Емкостное зондирование - Capacitive sensing

В электротехника, емкостное зондирование (иногда измерение емкости) - это технология, основанная на емкостная связь, который может обнаруживать и измерять все, что является проводящим или имеет диэлектрик отличается от воздуха. Многие виды датчики использовать емкостное зондирование, включая датчики для обнаружения и измерения близости, давление, положение и смещение, сила, влажность, уровень жидкости, и ускорение. Устройства интерфейса пользователя на основе емкостного зондирования, например трекпады,[1] может заменить компьютерная мышь. Цифровые аудиоплееры, мобильные телефоны, и планшетные компьютеры использовать емкостное зондирование сенсорные экраны как устройства ввода.[2] Емкостные датчики также могут заменить механические кнопки.

Емкостный сенсорный экран обычно состоит из емкостного сенсорного экрана. датчик вместе как минимум с двумя дополнительными металл-оксид-полупроводник (CMOS ) Интегральная схема (IC) чипы, специализированная интегральная схема (ASIC) контроллер и цифровой сигнальный процессор (DSP). Емкостное зондирование обычно используется для мобильных мультитач дисплеи, популяризированные яблоко с iPhone в 2007.[3][4]

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 в стандартной комплектации. FR4 Печатные платы, 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 емкостными датчиками очень важны для рабочих характеристик датчика. В дополнение к размеру сенсора и его расстоянию относительно плоскость земли, тип используемой заземляющей пластины очень важен. Поскольку паразитная емкость датчика относится к электрическое поле На пути к земле (электронного поля) важно выбрать заземляющий слой, который ограничивает концентрацию силовых линий электронного поля при отсутствии 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, полная Рабочая Температура диапазон, какие радиочастоты присутствуют и как пользователь будет взаимодействовать с интерфейсом.

Есть два типа емкостных датчиков: взаимная емкость,[5] где объект (палец, токопроводящий стилус) изменяет взаимную связь между электродами строки и столбца, которые сканируются последовательно;[6] 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. Маленький Напряжение на этот слой наносится однородное электростатическое поле.[7] Когда дирижер, например, человеческий палец касается поверхности без покрытия, конденсатор динамически формируется. Из-за листового сопротивления поверхности каждый угол измеряется, чтобы иметь различную эффективную емкость. Датчик контролер может определить местоположение касания косвенно по изменению емкость при измерении от четырех углов панели: чем больше изменение емкости, тем ближе касание к этому углу. Без движущихся частей, он умеренно прочен, но имеет низкое разрешение, подвержен ложным сигналам от паразитных емкостная связь, и потребности калибровка во время изготовления. Поэтому он чаще всего используется в простых приложениях, таких как промышленные системы управления и интерактивные киоски.[8]

Расчетная емкость

Схема проекционно-емкостного тачскрина

Технология проецируемого емкостного касания (PCT) - это емкостная технология, которая обеспечивает более точную и гибкую работу за счет травление проводящий слой. An X-Y сетка формируется либо путем травления одного слоя, чтобы сформировать сетку из электроды или путем травления двух отдельных параллельных слоев проводящего материала с перпендикулярными линиями или дорожками для образования сетки; сопоставимо с пиксель сетка найдена во многих жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплей).[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 погодоустойчивым 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 с торговая точка устройства, требующие захвата подписи. Пальцы в перчатках могут не распознаваться, в зависимости от реализации и настроек усиления. Токопроводящие пятна и подобные помехи на поверхности панели могут повлиять на работу. 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.

Взаимная емкостная датчики имеют конденсатор на каждом пересечении каждой строки и каждого столбца. Например, массив 12 на 16 будет иметь 192 независимых конденсатора. А Напряжение применяется к строкам или столбцам. Поднесение пальца или токопроводящего иглы к поверхности датчика изменяет локальное электрическое поле, что снижает взаимную емкость. Изменение емкости в каждой отдельной точке сети можно измерить, чтобы точно определить место касания путем измерения напряжения на другой оси. Взаимная емкость позволяет мультитач операция, при которой можно точно отслеживать одновременно несколько пальцев, ладоней или щупов.[10]

Собственная емкость датчики могут иметь ту же сетку X-Y, 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.[11]

Схемотехника

Емкость обычно измеряется косвенно, используя ее для управления частотой генератора или для изменения уровня связь (или ослабление) сигнала переменного тока.

Конструкция простого измерителя емкости часто основана на релаксационный осциллятор. Измеряемая емкость составляет часть емкости генератора. RC схема или LC-цепь. В основном метод работает путем зарядки неизвестной емкости известным током. (Уравнение состояния конденсатора: i = C dv / dt. Это означает, что емкость равна току, деленному на скорость изменения напряжения на конденсаторе.) Емкость можно рассчитать путем измерения времени зарядки, необходимого для достижения пороговое напряжение (релаксационного генератора) или, что то же самое, путем измерения частоты генератора. Оба они пропорциональны RC (или LC). постоянная времени схемы генератора.

Основным источником ошибок при измерениях емкости является паразитная емкость, которая, если ее не защищать, может колебаться между примерно 10 пФ и 10 нФ. Паразитная емкость может поддерживаться относительно постоянной, экранируя сигнал емкости (с высоким импедансом), а затем подключая экран к заземлению (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 определено 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, аналогичную Мост Уитстона.[12] 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, так как не требуется емкость), но менее точны. Однако проективная емкость повышает точность сенсорного экрана, поскольку он формирует триангулированную сетку вокруг точки касания.[13]

Стандарт стилус 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.[14] Емкостные сенсорные экраны дороже в производстве, чем резистивные сенсорные экраны.[нужна цитата ] Некоторые из них нельзя использовать в перчатках, и они могут неправильно воспринимать даже при небольшом количестве воды на экране.

