Емкостное зондирование

Технология в электротехнике

В электротехнике емкостное измерение (иногда емкостное измерение ) — это технология, основанная на емкостной связи , которая может обнаруживать и измерять все, что является проводящим или имеет диэлектрическую проницаемость, отличную 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 пользовательского интерфейса, основанные на емкостных сенсорах, такие как сенсорные панели ^[1] , могут заменить компьютерную мышь . Цифровые аудиоплееры , мобильные телефоны и планшетные компьютеры иногда используют емкостные сенсорные экраны в качестве устройств ввода. ^[2] Емкостные датчики также могут заменить механические кнопки.

Емкостный сенсорный экран обычно состоит из емкостного сенсорного датчика вместе с как минимум двумя комплементарными микросхемами интегральных схем (ИС ) металл-оксид-полупроводник ( КМОП ), контроллером интегральной схемы для конкретного приложения (ASIC) и процессором цифровых сигналов (DSP). Емкостное распознавание обычно используется в мобильных мультитач- дисплеях, популяризированных Apple iPhone в 2007 году. [ ^{3] [4]}

Дизайн

Емкостные датчики изготавливаются из множества различных материалов, таких как медь, оксид индия и олова (ITO) и печатные чернила. Медные емкостные датчики могут быть реализованы на стандартных печатных платах FR4 , а также на гибком материале. ITO позволяет емкостному датчику быть прозрачным до 90 % (для однослойных решений, таких как сенсорные экраны телефонов). Размер и расстояние между емкостным датчиком очень важны для его работы. В дополнение к размеру датчика и его расстоянию относительно заземляющего слоя очень важен тип используемого заземляющего слоя. Поскольку паразитная емкость датчика связана с путем электрического поля (Э-поля) к земле, важно выбрать заземляющую пластину, которая ограничивает концентрацию линий Э-поля при отсутствии проводящего объекта.

При проектировании системы емкостного измерения необходимо сначала выбрать тип чувствительного материала (FR4, Flex, ITO и т. д.). Также необходимо понимать, в какой среде будет работать устройство, например, полный диапазон рабочих температур , какие радиочастоты присутствуют и как пользователь будет взаимодействовать с интерфейсом.

Существует два типа емкостных сенсорных систем:

1. взаимная емкость, ^[5] когда объект (палец, проводящая игла) изменяет взаимную связь между электродами строки и столбца, которые сканируются последовательно; ^[6] и
2. собственная емкость , когда объект (например, палец) нагружает датчик или увеличивает паразитную емкость относительно земли.

В обоих случаях разница предыдущего абсолютного положения от текущего абсолютного положения дает относительное движение объекта или пальца за это время. 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 создается однородное электростатическое поле. ^[7] Когда проводник , например человеческий палец, касается непокрытой поверхности, динамически формируется конденсатор . Из-за поверхностного сопротивления поверхности каждый угол имеет разную эффективную емкость. Контроллер датчика может определить место касания косвенно по изменению емкости , измеренной по четырем углам панели: чем больше изменение емкости, тем ближе прикосновение к этому углу. Не имея движущихся частей, он достаточно 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 . ^[8]

Прогнозируемая емкость

Схема проекционно-емкостного тачскрина

Технология проекционно-емкостного касания (PCT) — это емкостная технология, которая обеспечивает более точную и гибкую работу за счет травления проводящего слоя. Сетка XY формируется либо путем травления одного слоя для формирования сетки электродов , либо путем травления двух отдельных параллельных слоев проводящего материала с перпендикулярными линиями или дорожками для формирования сетки; сравнимо с пиксельной сеткой, используемой во многих жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях). ^[9]

Более высокое разрешение PCT позволяет работать без прямого контакта, так что проводящие слои могут быть покрыты дополнительными защитными изолирующими слоями и работать даже под защитными пленками для экрана или за защищенным от непогоды и вандалозащищенным стеклом. Поскольку верхний слой PCT представляет собой стекло, PCT является более надежным решением по сравнению с резистивной сенсорной технологией. В зависимости от реализации вместо пальца или в дополнение к нему может использоваться активный или пассивный стилус. Это характерно для устройств торговых точек , требующих захвата подписи. Пальцы в перчатках могут не ощущаться в зависимости от реализации и настроек усиления. Токопроводящие пятна и подобные помехи на поверхности панели могут повлиять на производительность. Такие проводящие пятна возникают в основном от липких или потных кончиков пальцев, особенно в условиях высокой влажности. Проблемой также может стать скопившаяся пыль, которая прилипает к экрану из-за влаги с кончиков пальцев.

