Kapasitiivinen tunnistus - Capacitive sensing

In sähkötekniikassa , kapasitiivinen anturi (joskus kapasitanssi tunnistus ) on tekniikka, joka perustuu kapasitiivinen kytkentä , joka voidaan havaita ja mitata mitään, joka on johtava, tai jolla on dielektrinen eri ilmasta. Monentyyppiset anturit käyttävät kapasitiivista tunnistusta, mukaan lukien anturit läheisyyden, paineen, asennon ja siirtymän , voiman , kosteuden , nesteen tason ja kiihtyvyyden havaitsemiseksi ja mittaamiseksi . Kapasitiiviseen tunnistukseen perustuvat ihmisen liitäntälaitteet , kuten kosketuslevyt , voivat korvata tietokoneen hiiren . Digitaaliset äänisoittimet , matkapuhelimet ja tablet -tietokoneet käyttävät kapasitiivista kosketusnäyttöä syöttölaitteina. Kapasitiiviset anturit voivat myös korvata mekaaniset painikkeet.

Kapasitiivinen kosketusnäyttö koostuu tyypillisesti kapasitiivinen kosketusnäyttö anturi yhdessä ainakin kaksi toisiaan täydentävää metalli-oksidi-puolijohde ( CMOS ) integroitu piiri (IC) piirejä, sovelletaan ASIC (ASIC) ohjaimen ja digitaalisen signaaliprosessorin (DSP). Kapasitiivinen anturi on yleisesti käytetty mobiili multi-touch- näytöt, suosituksi Apple n iPhone vuonna 2007.

Design

Kapasitiiviset anturit on valmistettu monista eri materiaaleista, kuten kuparista, indiumtinaoksidista (ITO) ja painoväristä. Kuparikapasitiivisia antureita voidaan käyttää tavallisissa FR4 -piirilevyissä sekä taipuisassa materiaalissa. ITO sallii kapasitiivisen anturin olla jopa 90% läpinäkyvä (yksikerroksisille ratkaisuille, kuten kosketusnäytöille). Kapasitiivisen anturin koko ja etäisyys ovat molemmat erittäin tärkeitä anturin suorituskyvylle. Anturin koon ja sen etäisyyden suhteessa maatasoon lisäksi käytettävä maataso on erittäin tärkeä. Koska anturin loiskapasitanssi liittyy sähkökentän (e-kentän) polkuun maahan, on tärkeää valita maataso, joka rajoittaa sähkökenttäjohtojen pitoisuutta ilman johtavaa kohdetta.

Kapasitanssianturijärjestelmän suunnittelussa on ensin valittava tunnistemateriaalin tyyppi (FR4, Flex, ITO jne.). On myös ymmärrettävä ympäristö, jossa laite toimii, kuten koko käyttölämpötila -alue, mitä radiotaajuuksia on läsnä ja miten käyttäjä on vuorovaikutuksessa käyttöliittymän kanssa.

Kapasitiivista anturijärjestelmää on kahta tyyppiä: keskinäinen kapasitanssi, jossa esine (sormi, johtava kynä) muuttaa rivi- ja sarakeelektrodien keskinäistä kytkentää, jotka skannataan peräkkäin; ja itse- tai absoluuttinen kapasitanssi, jossa esine (kuten sormi) lataa anturin tai lisää loiskapasitanssia maahan. Molemmissa tapauksissa edellisen absoluuttisen sijainnin ero nykyisestä absoluuttisesta sijainnista tuottaa kohteen tai sormen suhteellisen liikkeen tuona aikana. Tekniikat on kuvattu seuraavassa osassa.

Pinnan kapasitanssi

Tässä perustekniikassa vain eristäjän toinen puoli on päällystetty johtavalla materiaalilla. Tähän kerrokseen syötetään pieni jännite , mikä johtaa tasaiseen sähköstaattiseen kenttään. Kun johdin , kuten ihmisen sormi, koskettaa päällystämätöntä pintaa, kondensaattori muodostuu dynaamisesti. Pinnan arkkiresistanssin vuoksi jokaisella kulmalla mitataan eri tehollinen kapasitanssi. Anturin ohjain voi määrittää kosketuksen sijainnin epäsuorasti paneelin neljästä kulmasta mitatun kapasitanssin muutoksen perusteella : mitä suurempi kapasitanssin muutos, sitä lähempänä kosketus on kyseistä kulmaa. Ilman liikkuvia osia se on kohtalaisen kestävä, mutta sen resoluutio on alhainen, se on altis vääriä signaaleja loiskapasitiivisesta kytkennästä ja tarvitsee kalibroinnin valmistuksen aikana. Siksi sitä käytetään useimmiten yksinkertaisissa sovelluksissa, kuten teollisissa säätimissä ja interaktiivisissa kioskeissa .

