Емкостное зондирование

Технологии в электротехнике

В электротехнике емкостное зондирование (иногда емкостное зондирование ) — это технология, основанная на емкостной связи , которая может обнаруживать и измерять все, что является проводящим или имеет диэлектрическую постоянную , 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 интерфейса пользователя , основанные на емкостном зондировании, 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 заменять механические кнопки.

Емкостный сенсорный экран обычно состоит из емкостного сенсора касания вместе с по крайней мере двумя дополнительными металл-оксид-полупроводниковыми ( CMOS ) интегральными схемами (ИС), контроллером прикладной интегральной схемы (ASIC) и цифровым сигнальным процессором (DSP). Емкостное считывание обычно используется для мобильных мультисенсорных дисплеев, популяризированных iPhone от Apple в 2007 году. ^{[3] [4]}

Дизайн

Емкостные датчики изготавливаются из множества различных сред, таких как медь, оксид индия и олова (ITO) и печатная краска. 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 экраны сенсорных телефонов). Размер и расстояние между емкостным датчиком очень важны для производительности датчика. Помимо размера датчика и его расстояния относительно заземляющей плоскости , очень важен тип используемой заземляющей плоскости. Поскольку паразитная емкость датчика связана с путем электрического поля (E-field) к земле, важно выбрать заземляющую плоскость, которая ограничивает концентрацию линий E-field при отсутствии проводящего объекта.

Проектирование емкостной сенсорной системы требует в первую очередь выбора типа 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 сенсорных систем:

1. взаимная емкость, ^[5] где объект (палец, проводящий стилус) 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 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 , что приводит к однородному электростатическому полю. ^[7] Когда проводник , например, человеческий палец, касается непокрытой поверхности, динамически формируется конденсатор . Из-за поверхностного сопротивления поверхности каждый угол измеряется, чтобы иметь различную эффективную емкость. Контроллер датчика может определить место прикосновения косвенно по изменению емкости , измеренной с четырех углов панели: чем больше изменение емкости, тем ближе прикосновение к этому углу. Без подвижных 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 элементы управления и интерактивные киоски . ^[8]

Проектируемая емкость

Схема проекционно-емкостного сенсорного экрана

Технология проекционного емкостного сенсора (PCT) — это емкостная технология, которая обеспечивает более точную и гибкую работу путем 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; сопоставимо с пиксельной сеткой, встречающейся 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 защитным стеклом от непогоды и вандализма. 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 можно использовать активный или пассивный стилус. Это распространено в устройствах POS , требующих захвата подписи. Пальцы в перчатках могут не распознаваться в зависимости от реализации и настроек усиления. Проводящие пятна и аналогичные помехи на поверхности панели могут мешать работе. Такие проводящие пятна в основном появляются из-за липких или потных кончиков пальцев, особенно в условиях высокой влажности. Скопившаяся пыль, которая прилипает к экрану из-за влаги с кончиков пальцев, также может быть проблемой.

Существует два типа ПЦТ: 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. Напряжение подается на строки или столбцы. 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, измерив напряжение на другой оси. Взаимная емкость позволяет выполнять многоточечное касание , при котором одновременно можно точно отслеживать несколько пальцев, ладоней или стилусов. ^[10]

Датчики собственной емкости могут иметь ту же сетку XY, что и датчики взаимной емкости, но столбцы и строки работают независимо. При использовании собственной емкости ток воспринимает емкостную нагрузку пальца на каждом столбце или строке. Это создает более сильный сигнал, чем датчик взаимной емкости, но он не может точно определить более одного пальца, что приводит к «призраку» или неправильному определению местоположения. ^[11]

Проектирование схем

Емкость обычно измеряется косвенно, используя ее для управления частотой генератора или для изменения уровня связи (или затухания) сигнала переменного тока. В основном этот метод работает путем зарядки неизвестной емкости известным током, поскольку перестраивая соотношение тока и напряжения для конденсатора ,

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

позволяет определить емкость по мгновенному току, деленному на скорость изменения напряжения на конденсаторе:

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

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

Типы

Реакция на шаг

Для простого примера вышеприведенного уравнения, если ток зарядки постоянен, а начальное напряжение равно 0 В, то емкость представляет собой просто значение этого постоянного тока, умноженное на продолжительность времени зарядки и деленное на конечное напряжение. ${\displaystyle V(t_{0})}$ ${\displaystyle (t_{1}-t_{0})}$ ${\displaystyle V(t_{1})\,.}$

Либо это время зарядки, либо это напряжение может быть предопределенной константой. Например, если измерение выполняется через постоянное время, то емкость можно определить, используя только конечное напряжение. В качестве альтернативы, если используется фиксированное пороговое напряжение, то вместо этого нужно измерить только продолжительность времени зарядки, чтобы достичь этого порогового напряжения.