Существует два типа РСТ: собственная емкость и взаимная емкость.

Взаимно-емкостные датчики имеют конденсатор на каждом пересечении каждой строки и каждого столбца. Например, массив 12х16 будет иметь 192 независимых конденсатора. К строкам или столбцам подается напряжение . Поднесение пальца или проводящего стилуса к поверхности датчика изменяет локальное электрическое поле, что уменьшает взаимную емкость. Изменение емкости в каждой отдельной точке сетки можно измерить, чтобы точно определить место касания путем измерения напряжения на другой оси. Взаимная емкость позволяет работать с несколькими касаниями , при этом можно точно отслеживать несколько пальцев, ладоней или стилусов одновременно. ^[10]

Датчики собственной емкости могут иметь ту же сетку XY, что и датчики взаимной емкости, но столбцы и строки работают независимо. Благодаря собственной емкости ток воспринимает емкостную нагрузку пальца на каждый столбец или строку. Это дает более сильный сигнал, чем измерение взаимной емкости, но он не может точно определить более чем один палец, что приводит к «двоению» или неправильному определению местоположения. ^[11]

Схемотехника

Емкость обычно измеряется косвенно, используя ее для управления частотой генератора или для изменения уровня связи (или затухания) сигнала переменного тока. По сути, этот метод работает путем зарядки неизвестной емкости известным током, поскольку изменение соотношения ток-напряжение для конденсатора

$${\displaystyle I(t)=C{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}\,,}$$

позволяет определить емкость из мгновенного тока, деленного на скорость изменения напряжения на конденсаторе:

$${\displaystyle C={\frac {I(t)}{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}}\,.}$$

Это можно проинтегрировать в течение периода времени начисления от до и выразить в интегральной форме как: ${\displaystyle t_{0}}$ ${\displaystyle t_{1}}$ $${\displaystyle C={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{1}}I(t)\,\mathrm {d} t}{V(t_{1})-V(t_{0})}}\,.}$$

Типы

Шаговый отклик

В качестве простого примера приведенного выше уравнения: если зарядный ток постоянен, а пусковое напряжение равно 0 В, то емкость представляет собой просто значение этого постоянного тока, умноженное на продолжительность времени зарядки и разделенное на конечное напряжение. ${\displaystyle V(t_{0})}$ ${\displaystyle (t_{1}-t_{0})}$ ${\displaystyle V(t_{1})\,.}$

Либо это время зарядки, либо напряжение может быть заданной константой. Например, при измерении через постоянный промежуток времени емкость можно определить, используя только конечное напряжение. В качестве альтернативы, если используется фиксированное пороговое напряжение, вместо этого необходимо только измерить продолжительность времени зарядки, чтобы достичь этого порогового напряжения.

Это измерение переходной характеристики можно постоянно повторять (например, с использованием прямоугольной волны ).

В качестве примера ИС емкостного измерения можно привести FDC1004 от Texas Instruments , который применяет ступенчатый сигнал частотой 25 кГц для зарядки электрода и через определенное время преобразует аналоговое напряжение, представляющее этот заряд, в цифровое значение емкости с помощью встроенного преобразователя. в аналого-цифровом преобразователе (АЦП). ^[12]

Релаксационный осциллятор

Конструкция простого измерителя емкости часто основана на релаксационном генераторе . Измеряемая емкость образует часть RC- или LC-цепи генератора . Емкость можно рассчитать путем измерения времени зарядки, необходимого для достижения порогового напряжения (релаксационного генератора), или, что то же самое, путем измерения частоты генератора. Оба они пропорциональны постоянной времени RC (или LC) генераторной схемы.

Делитель напряжения

Другой метод измерения заключается в подаче сигнала переменного напряжения фиксированной частоты на емкостный делитель ( делитель напряжения , в котором вместо резисторов используются конденсаторы). Он состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов: одного известного номинала, другого неизвестного номинала. Затем выходной сигнал снимается с одного из конденсаторов. Значение неизвестного конденсатора можно найти из отношения емкостей, которое равно отношению амплитуд выходного/входного сигнала, которое можно измерить вольтметром переменного тока.

Конфигурация моста

Более точные приборы могут использовать конфигурацию емкостного моста , аналогичную мосту Уитстона . ^[13] Емкостный мост помогает компенсировать любую изменчивость, которая может существовать в приложенном сигнале.

