Come funziona il sensore capacitivo

in ingegneria elettrica

In ingegneria elettrica, il rilevamento capacitivo (a volte rilevamento della capacità ) è una tecnologia, basata sull'accoppiamento capacitivo, in grado di rilevare e misurare qualsiasi cosa che sia conduttiva o abbia una costante dielettrica diversa dall'aria. Molti tipi di sensori utilizzano il rilevamento capacitivo, inclusi i sensori per rilevare e misurare prossimità, pressione, posizione e spostamento, forza, umidità, livello del fluido e accelerazione. I dispositivi di interfaccia umana basati sul rilevamento capacitivo, come i touchpad, ^[1] possono sostituire il mouse del computer. I lettori audio digitali, i telefoni cellulari e i tablet a volte utilizzano touchscreen di rilevamento capacitivo come dispositivi di input. ^[2] I sensori capacitivi possono anche sostituire i pulsanti meccanici.

Un touchscreen capacitivo è tipicamente costituito da un touch capacitivo insieme ad almeno due chip di circuiti integrati (IC) complementari metallo-ossido-semiconduttore (CMOS), un controller di circuiti integrati specifici per l'applicazione (ASIC) e un processore di segnale digitale (DSP). Il rilevamento capacitivo è comunemente usato per i display multi-touch mobili, reso popolare dall'iPhone di Apple nel 2007. ^{[3] [4]}

Design

I sensori capacitivi sono costruiti con molti mezzi diversi, come rame, ossido di indio e stagno (ITO) e inchiostro stampato. I sensori capacitivi in rame possono essere implementati sia su PCB FR4 standard che su materiale flessibile. ITO consente al sensore capacitivo di essere trasparente fino al 90% (per soluzioni a un livello, come gli schermi touch dei telefoni). Le dimensioni e la spaziatura del sensore capacitivo sono entrambe molto importanti per le prestazioni del sensore. Oltre alle dimensioni del sensore e alla sua spaziatura rispetto al piano di massa, il tipo di piano di massa utilizzato è molto importante. Poiché la capacità parassita del sensore è correlata al percorso del campo elettrico (campo E) verso terra, è importante scegliere un piano di massa che limiti la concentrazione delle linee del campo E senza la presenza di oggetti conduttivi.

La progettazione di un sistema di rilevamento della capacità richiede prima di tutto la scelta del tipo di materiale di rilevamento (FR4, Flex, ITO, ecc.). È inoltre necessario comprendere l'ambiente in cui il dispositivo opererà, come l'intero intervallo di temperatura operativa, quali frequenze radio sono presenti e come l'utente interagirà con l'interfaccia.

Esistono due tipi di sistemi di rilevamento capacitivo:

1. la capacità reciproca, ^[5] in cui l'oggetto (dito, stilo conduttivo) altera l'accoppiamento reciproco tra gli elettrodi di fila e di colonna, che vengono scansionati in sequenza; ^[6] e
2. l'autocapacità, in cui l'oggetto (come un dito) carica il sensore o Aumenta la capacità parassita a terra.

In entrambi i casi, la differenza di una posizione assoluta precedente dalla posizione assoluta attuale produce il movimento relativo dell'oggetto o del dito durante quel tempo. Le tecnologie sono elaborate nella sezione seguente.

Capacità superficiale

In questa tecnologia di base, solo un lato dell'isolante è rivestito con materiale conduttivo. A questo strato viene applicata una piccola tensione, che si traduce in un campo elettrostatico uniforme. ^[7] Quando un conduttore, come un dito umano, tocca la superficie non rivestita, si forma dinamicamente un condensatore. A causa della resistenza del foglio della superficie, ogni angolo viene misurato per avere una capacità effettiva diversa. Il controller del sensore può determinare la posizione del tocco indirettamente dalla variazione della capacità misurata dai quattro angoli del pannello: maggiore è la variazione in capacità, più il tocco è vicino a quell'angolo. Senza parti mobili, è moderatamente resistente, ma ha una bassa risoluzione, è soggetto a falsi segnali dall'accoppiamento capacitivo parassita e necessita di calibrazione durante la produzione. Pertanto, viene spesso utilizzato in applicazioni semplici come controlli industriali e chioschi interattivi. ^[8]

