Kapasitiv sansing - Capacitive sensing
I elektroteknikk er kapasitiv sensing (noen ganger kapasitansføling ) en teknologi, basert på kapasitiv kobling , som kan detektere og måle alt som er ledende eller har et dielektrikum som er forskjellig fra luft. Mange typer sensorer bruker kapasitiv sensing, inkludert sensorer for å oppdage og måle nærhet, trykk, posisjon og forskyvning , kraft , fuktighet , væskenivå og akselerasjon . Menneskelige grensesnittenheter basert på kapasitiv sansing, for eksempel styreputene , kan erstatte datamusen . Digitale lydspillere , mobiltelefoner og nettbrett bruker kapasitive sensing berøringsskjermer som inndataenheter. Kapasitive sensorer kan også erstatte mekaniske knapper.
En kapasitiv berøringsskjerm består vanligvis av en kapasitiv berøringssensor sammen med i det minste to komplementære metall-oksyd-halvleder ( CMOS ) integrert krets (IC-brikker), en applikasjonsspesifikk integrert krets (ASIC) regulator og en digital signalprosessor (DSP). Kapasitiv sensing er ofte brukt for mobile multi-touch- skjermer, popularisert av Apple er iPhone i 2007.
Design
Kapasitive sensorer er konstruert av mange forskjellige medier, for eksempel kobber, indiumtinnoksid (ITO) og trykt blekk. Kobberkapasitive sensorer kan implementeres på standard FR4 -kretskort samt fleksibelt materiale. ITO gjør at den kapasitive sensoren kan være opptil 90% gjennomsiktig (for ettlagsløsninger, for eksempel berøringstelefonskjermer). Størrelse og avstand på den kapasitive sensoren er begge svært viktige for sensorens ytelse. I tillegg til sensorens størrelse og avstanden i forhold til bakken , er typen jordplan som brukes veldig viktig. Siden sensorens parasittkapasitans er relatert til det elektriske feltets (e-felt) vei til bakken, er det viktig å velge et jordplan som begrenser konsentrasjonen av e-feltlinjer uten ledende objekt.
For å designe et kapasitansavkjenningssystem må du først velge hvilken type sensormateriale (FR4, Flex, ITO, etc.). Man må også forstå miljøet enheten vil operere i, for eksempel hele driftstemperaturområdet , hvilke radiofrekvenser som er tilstede og hvordan brukeren vil samhandle med grensesnittet.
Det er to typer kapasitivt sensingsystem: gjensidig kapasitans, der objektet (finger, ledende pekepinn) endrer gjensidig kobling mellom rad- og kolonnelektroder, som skannes sekvensielt; og selv- eller absolutt kapasitans der objektet (for eksempel en finger) laster sensoren eller øker parasittkapasitansen til bakken. I begge tilfeller gir forskjellen mellom en foregående absolutt posisjon og den nåværende absolutte posisjonen den relative bevegelsen til objektet eller fingeren i løpet av denne tiden. Teknologiene er utdypet i den følgende delen.
Overflate kapasitans
I denne grunnleggende teknologien er bare den ene siden av isolatoren belagt med ledende materiale. En liten spenning påføres dette laget, noe som resulterer i et jevnt elektrostatisk felt. Når en leder , for eksempel en menneskelig finger, berører den ubelagte overflaten, dannes en kondensator dynamisk. På grunn av overflatemotstanden på overflaten måles hvert hjørne for å ha en annen effektiv kapasitans. Sensorens kontroller kan bestemme posisjonen for berøringen indirekte fra endringen i kapasitansen målt fra panelets fire hjørner: jo større endring i kapasitans, jo nærmere berøring er det hjørnet. Uten bevegelige deler er den moderat holdbar, men har lav oppløsning, er utsatt for falske signaler fra parasittisk kapasitiv kobling , og trenger kalibrering under produksjon. Derfor er det oftest brukt i enkle applikasjoner som industrielle kontroller og interaktive kiosker .
Beregnet kapasitans
Projisert kapasitiv berøring (PCT) -teknologi er en kapasitiv teknologi som muliggjør mer nøyaktig og fleksibel drift ved å etse det ledende laget. Et XY -rutenett dannes enten ved å etse ett lag for å danne et rutenettmønster av elektroder , eller ved å etse to separate, parallelle lag med ledende materiale med vinkelrette linjer eller spor for å danne rutenettet; kan sammenlignes med pikselrutenettet som finnes i mange LCD -skjermer .
Den større oppløsningen til PCT tillater drift uten direkte kontakt, slik at de ledende lagene kan belegges med ytterligere beskyttende isolerende lag, og fungerer selv under skjermbeskyttere, eller bak vær og vandalfast glass. Fordi det øverste laget av en PCT er glass, er PCT en mer robust løsning kontra resistiv berøringsteknologi. Avhengig av implementeringen kan en aktiv eller passiv penn brukes i stedet for eller i tillegg til en finger. Dette er vanlig med salgssteder som krever signaturfangst. Det er ikke sikkert at hansker fingre blir registrert, avhengig av implementering og gevinstinnstillinger. Ledende flekker og lignende forstyrrelser på paneloverflaten kan forstyrre ytelsen. Slike ledende flekker kommer hovedsakelig fra klissete eller svette fingertuppene, spesielt i miljøer med høy luftfuktighet. Samlet støv, som fester seg til skjermen på grunn av fuktighet fra fingertuppene, kan også være et problem.
