Kapacitiv avkänning - Capacitive sensing

Inom elektroteknik är kapacitiv avkänning (ibland kapacitansavkänning ) en teknik, baserad på kapacitiv koppling , som kan detektera och mäta allt som är ledande eller har ett dielektrikum som skiljer sig från luft. Många typer av sensorer använder kapacitiv avkänning, inklusive sensorer för att detektera och mäta närhet, tryck, position och förskjutning , kraft , fuktighet , vätskenivå och acceleration . Mänskliga gränssnittsenheter baserade på kapacitiv avkänning, till exempel pekplattor , kan ersätta datormusen . Digitala ljudspelare , mobiltelefoner och surfplattor använder kapacitiva pekskärmar som inmatningsenheter. Kapacitiva sensorer kan också ersätta mekaniska knappar.

En kapacitiv pekskärm består typiskt av en kapacitiv touch sensor tillsammans med åtminstone två komplementära metalloxidhalvledare ( CMOS ) integrerad krets (IC) chips, en applikationsspecifik integrerad krets (ASIC) styrenhet och en digital signalprocessor (DSP). Kapacitiv avkänning används ofta för mobila multi-touch skärmar, populärt av Apple 's iPhone 2007.

Design

Kapacitiva sensorer är konstruerade av många olika medier, såsom koppar, indiumtennoxid (ITO) och tryckfärg. Koppar kapacitiva sensorer kan implementeras på standard FR4 PCB såväl som på flexibelt material. ITO gör att den kapacitiva sensorn kan vara upp till 90% transparent (för ettskiktslösningar, till exempel pekskärmar). Storlek och avstånd på den kapacitiva sensorn är båda mycket viktiga för sensorns prestanda. Förutom sensorns storlek och dess avstånd i förhållande till markplanet är typen av markplan som används mycket viktig. Eftersom sensorns parasitiska kapacitans är relaterad till det elektriska fältets (e-fält) väg till mark, är det viktigt att välja ett jordplan som begränsar koncentrationen av e-fältlinjer utan ledande objekt.

Att utforma ett kapacitansavkänningssystem kräver att man först väljer typ av avkänningsmaterial (FR4, Flex, ITO, etc.). Man måste också förstå miljön enheten kommer att arbeta i, till exempel hela drifttemperaturområdet , vilka radiofrekvenser som finns och hur användaren kommer att interagera med gränssnittet.

Det finns två typer av kapacitivt avkänningssystem: ömsesidig kapacitans, där objektet (finger, ledande pekpinne) ändrar den ömsesidiga kopplingen mellan rad- och kolonnelektroder, som skannas sekventiellt; och själv- eller absolut kapacitans där objektet (t.ex. ett finger) laddar sensorn eller ökar parasitkapacitansen till marken. I båda fallen ger skillnaden mellan en föregående absolut position från den nuvarande absoluta positionen objektets eller fingrets relativa rörelse under den tiden. Teknikerna utvecklas i följande avsnitt.

Ytkapacitans

I denna grundteknik är endast en sida av isolatorn belagd med ledande material. En liten spänning appliceras på detta lager, vilket resulterar i ett enhetligt elektrostatiskt fält. När en ledare , som ett mänskligt finger, vidrör den obelagda ytan bildas en kondensator dynamiskt. På grund av ytans arkmotstånd mäts varje hörn för att ha en annan effektiv kapacitans. Sensorns styrenhet kan indirekt bestämma platsen för beröringen från förändringen i kapacitansen mätt från panelens fyra hörn: ju större förändring i kapacitans, desto närmare beröring är hörnet. Utan rörliga delar är den måttligt hållbar, men har låg upplösning, är benägen för falska signaler från parasitisk kapacitiv koppling och behöver kalibrering under tillverkningen. Därför används det oftast i enkla applikationer som industriella kontroller och interaktiva kiosker .

Beräknad kapacitans

Schema för projicerad-kapacitiv pekskärm

Projicerad kapacitiv beröring (PCT) -teknologi är en kapacitiv teknik som möjliggör mer exakt och flexibel drift genom etsning av det ledande skiktet. Ett XY -nät bildas antingen genom att etsa ett lager för att bilda ett rutmönster av elektroder , eller genom att etsa två separata, parallella lager av ledande material med vinkelräta linjer eller spår för att bilda rutnätet; jämförbar med pixelnätet som finns i många LCD -skärmar.

Den större upplösningen av PCT möjliggör drift utan direktkontakt, så att de ledande skikten kan beläggas med ytterligare skyddande isolerande skikt, och fungerar även under skärmskydd, eller bakom väder och vandalsäkert glas. Eftersom det översta lagret av en PCT är glas är PCT en mer robust lösning kontra resistiv beröringsteknik. Beroende på implementering kan en aktiv eller passiv penna användas istället för eller förutom ett finger. Detta är vanligt med försäljningsställen som kräver signaturinspelning. Handskade fingrar kanske inte avkänns beroende på implementerings- och förstärkningsinställningar. Ledande fläckar och liknande störningar på panelytan kan störa prestandan. Sådana konduktiva fläckar kommer mestadels från klibbiga eller svettiga fingertoppar, särskilt i miljöer med hög luftfuktighet. Samlat damm, som fastnar på skärmen på grund av fukt från fingertopparna kan också vara ett problem.