Взаимные емкостные датчики могут обеспечить двумерное изображение изменений электрического поля. Используя это изображение, был предложен ряд приложений. Аутентификация пользователей,[15][16] оценка ориентации касания пальцами экрана[17][18] и различать пальцы и ладони[19] стало возможным. В то время как емкостные датчики используются для сенсорных экранов большинства смартфонов, емкостное изображение обычно не отображается на уровне приложений.

Блоки питания с высоким уровнем электроники шум может снизить точность.

Ручные вычисления

Основная статья: Ручные вычисления
Емкостный стилус

Много стилус конструкции резистивных сенсорных экранов не будут регистрироваться на емкостных датчиках, поскольку они не проводят ток. Стилусы, которые работают с емкостными сенсорными экранами, предназначенными в первую очередь для пальцев, должны имитировать разницу в диэлектрической проницаемости человеческого пальца.[20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ларри К. Бакстер (1996). Емкостные датчики. Джон Уайли и сыновья. п. 138. ISBN  978-0-7803-5351-0.
  2. ^ Уилсон, Трейси. Мультитач системы "HowStuffWorks""". Получено 9 августа, 2009.
  3. ^ Кент, Джоэл (май 2010 г.). «Основы сенсорных технологий и новая разработка». Конференция CMOS Emerging Technologies. CMOS Emerging Technologies Research. 6: 1–13.
  4. ^ Ганапати, Прия (5 марта 2010 г.). «Finger Fail: Почему большинство сенсорных экранов упускают из виду». Проводной. В архиве из оригинала на 2014-05-11. Получено 9 ноября 2019.
  5. ^ Патент США № 5,305,017 5,861,875
  6. ^ например Патент США № 4,736,191
  7. ^ цитировать в Интернете | url = http://www.lionprecision.com/tech-library/technotes/cap-0020-sensor-theory.html | title = Работа и оптимизация емкостного датчика | издатель = Lionprecision.com | дата = | accessdate = 2012-06-15}}
  8. ^ «Пожалуйста, прикоснитесь! Исследуйте развивающийся мир сенсорных технологий». electronicdesign.com. Архивировано из оригинал на 2009-01-08. Получено 2020-01-01.
  9. ^ «Емкостное прикосновение (сенсорные технологии - Часть 2)». TouchAdvance.com. Получено 2011-11-20.
  10. ^ Вагнер, Армин; Каиндл, Георг (2016). «WireTouch: открытый мультитач-трекер, основанный на взаимном измерении емкости». Дои:10.5281 / zenodo.61461. Получено 2020-05-23. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  11. ^ Объяснение емкостных сенсорных экранов (Sony Xperia Sola )
  12. ^ «Основные методы измерения импеданса». Newton.ex.ac.uk. Получено 2012-06-15.
  13. ^ «Технический обзор емкостного считывания и других технологий, связанных с сенсорным экраном». Планерные перчатки. Получено 13 декабря 2015.
  14. ^ «Как сделать свободный емкостный стилус». Pocketnow. 2010-02-24. Получено 2012-06-15.
  15. ^ Хольц, Кристиан; Бутхпития, Сенака; Кнауст, Мариус (2015). «Отпечаток тела: биометрическая идентификация пользователя на мобильных устройствах с использованием емкостного сенсорного экрана для сканирования частей тела» (PDF). Труды конференции по человеческому фактору в вычислительных системах. Дои:10.1145/2702123.2702518. Получено 26 марта 2018.
  16. ^ Го, Аньхун; Сяо, Роберт; Харрисон, Крис (2015). «CapAuth: идентификация и различение отпечатков рук пользователя на емкостных сенсорных экранах товаров» (PDF). Труды Международной конференции по интерактивным столешницам и поверхностям. Дои:10.1145/2817721.2817722. Получено 26 марта 2018.
  17. ^ Сяо, Роберт; Шварц, Юлия; Харрисон, Крис (2015). «Оценка угла пальца в 3D на товарных сенсорных экранах» (PDF). Труды Международной конференции по интерактивным столешницам и поверхностям. Дои:10.1145/2817721.2817737. Получено 26 марта 2018.
  18. ^ Майер, Свен; Ле, Хай Вьет; Хенце, Нильс (2017). «Оценка ориентации пальцев на емкостных сенсорных экранах с помощью сверточных нейронных сетей» (PDF). Труды Международной конференции по интерактивным столешницам и поверхностям. Дои:10.1145/3132272.3134130. Получено 26 марта 2018.
  19. ^ Ле, Хай Вьет; Кош, Томас; Бадер, Патрик; Майер, Свен; Нильс, Хенце (2017). «PalmTouch: использование Palm в качестве дополнительного средства ввода на обычных смартфонах» (PDF). Труды конференции по человеческому фактору в вычислительных системах. Дои:10.1145/3173574.3173934. Получено 26 марта 2018.
  20. ^ Дж. Д. Бирсдорфер (19 августа 2009 г.). «Q&A: Может ли стилус работать на iPhone?». Gadgetwise.blogs.nytimes.com. Получено 2012-06-15.

внешняя ссылка