Capacità

proiettata

La tecnologia PCT (Projected Capacity Touch) è una tecnologia capacitiva che consente un funzionamento più accurato e flessibile, incidendo lo strato conduttivo. Una griglia X-Y si forma incidendo uno strato per formare un modello di griglia di elettrodi, o incidendo due strati paralleli separati di materiale conduttivo con linee o tracce perpendicolari per formare la griglia; paragonabile alla griglia di pixel che si trova in molti display a cristalli liquidi (LCD). ^[9]

La maggiore risoluzione del PCT consente il funzionamento senza contatto diretto, in modo che gli strati conduttori possano essere rivestiti con ulteriori strati isolanti protettivi e funzionare anche sotto protezioni per lo schermo o dietro vetri resistenti alle intemperie e agli atti vandalici. Poiché lo strato superiore di un PCT è in vetro, il PCT è una soluzione più robusta rispetto alla tecnologia touch resistiva. A seconda dell'implementazione, è possibile utilizzare uno stilo attivo o passivo al posto o in aggiunta a un dito. Questo è comune con i dispositivi POS che richiedono l'acquisizione della firma. Le dita guantate potrebbero non essere percepite, a seconda dell'implementazione e delle impostazioni di guadagno. Macchie conduttive e interferenze simili sulla superficie del pannello possono interferire con le prestazioni. Tali macchie conduttive provengono principalmente dalla punta delle dita appiccicosa o sudata, soprattutto in ambienti ad alta umidità. Anche la polvere raccolta, che aderisce allo schermo a causa dell'umidità della punta delle dita, può essere un problema.

Esistono due tipi di PCT: autocapacità e capacità reciproca.

I sensori capacitivi reciproci hanno un condensatore ad ogni intersezione di ogni riga e di ogni colonna. Un array 12 per 16, ad esempio, avrebbe 192 condensatori indipendenti. Alle righe o alle colonne viene applicata una tensione. Avvicinando un dito o uno stilo conduttivo alla superficie del sensore si modifica il campo elettrico locale, riducendo la capacità reciproca. La variazione di capacità in ogni singolo punto della rete può essere misurata per determinare con precisione la posizione del tocco misurando la tensione sull'altro asse. La capacità reciproca consente il funzionamento multi-touch in cui è possibile tracciare con precisione più dita, palmi o stili contemporaneamente. ^[10]

I sensori di

autocapacità possono avere la stessa griglia X-Y dei sensori di capacità reciproca, ma le colonne e le righe funzionano in modo indipendente. Con l'autocapacità, la corrente rileva il carico capacitivo di un dito su ogni colonna o riga. Questo produce un segnale più forte rispetto al rilevamento della capacità reciproca, ma non è in grado di risolvere con precisione più di un dito, il che si traduce in "ghosting" o rilevamento della posizione fuori posto. ^[11]

La

capacità viene in genere misurata indirettamente, utilizzandola per controllare la frequenza di un oscillatore o per variare il livello di accoppiamento (o attenuazione) di un segnale CA. Fondamentalmente la tecnica funziona caricando la capacità incognita con una corrente nota, poiché riorganizzare la relazione corrente-tensione per un condensatore,

consente di determinare la capacità dalla corrente istantanea divisa per la velocità di variazione della tensione attraverso il condensatore:

che può essere integrata in un periodo di tempo di carica da a essere espressa in forma integrale come:

Tipi

Risposta al passaggio

Per un semplice esempio di quanto sopra equazione, se la corrente di carica è costante e la tensione di avviamento è 0 V, allora la capacità è semplicemente il valore di quella corrente costante moltiplicato per la durata del tempo di carica e diviso per la tensione finale

Sia questo tempo di carica che questa tensione possono essere una costante predeterminata. Ad esempio, se si misura dopo un periodo di tempo costante, la capacità può essere determinata utilizzando solo la tensione finale. In alternativa, se si utilizza una tensione di soglia fissa, è sufficiente misurare la durata del tempo di ricarica per raggiungere tale soglia di tensione.

Questa misurazione della risposta al gradino può essere ripetuta continuamente (ad esempio utilizzando un'onda quadra).