Det er to typer PCT: selvkapasitans og gjensidig kapasitans.
Gjensidige kapasitive sensorer har en kondensator i hvert kryss i hver rad og hver kolonne. En 12-til-16-serie, for eksempel, ville ha 192 uavhengige kondensatorer. En spenning påføres radene eller kolonnene. Å bringe en finger eller ledende pekepenn nær overflaten av sensoren endrer det lokale elektriske feltet som reduserer gjensidig kapasitans. Kapasitansendringen ved hvert enkelt punkt på nettet kan måles for å bestemme berøringsstedet nøyaktig ved å måle spenningen i den andre aksen. Gjensidig kapasitans tillater multi-touch- drift der flere fingre, håndflater eller styli kan spores nøyaktig samtidig.
Selvkapasitanssensorer kan ha samme XY-rutenett som gjensidige kapasitanssensorer, men kolonnene og radene fungerer uavhengig. Med egenkapasitans registrerer strøm den kapasitive belastningen til en finger på hver kolonne eller rad. Dette gir et sterkere signal enn gjensidig kapasitansføling, men det er ikke i stand til å løse nøyaktig mer enn en finger, noe som resulterer i "spøkelse" eller feilplassert lokaliseringsføling.
Kretsdesign
Kapasitans måles vanligvis indirekte ved å bruke den til å kontrollere frekvensen til en oscillator, eller for å variere koblingsnivået (eller dempningen) av et AC -signal.
Utformingen av en enkel kapasitansmåler er ofte basert på en avslapningsoscillator . Kapasitansen som skal registreres danner en del av oscillatorens RC -krets eller LC -krets . I utgangspunktet fungerer teknikken ved å lade den ukjente kapasitansen med en kjent strøm. (Tilstandsligningen for en kondensator er i = C dv/dt. Dette betyr at kapasitansen er lik strømmen dividert med hastigheten for endring av spenning over kondensatoren.) Kapasitansen kan beregnes ved å måle ladetiden som kreves for å nå terskelspenningen (til avslapningsoscillatoren), eller tilsvarende, ved å måle oscillatorens frekvens. Begge disse er proporsjonale med RC (eller LC) tidskonstanten til oscillatorkretsen.
Den primære feilkilden i kapasitansmålinger er avvikende kapasitans, som hvis den ikke er beskyttet mot, kan svinge mellom omtrent 10 pF og 10 nF. Den herreløse kapasitansen kan holdes relativt konstant ved å skjerme (høy impedans) kapasitanssignal og deretter koble skjermen til (en lav impedans) jordreferanse. For å minimere de uønskede effektene av avvikende kapasitans er det god praksis å lokalisere sanseelektronikken så nær sensorelektrodene som mulig.
En annen måleteknikk er å bruke et fastfrekvent AC-spenningssignal over en kapasitiv divider. Denne består av to kondensatorer i serie, den ene med en kjent verdi og den andre med en ukjent verdi. Et utgangssignal tas deretter fra tvers av en av kondensatorene. Verdien av den ukjente kondensatoren kan bli funnet fra forholdet mellom kapasitanser, som tilsvarer forholdet mellom utgangs-/inngangssignalamplituden, som kan måles med et AC -voltmeter. Mer nøyaktige instrumenter kan bruke en kapasitansbrokonfigurasjon, som ligner en Wheatstone -bro . Kapasitansbroen bidrar til å kompensere for enhver variasjon som kan eksistere i det påførte signalet.
Sammenligning med andre berøringsskjermteknologier
Kapasitive berøringsskjermer er mer responsive enn resistive berøringsskjermer (som reagerer på ethvert objekt siden ingen kapasitans er nødvendig), men mindre nøyaktige. Projektiv kapasitans forbedrer imidlertid berøringsskjermens nøyaktighet ettersom den danner et triangulert rutenett rundt berøringspunktet.
En standard pekepenn kan ikke brukes til kapasitiv sansing, men spesiell kapasitiv penn, som er ledende, eksisterer for formålet. Man kan til og med lage en kapasitiv penn ved å pakke ledende materiale, for eksempel antistatisk ledende film, rundt en standard penn eller rulle filmen inn i et rør. Kapasitive berøringsskjermer er dyrere å produsere enn resistive berøringsskjermer . Noen kan ikke brukes med hansker, og kan ikke føle det riktig med en liten mengde vann på skjermen.
Gjensidige kapasitive sensorer kan gi et todimensjonalt bilde av endringene i det elektriske feltet. Ved hjelp av dette bildet har en rekke applikasjoner blitt foreslått. Autentisering av brukere, estimering av fingerenes orientering ved berøring av skjermen og differensiering mellom fingre og håndflater blir mulig. Mens kapasitive sensorer brukes til berøringsskjermene til de fleste smarttelefoner, blir det kapasitive bildet vanligvis ikke utsatt for applikasjonslaget.
Strømforsyninger med høyt elektronisk støy kan redusere nøyaktigheten.
Penn databehandling
Mange stylus -design for resistive berøringsskjermer registreres ikke på kapasitive sensorer fordi de ikke er ledende. Stylus som fungerer på kapasitive berøringsskjermer som først og fremst er designet for fingre, kreves for å simulere forskjellen i dielektrikum som tilbys av en menneskelig finger.