Det finns två typer av PCT: självkapacitans och ömsesidig kapacitans.

Ömsesidiga kapacitiva sensorer har en kondensator vid varje skärningspunkt för varje rad och varje kolumn. En 12-till-16-array, till exempel, skulle ha 192 oberoende kondensatorer. En spänning appliceras på raderna eller kolumnerna. Att föra ett finger eller en ledande penna nära sensorns yta förändrar det lokala elektriska fältet vilket minskar den ömsesidiga kapacitansen. Kapacitansändringen vid varje enskild punkt på nätet kan mätas för att exakt bestämma beröringsplatsen genom att mäta spänningen i den andra axeln. Ömsesidig kapacitans möjliggör multi-touch- drift där flera fingrar, handflator eller styli kan spåras exakt samtidigt.

Självkapacitanssensorer kan ha samma XY-nät som gensidiga kapacitanssensorer, men kolumnerna och raderna fungerar oberoende. Med självkapacitans avkänner ström den kapacitiva belastningen av ett finger på varje kolumn eller rad. Detta ger en starkare signal än ömsesidig kapacitansavkänning, men den kan inte lösa exakt mer än ett finger, vilket resulterar i "spökande" eller felplacerad lokalisering.

Kretsdesign

Kapacitans mäts vanligtvis indirekt genom att använda den för att styra oscillatorns frekvens eller för att variera kopplingsnivån (eller dämpningen) hos en växelsignal.

Utformningen av en enkel kapacitansmätare är ofta baserad på en relaxationsoscillator . Kapacitansen som ska avkännas bildar en del av oscillatorns RC -krets eller LC -krets . I grund och botten fungerar tekniken genom att ladda den okända kapacitansen med en känd ström. (Tillståndsekvationen för en kondensator är i = C dv/dt. Detta innebär att kapacitansen är lika med strömmen dividerat med hastigheten för spänningsändring över kondensatorn.) Kapacitansen kan beräknas genom att mäta den laddningstid som krävs för att nå tröskelspänningen (för relaxationsoscillatorn) eller motsvarande genom att mäta oscillatorns frekvens. Båda dessa är proportionella mot RC (eller LC) tidskonstanten för oscillatorkretsen.

Den primära felkällan vid kapacitansmätningar är stray -kapacitans, som om den inte skyddas mot kan variera mellan ungefär 10 pF och 10 nF. Ströms kapacitans kan hållas relativt konstant genom att skydda (hög impedans) kapacitanssignal och sedan ansluta skärmen till (en låg impedans) jordreferens. För att minimera de oönskade effekterna av lös kapacitet är det bra att lokalisera avkänningselektroniken så nära sensorelektroderna som möjligt.

En annan mätteknik är att applicera en fastfrekvent växelspänningssignal över en kapacitiv avdelare. Denna består av två kondensatorer i serie, en med ett känt värde och den andra med ett okänt värde. En utsignal tas sedan från en av kondensatorerna. Värdet på den okända kondensatorn kan hittas från förhållandet mellan kapacitanser, vilket är lika med förhållandet mellan utgångs-/insignalsamplituderna, vilket kan mätas med en AC -voltmeter. Mer exakta instrument kan använda en kapacitansbryggkonfiguration, som liknar en Wheatstone -bro . Kapacitansbryggan hjälper till att kompensera för eventuell variation som kan finnas i den applicerade signalen.

Jämförelse med andra pekskärmstekniker

Kapacitiva pekskärmar är mer mottagliga än resistiva pekskärmar (som reagerar på något objekt eftersom ingen kapacitans behövs), men mindre exakt. Projektiv kapacitans förbättrar dock en pekskärms noggrannhet eftersom den bildar ett triangulerat rutnät runt beröringspunkten.

En vanlig penna kan inte användas för kapacitiv avkänning, men speciellt kapacitiv penna, som är ledande, finns för ändamålet. Man kan till och med göra en kapacitiv penna genom att linda ledande material, såsom antistatisk ledande film, runt en standardpenn eller rulla filmen i ett rör. Kapacitiva pekskärmar är dyrare att tillverka än resistiva pekskärmar . Vissa kan inte användas med handskar och kan inte känna rätt med ens en liten mängd vatten på skärmen.

Ömsesidiga kapacitiva sensorer kan ge en tvådimensionell bild av förändringarna i det elektriska fältet. Med hjälp av denna bild har en rad applikationer föreslagits. Autentisering av användare, uppskattning av fingrarnas orientering vid beröring av skärmen och skillnad mellan fingrar och handflator blir möjliga. Medan kapacitiva sensorer används för pekskärmarna på de flesta smartphones, exponeras den kapacitiva bilden vanligtvis inte för applikationsskiktet.

Strömförsörjningar med en hög nivå av elektroniskt brus kan minska noggrannheten.

Pennberäkning

Kapacitiv penna

Många stylusdesigner för resistiva pekskärmar registreras inte på kapacitiva sensorer eftersom de inte är ledande. Stylusar som fungerar på kapacitiva pekskärmar som främst är utformade för fingrar krävs för att simulera skillnaden i dielektrikum som erbjuds av ett mänskligt finger.

Se även

Referenser

externa länkar