită din raportul capacităților, care este egal cu raportul dintre amplitudinile semnalului de ieșire / intrare, așa cum s-ar putea măsura cu un voltmetru de curent alternativ. Instrumentele mai precise pot folosi o configurație de capacitate de capacitate, similară cu o punte Wheatstone . Puntea de capacitate ajută la compensarea oricărei variabilități care ar putea exista în semnalul aplicat.
Comparație cu alte tehnologii cu ecran tactil
Ecranele tactile capacitive sunt mai receptive decât ecranele tactile rezistive (care reacționează la orice obiect, deoarece nu este nevoie de capacitate), dar mai puțin precise. Cu toate acestea, capacitatea proiectivă îmbunătățește precizia unui ecran tactil, deoarece formează o rețea triunghiulară în jurul punctului de atingere.
Un stylus standard nu poate fi utilizat pentru detectarea capacitivă, dar stylusul capacitiv special, care este conductiv, există în acest scop. Se poate face chiar un stylus capacitiv prin înfășurarea materialului conductiv, cum ar fi filmul conductiv antistatic, în jurul unui stylus standard sau prin rularea filmului într-un tub. Ecranele tactile capacitive sunt mai scumpe de fabricat decât ecranele tactile rezistive . Unele nu pot fi utilizate cu mănuși și pot să nu simtă corect chiar și cu o cantitate mică de apă pe ecran.
Senzorii capacitivi reciproci pot oferi o imagine bidimensională a schimbărilor din câmpul electric. Folosind această imagine, au fost propuse o serie de aplicații. Autentificarea utilizatorilor, estimarea orientării degetelor care ating ecranul și diferențierea între degete și palme devin posibile. În timp ce senzorii capacitivi sunt utilizați pentru ecranele tactile ale majorității smartphone-urilor, imaginea capacitivă nu este de obicei expusă la stratul de aplicație.
Sursele de alimentare cu un nivel ridicat de zgomot electronic pot reduce precizia.
Calculare stilou
Multe stylus modele pentru ecrane tactile rezistive nu se va înregistra pe senzori capacitivi , deoarece acestea nu sunt conductoare. Stylusurile care funcționează pe ecranele tactile capacitive concepute în principal pentru degete sunt necesare pentru a simula diferența de dielectric oferită de un deget uman.