Емкостное зондирование - Capacitive sensing
В электротехнике , емкостное зондирование (иногда емкости зондирование ) представляет собой технология, на основе емкостной связи , которые могут обнаружить и измерить все , что является проводящим или имеет диэлектрические отличаются от воздуха. Многие типы датчиков используют емкостное зондирование, включая датчики для обнаружения и измерения близости, давления, положения и смещения , силы , влажности , уровня жидкости и ускорения . Устройства с интерфейсом пользователя, основанные на емкостном считывании, такие как сенсорные панели , могут заменить компьютерную мышь . В цифровых аудиоплеерах , мобильных телефонах и планшетных компьютерах в качестве устройств ввода используются емкостные сенсорные экраны . Емкостные датчики также могут заменить механические кнопки.
Емкостный сенсорный экран обычно состоит из емкостного сенсорного датчика, по крайней мере, двух комплементарных металл-оксид-полупроводниковых ( CMOS ) интегральных схем (IC), специализированного контроллера интегральной схемы (ASIC) и процессора цифровых сигналов (DSP). Емкостные зондирования широко используются для мобильных мульти-сенсорных дисплеев, популяризировали компанию Apple «s iPhone в 2007 году.
Дизайн
Емкостные датчики состоят из множества различных сред, таких как медь, оксид индия и олова (ITO) и печатные краски. Медные емкостные датчики могут быть реализованы на стандартных печатных платах FR4, а также на гибких материалах. ITO позволяет емкостному датчику быть прозрачным до 90% (для однослойных решений, таких как сенсорные экраны телефонов). Размер и расстояние между емкостными датчиками очень важны для его рабочих характеристик. В дополнении к размеру датчика, и его расстояние относительно плоскости земли , тип плоскости земли используется очень важен. Поскольку паразитная емкость датчика связана с путем электрического поля (электронного поля) к земле, важно выбрать заземляющую поверхность, которая ограничивает концентрацию линий электронного поля без присутствия проводящего объекта.
Для проектирования системы измерения емкости необходимо сначала выбрать тип чувствительного материала (FR4, Flex, ITO и т. Д.). Также необходимо понимать среду, в которой будет работать устройство, например, полный диапазон рабочих температур , какие радиочастоты присутствуют и как пользователь будет взаимодействовать с интерфейсом.
Существует два типа емкостных датчиков: взаимная емкость, когда объект (палец, токопроводящий стилус) изменяет взаимную связь между электродами строки и столбца, которые сканируются последовательно; и собственная или абсолютная емкость, когда объект (например, палец) нагружает датчик или увеличивает паразитную емкость относительно земли. В обоих случаях разница между предыдущим абсолютным положением и настоящим абсолютным положением дает относительное движение объекта или пальца в течение этого времени. Технологии подробно описаны в следующем разделе.
Поверхностная емкость
В этой базовой технологии только одна сторона изолятора покрыта проводящим материалом. К этому слою прикладывается небольшое напряжение , в результате чего возникает однородное электростатическое поле. Когда проводник , например человеческий палец, касается поверхности без покрытия, динамически образуется конденсатор . Из-за листового сопротивления поверхности каждый угол измеряется, чтобы иметь различную эффективную емкость. Датчика контроллер может определить местоположение прикосновения косвенно от изменения емкости при измерении от четырех углов панели: чем больше изменения в емкости, тем ближе прикосновение к этому углу. Без движущихся частей он умеренно долговечен, но имеет низкое разрешение, подвержен ложным сигналам из-за паразитной емкостной связи и требует калибровки во время производства. Поэтому он чаще всего используется в простых приложениях, таких как промышленные средства управления и интерактивные киоски .
Расчетная емкость
Технология проецируемого емкостного касания (PCT) - это емкостная технология, которая обеспечивает более точную и гибкую работу за счет травления проводящего слоя. XY сетка формируется либо путем травления , один слоя , чтобы сформировать картину решетки электродов , либо путем травления два отдельных, параллельных слоев проводящего материала с перпендикулярными линиями или дорожками , чтобы сформировать сетку; сопоставима с пиксельной сеткой многих жидкокристаллических дисплеев (ЖКД).
Более высокое разрешение PCT позволяет работать без прямого контакта, так что проводящие слои могут быть покрыты дополнительными защитными изоляционными слоями и работать даже под защитными пленками для экрана или за атмосферным и антивандальным стеклом. Поскольку верхним слоем РСТ является стекло, РСТ является более надежным решением по сравнению с резистивной сенсорной технологией. В зависимости от реализации вместо пальца или в дополнение к нему можно использовать активный или пассивный стилус. Это обычное дело для торговых точек , требующих захвата подписи. Пальцы в перчатках могут не распознаваться, в зависимости от реализации и настроек усиления. Проводящие пятна и подобные помехи на поверхности панели могут повлиять на производительность. Такие токопроводящие пятна появляются в основном от липких или потных кончиков пальцев, особенно в условиях высокой влажности. Собранная пыль, которая прилипает к экрану из-за попадания влаги из кончиков пальцев, также может быть проблемой.