Ennakoitu kapasitanssi

Kaavio projisoidusta kapasitiivisesta kosketusnäytöstä

Projisoitu kapasitiivinen kosketustekniikka (PCT) on kapasitiivinen tekniikka, joka mahdollistaa tarkemman ja joustavamman toiminnan syövyttämällä johtavaa kerrosta. XY verkkoon on muodostettu joko syövyttämällä yksi kerros ristikon muodostamiseksi kuvion elektrodien , tai syövyttämällä kaksi erillistä yhdensuuntaista kerrosta johtavaa materiaalia, jossa on kohtisuorassa viivoja tai raitoja muodostamiseksi verkkoon; verrattavissa monien nestekidenäyttöjen (LCD) pikseliruudukkoon .

PCT: n suurempi resoluutio mahdollistaa käytön ilman suoraa kosketusta, jolloin johtavat kerrokset voidaan päällystää muilla suojaavilla eristävillä kerroksilla ja toimia jopa näytönsuojien alla tai sää- ja ilkivaltalasin takana. Koska PCT: n yläkerros on lasia, PCT on kestävämpi ratkaisu verrattuna resistiiviseen kosketustekniikkaan. Toteutuksesta riippuen aktiivista tai passiivista kynää voidaan käyttää sormen sijasta tai sen lisäksi. Tämä on yleistä allekirjoituskaappausta vaativissa myyntipistelaitteissa . Toteutuksesta ja vahvistusasetuksista riippuen käsineitä ei ehkä havaita. Johtavat tahrat ja vastaavat häiriöt paneelin pinnalla voivat häiritä suorituskykyä. Tällaisia ​​johtavia tahroja tulee enimmäkseen tahmeista tai hikisistä sormenpäistä, etenkin kosteissa ympäristöissä. Myös pöly, joka tarttuu näyttöön sormenpäistä saadun kosteuden vuoksi, voi olla ongelma.

PCT: tä on kahta tyyppiä: itsekapasitanssi ja keskinäinen kapasitanssi.

Keskinäisissä kapasitiivisissa antureissa on kondensaattori jokaisen rivin ja jokaisen sarakkeen jokaisessa leikkauspisteessä. Esimerkiksi 12 x 16 -ryhmässä olisi 192 itsenäistä kondensaattoria. Jännite kohdistetaan rivejä tai sarakkeita. Sormen tai johtavan kynän tuominen lähelle anturin pintaa muuttaa paikallista sähkökenttää, mikä vähentää keskinäistä kapasitanssia. Kapasitanssin muutos ruudukon jokaisessa yksittäisessä kohdassa voidaan mitata kosketuskohdan määrittämiseksi tarkasti mittaamalla jännite toisella akselilla. Keskinäinen kapasitanssi mahdollistaa monikosketustoiminnon, jossa useita sormia, kämmeniä tai neuloja voidaan seurata tarkasti samanaikaisesti.

Itsekapasitanssianturilla voi olla sama XY-ruudukko kuin keskinäisellä kapasitanssianturilla, mutta sarakkeet ja rivit toimivat itsenäisesti. Itsekapasitanssilla virta tunnistaa sormen kapasitiivisen kuormituksen jokaisessa sarakkeessa tai rivillä. Tämä tuottaa vahvemman signaalin kuin keskinäinen kapasitanssianturi, mutta se ei pysty ratkaisemaan tarkasti useampaa kuin yhtä sormea, mikä johtaa "haamukuviin" tai väärään sijaintiin.

Piirin suunnittelu

Kapasitanssi mitataan tyypillisesti epäsuorasti, käyttämällä sitä oskillaattorin taajuuden säätämiseen tai AC -signaalin kytkennän (tai vaimennuksen) tason muuttamiseen .