Перенос заряда

Несмотря на то, что перенос заряда не является специфическим для емкостного измерения, при передаче заряда используется сеть переключаемых конденсаторов для накопления заряда на интегрирующем конденсаторе за серию дискретных шагов, чтобы получить точную сумму всех отдельных вкладчиков заряда. ^{[14] [15]}

Дельта-сигма

Дельта-сигма-модуляция также позволяет измерять емкость вместо напряжения. ^{[16] [17]}

Ошибки

Основным источником ошибок при измерении емкости является паразитная емкость , которая, если ее не принять меры, может колебаться примерно в пределах от 10 пФ до 10 нФ. Паразитную емкость можно поддерживать относительно постоянной, экранируя сигнал емкости (с высоким импедансом), а затем подключая экран к опорному заземлению (с низким импедансом). Кроме того, чтобы свести к минимуму нежелательные эффекты паразитной емкости, рекомендуется располагать чувствительную электронику как можно ближе к электродам датчика.

Сравнение с другими технологиями сенсорного экрана

Емкостные сенсорные экраны более отзывчивы, чем резистивные сенсорные экраны (которые реагируют на любой объект, поскольку емкость не требуется), но менее точны. Однако проекционная емкость повышает точность сенсорного экрана, поскольку вокруг точки касания формируется треугольная сетка. ^[18]

Стандартный стилус нельзя использовать для емкостного измерения, но для этой цели существуют специальные емкостные стилусы, которые являются проводящими. Можно даже сделать емкостный стилус, обернув проводящий материал, например антистатическую проводящую пленку, вокруг стандартного стилуса или свернув пленку в трубку. ^[19] До недавнего времени производство емкостных сенсорных экранов было дороже, чем резистивных . ^{[ нужна ссылка ]} Больше нет (см. touchscreen#Construction ). Некоторые из них нельзя использовать в перчатках, и они могут неправильно распознавать даже небольшое количество воды на экране.

Взаимно-емкостные датчики могут обеспечить двумерное изображение изменений электрического поля. Используя это изображение, был предложен ряд приложений. Становится возможной аутентификация пользователей, ^{[20] [21]} оценка ориентации пальцев, касающихся экрана ^{[22] [23]} и различение пальцев и ладоней ^[24] . Хотя в сенсорных экранах большинства смартфонов используются емкостные датчики, емкостное изображение обычно не отображается на уровне приложения.

Источники питания с высоким уровнем электронного шума могут снизить точность.

Перьевые вычисления

Емкостный стилус

Многие конструкции стилусов для резистивных сенсорных экранов не регистрируются емкостными датчиками, поскольку они не являются проводящими. Стилусы, работающие на емкостных сенсорных экранах, в первую очередь предназначенные для пальцев, должны имитировать разницу в диэлектрике человеческого пальца. ^[25]