Это измерение переходного процесса можно повторять непрерывно (например, используя прямоугольный сигнал ).

В качестве примера емкостной сенсорной ИС можно привести FDC1004 компании Texas Instruments, которая применяет шаговый сигнал частотой 25 кГц для зарядки электрода и по истечении определенного периода времени преобразует аналоговое напряжение, представляющее этот заряд, в цифровое значение емкости с помощью встроенного аналого- цифрового преобразователя (АЦП). ^[12]

Релаксационный осциллятор

Конструкция простого измерителя емкости часто основана на релаксационном генераторе . Измеряемая емкость образует часть RC-цепи или LC-цепи генератора . Емкость можно рассчитать, измерив время зарядки, необходимое для достижения порогового напряжения (релаксационного генератора), или, что эквивалентно, измерив частоту генератора. Оба эти параметра пропорциональны постоянной времени RC (или LC) генераторного контура.

Делитель напряжения

Другой метод измерения заключается в подаче сигнала переменного напряжения фиксированной частоты через емкостный делитель ( делитель напряжения , использующий конденсаторы вместо резисторов). Он состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов, один с известным значением, а другой с неизвестным значением. Затем выходной сигнал снимается с одного из конденсаторов. Значение неизвестного конденсатора можно найти из отношения емкостей, которое равно отношению амплитуд выходного/входного сигнала, что можно измерить с помощью вольтметра переменного тока.

Конфигурация моста

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

Передача заряда

Хотя это и не относится только к емкостному измерению, перенос заряда использует коммутируемую конденсаторную сеть для накопления заряда на интегрирующем конденсаторе в течение ряда дискретных шагов, чтобы получить точную сумму всех отдельных вкладчиков заряда. ^{[14] [15]}

Дельта-сигма

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

Ошибки

Основным источником погрешности при измерении емкости является паразитная емкость , которая, если от нее не защититься, может колебаться между примерно 10 пФ и 10 нФ. Паразитную емкость можно поддерживать относительно постоянной, экранируя сигнал емкости (с высоким импедансом) и затем подключая экран к заземлению (с низким импедансом). Кроме того, чтобы свести к минимуму нежелательные эффекты паразитной емкости, хорошей практикой является размещение чувствительной электроники как можно ближе к электродам датчика.

Сравнение с другими сенсорными технологиями

Емкостные сенсорные экраны более отзывчивы, чем резистивные сенсорные экраны (которые реагируют на любой объект, поскольку емкость не нужна), но менее точны. Однако проективная емкость повышает точность сенсорного экрана, поскольку она формирует триангулированную сетку вокруг точки касания. ^[18]

Стандартный стилус не может использоваться для емкостного считывания, но для этой цели существуют специальные емкостные стилусы, которые являются проводящими. Можно даже сделать емкостный стилус, обернув проводящий материал, такой как антистатическая проводящая пленка, вокруг стандартного стилуса или свернув пленку в трубку. ^[19] До недавнего времени емкостные сенсорные экраны были более дорогими в производстве, чем резистивные сенсорные экраны . ^{[ необходима цитата ]} Теперь уже нет (см. touchscreen#Construction ). Некоторые из них нельзя использовать в перчатках, и они могут некорректно считывать даже небольшое количество воды на экране.

Взаимные емкостные датчики могут обеспечить двухмерное изображение изменений в электрическом поле. С использованием этого изображения был предложен ряд приложений. Аутентификация пользователей, ^{[20] [21]} оценка ориентации пальцев, касающихся экрана ^{[22] [23]} и различение пальцев и ладоней ^[24] становятся возможными. Хотя емкостные датчики используются для сенсорных экранов большинства смартфонов, емкостное изображение обычно не выводится на уровень приложения.

Источники питания с высоким уровнем электронных помех могут снизить точность.

Перьевые вычисления

Емкостный стилус

Многие конструкции стилусов для резистивных сенсорных экранов не будут регистрироваться на емкостных датчиках, поскольку они не являются проводящими. Стилусы, которые работают на емкостных сенсорных экранах, в первую очередь предназначенных для пальцев, должны имитировать разницу в диэлектрике, предлагаемую человеческим пальцем. ^[25]