Есть два типа PCT: собственная емкость и взаимная емкость.
Взаимные емкостные датчики имеют конденсатор на каждом пересечении каждой строки и каждого столбца. Например, массив 12 на 16 будет иметь 192 независимых конденсатора. На строки или столбцы подается напряжение . Поднесение пальца или токопроводящей иглы к поверхности датчика изменяет локальное электрическое поле, что снижает взаимную емкость. Изменение емкости в каждой отдельной точке сети может быть измерено для точного определения места касания путем измерения напряжения на другой оси. Взаимная емкость позволяет работать с несколькими касаниями, когда можно одновременно точно отслеживать несколько пальцев, ладоней или щупов.
Датчики собственной емкости могут иметь ту же сетку XY, что и датчики взаимной емкости, но столбцы и строки работают независимо. Благодаря собственной емкости ток определяет емкостную нагрузку пальца на каждый столбец или строку. Это дает более сильный сигнал, чем измерение взаимной емкости, но не может точно определить более одного пальца, что приводит к "двоению" или неправильному определению местоположения.
Схемотехника
Емкость обычно измеряется косвенно, используя ее для управления частотой генератора или для изменения уровня связи (или затухания) сигнала переменного тока.
Конструкция простого измерителя емкости часто основана на релаксационном генераторе . Измеряемая емкость образует часть RC-цепи или LC-цепи генератора . В основном этот метод работает, заряжая неизвестную емкость известным током. (Уравнение состояния конденсатора: i = C dv / dt. Это означает, что емкость равна току, деленному на скорость изменения напряжения на конденсаторе.) Емкость может быть рассчитана путем измерения времени зарядки, необходимого для достижения пороговое напряжение (релаксационного генератора) или, что то же самое, путем измерения частоты генератора. Оба они пропорциональны постоянной времени RC (или LC) контура генератора.
Основным источником ошибок при измерениях емкости является паразитная емкость, которая, если ее не защищать, может колебаться между примерно 10 пФ и 10 нФ. Паразитную емкость можно поддерживать относительно постоянной, экранируя сигнал емкости (с высоким импедансом), а затем подключая экран к опорной земле (с низким сопротивлением). Кроме того, чтобы минимизировать нежелательные эффекты паразитной емкости, рекомендуется располагать чувствительную электронику как можно ближе к электродам датчика.
Другой метод измерения - подача сигнала переменного напряжения фиксированной частоты через емкостной делитель. Он состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, один с известным значением, а другой с неизвестным значением. Затем выходной сигнал берется через один из конденсаторов. Значение неизвестного конденсатора может быть найдено из отношения емкостей, которое равно отношению амплитуд выходного / входного сигнала, которое может быть измерено вольтметром переменного тока. Более точные инструменты могут использовать конфигурацию емкостного моста, подобную мосту Уитстона . Емкостной мост помогает компенсировать любую изменчивость, которая может существовать в подаваемом сигнале.
Сравнение с другими технологиями сенсорных экранов
Емкостные сенсорные экраны более отзывчивы, чем резистивные сенсорные экраны (которые реагируют на любой объект, поскольку емкость не требуется), но менее точны. Однако проективная емкость повышает точность сенсорного экрана, поскольку он формирует триангулированную сетку вокруг точки касания.
Стандартный щуп не может использоваться для емкостного считывания, но для этой цели существуют специальные емкостные щупы, которые являются проводящими. Можно даже сделать емкостный стилус, обернув проводящий материал, такой как антистатическая проводящая пленка, вокруг стандартного иглы или свернув пленку в трубку. Емкостные сенсорные экраны дороже в производстве, чем резистивные сенсорные экраны . Некоторые из них нельзя использовать в перчатках, и они могут неправильно воспринимать даже при небольшом количестве воды на экране.
Взаимные емкостные датчики могут обеспечивать двумерное изображение изменений электрического поля. Используя это изображение, был предложен ряд приложений. Становятся возможными аутентификация пользователей, оценка ориентации пальцев, соприкасающихся с экраном, и различие между пальцами и ладонями. В то время как емкостные датчики используются для сенсорных экранов большинства смартфонов, емкостное изображение обычно не отображается на уровне приложений.
Источники питания с высоким уровнем электронных шумов могут снизить точность.
Ручные вычисления
Многие конструкции стилусов для резистивных сенсорных экранов не регистрируются емкостными датчиками, поскольку они не проводят ток. Стилусы, которые работают с емкостными сенсорными экранами, в основном предназначенными для пальцев, должны имитировать разницу в диэлектрической проницаемости человеческого пальца.