Yksinkertaisen kapasitanssimittarin suunnittelu perustuu usein rentoutusoskillaattoriin . Tunnistettava kapasitanssi muodostaa osan oskillaattorin RC- tai LC -piiristä . Pohjimmiltaan tekniikka toimii lataamalla tuntematon kapasitanssi tunnetulla virralla. (Kondensaattorin tilayhtälö on i = C dv/dt. Tämä tarkoittaa, että kapasitanssi on yhtä suuri kuin virta jaettuna jännitteen muutosnopeudella kondensaattorin poikki.) Kapasitanssi voidaan laskea mittaamalla tarvittava latausaika. (rentoutusoskillaattorin) kynnysjännite tai vastaavasti mittaamalla oskillaattorin taajuus. Molemmat ovat verrannollisia oskillaattoripiirin RC (tai LC) aikavakioon .

Ensisijainen virhelähde kapasitanssimittauksissa on hajakapasitanssi, joka, jos sitä ei suojata, voi vaihdella noin 10 pF ja 10 nF välillä. Hajakapasitanssi voidaan pitää suhteellisen vakiona suojaamalla (suuren impedanssin) kapasitanssisignaali ja kytkemällä sitten suoja (matalan impedanssin) maaviitteeseen. Myös hajakapasitanssin ei -toivottujen vaikutusten minimoimiseksi on hyvä sijoittaa anturielektroniikka mahdollisimman lähelle anturielektrodeja.

Toinen mittaustekniikka on käyttää kiinteän taajuuden AC-jännitesignaalia kapasitiivisen jakajan yli. Tämä koostuu kahdesta sarjaan sijoitetusta kondensaattorista, joista toinen on tunnettu ja toinen tuntematon. Sitten lähtösignaali otetaan yhden kondensaattorin poikki. Tuntemattoman kondensaattorin arvo voidaan löytää kapasitanssisuhteesta, joka vastaa lähtö-/tulosignaalin amplitudien suhdetta, kuten voitaisiin mitata AC -volttimittarilla. Tarkemmat instrumentit voivat käyttää kapasitanssisillan kokoonpanoa, kuten Wheatstonen silta . Kapasitanssisilta auttaa kompensoimaan käytetyn signaalin mahdollisia vaihteluita.

Vertailu muihin kosketusnäyttötekniikoihin

Kapasitiiviset kosketusnäytöt reagoivat paremmin kuin resistiiviset kosketusnäytöt (jotka reagoivat mihin tahansa kohteeseen, koska kapasitanssia ei tarvita), mutta vähemmän tarkkoja. Projektiivinen kapasitanssi parantaa kuitenkin kosketusnäytön tarkkuutta, koska se muodostaa kolmionmuotoisen ruudukon kosketuskohdan ympärille.

Vakio -kynää ei voi käyttää kapasitiiviseen tunnistamiseen, mutta tähän tarkoitukseen on olemassa erityisiä kapasitiivisia kynät, jotka ovat johtavia. Voi jopa tehdä kapasitiivisen kynän käärimällä johtavaa materiaalia, kuten antistaattista johtavaa kalvoa, vakiokynän ympärille tai rullaamalla kalvon putkeen. Kapasitiiviset kosketusnäytöt ovat kalliimpia valmistaa kuin resistiiviset kosketusnäytöt . Joitakin ei voi käyttää käsineiden kanssa, ja ne eivät välttämättä tunnista oikein edes pienellä määrällä vettä näytöllä.

Keskinäiset kapasitiiviset anturit voivat tarjota kaksiulotteisen kuvan sähkökentän muutoksista. Tämän kuvan avulla on ehdotettu erilaisia ​​sovelluksia. Käyttäjien todentaminen, näyttöä koskettavien sormien suunnan arvioiminen ja sormien ja kämmenten erottaminen on mahdollista. Vaikka kapasitiivisia antureita käytetään useimpien älypuhelimien kosketusnäytöissä, kapasitiivinen kuva ei yleensä altistu sovelluskerrokselle.

Virtalähteet, joissa on korkea elektroninen melu, voivat heikentää tarkkuutta.

Kynälaskenta

Kapasitiivinen kynä

Monet kynämallit resistiivisille kosketusnäytöille eivät rekisteröidy kapasitiivisiin antureihin, koska ne eivät ole johtavia. Kynät, jotka toimivat kapasitiivisilla kosketusnäytöillä, jotka on suunniteltu ensisijaisesti sormille, vaaditaan simuloimaan ihmisen sormen tarjoaman eristyksen eroa.

Katso myös

Viitteet

Ulkoiset linkit