Смотрите также

• Список производителей сенсорных решений
• Терменвокс

Ссылки

1. Ларри К. Бакстер (1996). Емкостные датчики. John Wiley and Sons. стр. 138. ISBN 978-0-7803-5351-0.
2. Уилсон, Трейси (20 июня 2007 г.). "HowStuffWorks "Multi-touch Systems"" . Получено 9 августа 2009 г.
3. Кент, Джоэл (май 2010 г.). «Основы технологии сенсорного экрана и новая разработка». Конференция по новым технологиям КМОП . 6. Исследования новых технологий КМОП: 1–13. ISBN 9781927500057.
4. Ганапати, Прия (5 марта 2010 г.). «Finger Fail: Why Most Touchscreens Miss the Point» (Ошибка пальца: почему большинство сенсорных экранов не попадают в точку). Wired . Архивировано из оригинала 2014-05-11 . Получено 9 ноября 2019 г.
5. Патент США № 5 305 017 5 861 875.
6. например, патент США № 4,736,191
7. "Работа и оптимизация емкостного датчика". Lionprecision.com. Архивировано из оригинала 2015-12-02 . Получено 2012-06-15 .
8. "Please Touch! Explore The Evolving World Of Touchscreen Technology". electronicdesign.com. Архивировано из оригинала 2009-01-08 . Получено 2020-01-01 .
9. "Емкостный сенсор (Технологии сенсорного ввода — Часть 2)". TouchAdvance.com. Архивировано из оригинала 11 марта 2012 года . Получено 2011-11-20 .
10. Вагнер, Армин; Кайндл, Георг (2016). «WireTouch: открытый многосенсорный трекер на основе взаимного емкостного зондирования». Zenodo. doi : 10.5281/zenodo.61461 . S2CID  63513043. Получено 23.05.2020 .
11. Объяснение емкостных сенсорных экранов (Sony Xperia Sola )
12. Ван, Дэвид (2021) [2014]. "FDC1004: Основы емкостного зондирования и его применения" (PDF) . Texas Instruments . стр. 4. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-01-27 . Получено 2023-05-09 .
13. "Основные методы измерения импеданса". Newton.ex.ac.uk . Получено 2012-06-15 .
14. Seguine, Ryan (2007). "Semiconductor & System Solutions - Infineon Technologies". Infineon Technologies . Архивировано (PDF) из оригинала 2023-10-05 . Получено 2023-10-05 .
15. "Технология — документация CapTIvate Technology Guide 1.83.00.08". software-dl.ti.com . 2020. Архивировано из оригинала 2023-10-05 . Получено 2023-10-05 .
16. Brychta, Michal (2005-04-28). "Измерение емкостных датчиков с помощью сигма-дельта-модулятора". Electronic Design . Получено 2023-10-06 .
17. O'Dowd, J. (2005). "Capacitive Sensor Interfaceing Using Sigma-Delta Techniques". IEEE Sensors, 2005. IEEE Sensors, 4-я ежегодная конференция. 30 октября 2005 г. – 3 ноября 2005 г. Ирвайн, Калифорния. стр. 951. doi :10.1109/ICSENS.2005.1597858. ISBN 0-7803-9056-3. S2CID  9733039.
18. "Технический обзор емкостного зондирования по сравнению с другими технологиями, связанными с сенсорным экраном". Glider Gloves . Получено 13 декабря 2015 г.
19. "Как сделать бесплатный емкостный стилус". Pocketnow. 2010-02-24 . Получено 2012-06-15 .
20. Хольц, Кристиан; Бутпития, Сенака; Кнауст, Мариус (2015). "Bodyprint: биометрическая идентификация пользователя на мобильных устройствах с использованием емкостного сенсорного экрана для сканирования частей тела" (PDF) . Труды конференции по человеческому фактору в вычислительных системах . doi :10.1145/2702123.2702518 . Получено 26 марта 2018 г. .
21. Го, Аньхун; Сяо, Роберт; Харрисон, Крис (2015). «CapAuth: Идентификация и дифференциация отпечатков рук пользователя на емкостных сенсорных экранах общего назначения» (PDF) . Труды Международной конференции по интерактивным столам и поверхностям . doi :10.1145/2817721.2817722 . Получено 26 марта 2018 г. .
22. Сяо, Роберт; Шварц, Джулия; Харрисон, Крис (2015). «Оценка угла наклона трехмерного пальца на обычных сенсорных экранах» (PDF) . Труды Международной конференции по интерактивным столам и поверхностям . doi :10.1145/2817721.2817737 . Получено 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) . Труды Международной конференции по интерактивным столам и поверхностям . doi :10.1145/3132272.3134130 . Получено 26 марта 2018 г. .
24. Le, Huy Viet; Kosch, Thomas; Bader, Patrick; Mayer, Sven; Niels, Henze (2017). "PalmTouch: использование ладони в качестве дополнительного средства ввода на обычных смартфонах" (PDF) . Труды конференции по человеческому фактору в вычислительных системах . doi :10.1145/3173574.3173934. Архивировано из оригинала (PDF) 31 августа 2018 г. . Получено 26 марта 2018 г. .
25. JD Biersdorfer (2009-08-19). "Вопросы и ответы: может ли стилус работать на iPhone?". Gadgetwise.blogs.nytimes.com . Получено 2012-06-15 .

Внешние ссылки

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