Ad esempio, l'IC di rilevamento capacitivo, il FDC1004 di Texas Instruments applica una forma d'onda a gradini di 25 kHz per caricare un elettrodo e, dopo un periodo di tempo definito, converte la tensione analogica che rappresenta tale carica in un valore digitale di capacità utilizzando un convertitore analogico/digitale (ADC). ^[12]

Oscillatore di rilassamento

Il design di un semplice misuratore di capacità si basa spesso su un oscillatore di rilassamento. La capacità da rilevare costituisce una parte del circuito RC o LC dell'oscillatore. La capacità può essere calcolata misurando il tempo di carica necessario per raggiungere la tensione di soglia (dell'oscillatore di rilassamento) o, in modo equivalente, misurando la frequenza dell'oscillatore. Entrambi sono proporzionali alla costante di tempo RC (o LC) del circuito oscillatore.

Divisore di tensione

Un'altra tecnica di misurazione consiste nell'applicare un segnale di tensione CA a frequenza fissa attraverso un divisore capacitivo (un divisore di tensione che utilizza condensatori anziché resistori). Questo è costituito da due condensatori in serie, uno di valore noto e l'altro di valore sconosciuto. Un segnale di uscita viene quindi prelevato da uno dei condensatori. Il valore del condensatore sconosciuto può essere trovato dal rapporto delle capacità, che è uguale al rapporto tra le ampiezze del segnale di uscita/ingresso, come potrebbe essere misurato da un voltmetro CA.

Gli

strumenti più accurati possono utilizzare una configurazione a ponte capacitivo, simile a un ponte di Wheatstone. ^[13] Il ponte capacitivo aiuta a compensare qualsiasi variabilità che può esistere nel segnale applicato.

Sebbene

non sia specifico per il rilevamento capacitivo, il trasferimento di carica utilizza una rete di condensatori commutati per accumulare carica su un condensatore integratore su una serie di passaggi discreti, per produrre una somma accurata di tutti i singoli contributori di addebito. ^{[14] [15]}

Delta-sigma

La modulazione delta-sigma può anche misurare la capacità invece della tensione. ^{[16] [17]}

Errori

La principale fonte di errore nelle misure di capacità è la capacità parassita, che se non evitata, può fluttuare tra circa 10 pF e 10 nF. La capacità parassita può essere mantenuta relativamente costante schermando il segnale di capacità (ad alta impedenza) e quindi collegando lo schermo a un riferimento di terra (a bassa impedenza). Inoltre, per ridurre al minimo gli effetti indesiderati della capacità parassita, è buona norma posizionare l'elettronica di rilevamento il più vicino possibile agli elettrodi del sensore.

Confronto con altre tecnologie touchscreen

I touchscreen capacitivi sono più reattivi dei touchscreen resistivi (che reagiscono a qualsiasi oggetto poiché non è necessaria alcuna capacità), ma meno precisi. Tuttavia, la capacità proiettiva migliora la precisione di un touchscreen in quanto forma una griglia triangolata attorno al punto di tocco. ^[18]

Uno stilo standard Non può essere utilizzato per il rilevamento capacitivo, ma esistono speciali stilo capacitivi, che sono conduttivi, per lo scopo. Si può anche realizzare uno stilo capacitivo avvolgendo materiale conduttivo, come una pellicola conduttiva antistatica, attorno a uno stilo standard o arrotolando la pellicola in un tubo. ^[19] Fino a poco tempo fa, i touchscreen capacitivi erano più costosi da produrre rispetto ai touchscreen resistivi. ^{[ citazione necessaria ]} Non più (vedi touchscreen#Costruzione). Alcuni non possono essere utilizzati con i guanti e possono non riuscire a rilevare correttamente anche con una piccola quantità d'acqua sullo schermo.

I sensori capacitivi reciproci possono fornire un'immagine bidimensionale delle variazioni del campo elettrico. Utilizzando questa immagine, sono state proposte una serie di applicazioni. Utenti autenticanti, ^{[20] [21]} stima dell'orientamento delle dita che toccano lo schermo ^{[22] [23]} e la differenziazione tra dita e palmi ^[24] diventa possibile. Mentre i sensori capacitivi sono utilizzati per i touchscreen della maggior parte degli smartphone, l'immagine capacitiva in genere non è esposta al livello dell'applicazione.

Gli alimentatori con un alto livello di rumore elettronico possono ridurre la precisione.

Articolo

principale: Pen computing

Molti modelli di stilo per touchscreen resistivi non vengono registrati sui sensori capacitivi perché non sono conduttivi. Gli stilo che funzionano su touchscreen capacitivi progettati principalmente per le dita sono necessari per simulare la differenza di dielettrico offerta da un dito umano. ^[25]

Vedi anche

Riferimenti

Collegamenti esterni