Смотрите также

• Список производителей сенсорных решений
• Терменвокс

Рекомендации

1. Ларри К. Бакстер (1996). Емкостные датчики. Джон Уайли и сыновья. п. 138. ИСБН 978-0-7803-5351-0.
2. Уилсон, Трейси (20 июня 2007 г.). «HowStuffWorks «Мультитач-системы»» . Проверено 9 августа 2009 г.
3. Кент, Джоэл (май 2010 г.). «Основы технологии сенсорных экранов и новые разработки». Конференция по новым КМОП-технологиям . 6 . Исследования новых технологий КМОП: 1–13. ISBN 9781927500057.
4. Ганапати, Прия (5 марта 2010 г.). «Ошибка пальца: почему большинство сенсорных экранов упускают суть». Проводной . Архивировано из оригинала 11 мая 2014 г. Проверено 9 ноября 2019 г.
5. Патент США № 5 305 017 5 861 875.
6. например, патент США. № 4736191
7. «Работа и оптимизация емкостного датчика» . Lionprecision.com. Архивировано из оригинала 2 декабря 2015 г. Проверено 15 июня 2012 г.
8. «Пожалуйста, прикоснитесь! Исследуйте развивающийся мир технологий сенсорного экрана» . Electronicdesign.com. Архивировано из оригинала 8 января 2009 г. Проверено 1 января 2020 г.
9. «Емкостное касание (Технологии сенсорного восприятия - Часть 2)» . TouchAdvance.com. Архивировано из оригинала 11 марта 2012 года . Проверено 20 ноября 2011 г.
10. Вагнер, Армин; Кайндл, Георг (2016). «WireTouch: открытый мультитач-трекер на основе взаимного измерения емкости». Зенодо. дои : 10.5281/zenodo.61461 . S2CID  63513043 . Проверено 23 мая 2020 г.
11. Объяснение самоемкостных сенсорных экранов (Sony Xperia Sola )
12. Ван, Дэвид (2021) [2014]. «FDC1004: Основы емкостного измерения и его применения» (PDF) . Инструменты Техаса . п. 4. Архивировано (PDF) из оригинала 27 января 2022 г. Проверено 9 мая 2023 г.
13. «Основные методы измерения импеданса». Newton.ex.ac.uk . Проверено 15 июня 2012 г.
14. Сегин, Райан (2007). «Полупроводники и системные решения - Infineon Technologies». Инфинеон Технологии . Архивировано (PDF) из оригинала 05 октября 2023 г. Проверено 5 октября 2023 г.
15. «Технология — документация CapTIvate Technology Guide 1.83.00.08» . программное обеспечение-dl.ti.com . 2020. Архивировано из оригинала 5 октября 2023 г. Проверено 5 октября 2023 г.
16. Брихта, Михал (28 апреля 2005 г.). «Измерение емкостных датчиков с помощью сигма-дельта модулятора». Электронный дизайн . Проверено 6 октября 2023 г.
17. О'Дауд, Дж. (2005). «Интерфейс емкостного датчика с использованием сигма-дельта-методов». Датчики IEEE, 2005 г. IEEE Sensors, 4-я ежегодная конференция. 30 октября 2005 г. - 3 ноября 2005 г. Ирвин, Калифорния. п. 951. дои :10.1109/ICSENS.2005.1597858. ISBN 0-7803-9056-3. S2CID  9733039.
18. «Технический обзор емкостного зондирования по сравнению с другими технологиями, связанными с сенсорными экранами» . Планерные перчатки . Проверено 13 декабря 2015 г.
19. «Как сделать бесплатный емкостный стилус» . Карманноу. 24 февраля 2010 г. Проверено 15 июня 2012 г.
20. Хольц, Кристиан; Бутпития, Сенака; Кнауст, Мариус (2015). «Отпечаток тела: биометрическая идентификация пользователя на мобильных устройствах с использованием емкостного сенсорного экрана для сканирования частей тела» (PDF) . Материалы конференции «Человеческий фактор в вычислительных системах» . дои : 10.1145/2702123.2702518 . Проверено 26 марта 2018 г.
21. Го, Аньхун; Сяо, Роберт; Харрисон, Крис (2015). «CapAuth: идентификация и различение отпечатков рук пользователей на товарных емкостных сенсорных экранах» (PDF) . Материалы международной конференции по интерактивным столешницам и поверхностям . дои : 10.1145/2817721.2817722 . Проверено 26 марта 2018 г.
22. Сяо, Роберт; Шварц, Джулия; Харрисон, Крис (2015). «Оценка угла наклона пальца в 3D на обычных сенсорных экранах» (PDF) . Материалы международной конференции по интерактивным столешницам и поверхностям . дои : 10.1145/2817721.2817737 . Проверено 26 марта 2018 г.
23. Майер, Свен; Ле, Хай Вьет; Хенце, Нильс (2017). «Оценка ориентации пальцев на емкостных сенсорных экранах с использованием сверточных нейронных сетей» (PDF) . Материалы международной конференции по интерактивным столешницам и поверхностям . дои : 10.1145/3132272.3134130 . Проверено 26 марта 2018 г.
24. Ле, Хай Вьет; Кош, Томас; Бадер, Патрик; Майер, Свен; Нильс, Хенце (2017). «PalmTouch: использование Palm в качестве дополнительного средства ввода на обычных смартфонах» (PDF) . Материалы конференции «Человеческий фактор в вычислительных системах» . дои : 10.1145/3173574.3173934. Архивировано из оригинала (PDF) 31 августа 2018 года . Проверено 26 марта 2018 г.
25. Дж. Д. Бирсдорфер (19 августа 2009 г.). «Вопросы и ответы: может ли стилус работать на iPhone?». Gadgetwise.blogs.nytimes.com . Проверено 15 июня 2012 г.

Внешние ссылки

• Часть 1. Основы технологии проекционно-емкостного сенсорного ввода, Джефф Уокер, июнь 2014 г.
• Аннотированная библиография по сенсорным/перьевым вычислениям и распознаванию рукописного ввода, Rueters-Ward Services, 2016 г.