Капацитивни сензори

Капацитивните сензори се клучна технологија во електротехниката, што се потпира на капацитивно спојување за да се идентификува и квантифицира спроводлива супстанца или онаа со различна диелектрична константа во споредба со воздухот. Широк спектар на сензори користат капацитивни сензори, кои опфаќаат детектори за близина, притисок, положба, поместување, сила, влажност, ниво на течност и детектори за забрзување. Во светот на копмјутерскта технологија, капацитивниот сензор се користи кај подлогата на допир, давајќи алтернатива на традиционалниот компјутерскиот глушец. Уредите како дигитални аудио плеери, мобилните телефони и таблети имаат екрани на допир со капацитивни сензори како интуитивни методи за внесување, честопати заменувајќи ги механичките копчиња за подобрена функционалност и корисничко искуство.
Капацитивниот екран на допир се состои од капацитивен сензор на допир и минимум два комплементарни чипови за интегрирано коло (IC) метал-оксид-полупроводник(CMOS), вклучувајќи контролер за интегрирано коло (ASIC) специфичен за апликација и процесор за дигитален сигнал (DSP). Оваа технологија се здоби со важност преку лансирањето на iPhone од Apple во 2007 година, што ја прави основна во мобилните дисплеи со повеќе допир.
2 Дизајн на кола
Капацитивните сензори користат различни материјали, вклучувајќи бакар, индиум калај оксид (ITO) и печатено мастило. Капацитивните сензори базирани на бакар се применуваат на конвенционалните FR4 печатени плочки (PCB) и флексибилни подлоги. ITO нуди висока транспарентност, до 90%, особено во еднослојните решенија како екраните на допир на мобилните телефони. Димензиите и растојанието на капацитивните сензори значително влијаат на нивните перформанси. Покрај големината и растојанието, изборот на рамнината на земјата е критичен. Паразитската капацитивност на сензорот зависи од патеката на електричното поле (Е-поле) до земјата. Оттука, изборот на рамнина за заземјување што ја минимизира концентрацијата на линиите на Е-поле во отсуство на спроводливи објекти е од суштинско значење за оптимална функционалност на сензорот. Внимателно разгледување на овие фактори ги подобрува перформансите на капацитивниот сензор во различни апликации.
При изработка на капацитивен систем за сензори, почетните чекори вклучуваат избор на соодветен материјал за сензори (на пр., FR4, Flex, ITO) и разбирање на оперативната околина, вклучувајќи температурни екстреми, пречки на радиофреквенцијата и интеракција на корисникот со интерфејсот. Овие размислувања се клучни во дизајнот на системот.
Постојат два фундаментални пристапи за сензори за капацитивност:
# меѓусебна капацитивност, во која објектот ја менува спојката помеѓу електродите на редот и колоната скенирани последователно; и
# само-капацитивност, каде што некој предмет (на пример, прст) или го вчитува сензорот или ја зголемува паразитската капацитивност на земјата.
Во двата случаја, пресметувањето на промената помеѓу претходната апсолутна позиција и сегашната го открива релативното движење на предметот или прстот во таа временска рамка. Дополнителни детали за овие технологии се објаснети во следниот дел.
1.1 Површинска капацитивност
Оваа основна технологија вклучува примена на проводен материјал само на едната страна од изолаторот. Еднообразно електростатско поле се создава со примена на низок напон на овој слој. Кога проводникот, како човечки прст, контактира со необложената површина, тој создава динамичен кондензатор. Поради отпорноста на листот на површината, секој агол регистрира посебна ефективна капацитивност. Контролерот на сензорот индиректно ја извлекува локацијата на допир со анализирање на промените на капацитетот на четирите агли на панелот: колку е поголема промената на капацитетот, допирот е поблиску до тој специфичен агол. Овој механизам нема подвижни компоненти, обезбедувајќи умерена издржливост, но покажува мала резолуција и подложност на лажни сигнали поради паразитско капацитивно спојување, кое бара калибрација за време на производството. Следствено, тој претежно се користи во некомплицирани апликации како индустриски контроли и интерактивни киосци.
1.2 Проектирана капацитивност
Технологијата на проектираниот капацитивен допир (PCT) ја подобрува прецизноста и разновидноста со офортување на проводниот слој. Воспоставува шема на Решетката XYкористејќи или единечен слој со гравирани електроди или два посебни слоја на спроводлив материјал гравирани со нормални линии, слични на пикселната мрежа што се гледа дисплеи со течни кристали (LCD). Овој пристап овозможува попрецизно и пофлексибилно работење на допир.
Проектираниот капацитивен допир (PCT) се издвојува по својата супериорна резолуција, овозможувајќи работа на допир без директен физички контакт. Оваа карактеристика овозможува да се нанесат дополнителни заштитни изолациски слоеви на спроводливите слоеви, што го прави PCT погоден за употреба под заштитници на екранот, куќишта отпорни на временски услови или стакло отпорно на вандал. Горниот слој во поставувањето на PCT обично е направен од стакло, што го прави поиздржлив во споредба со технологијата со отпорен допир. Во зависност од специфичната имплементација, корисниците можат да користат активна или пасивна игла покрај или наместо прстите, што е особено корисно во апликации за продажни места за кои е потребен потпис. Сепак, реакцијата на прстите со ракавици варира во зависност од специфичната имплементација и поставките за чувствителност. Спроводливите дамки и слични пречки на површината на панелот може да ја нарушат работата, што често потекнуваат од лепливи или испотени врвови на прстите, особено во средини со висока влажност. Акумулацијата на прашина, поради влагата од врвовите на прстите, исто така може да претставува предизвици во одржувањето на оптималната функционалност на PCT.
Постојат два вида на PCT: само-капацитивност и меѓусебна капацитивност.
''Меѓусебните капацитивни'' сензори имаат кондензатор на пресеците на редовите и колоните, што резултира со, на пример, 192 независни кондензатори во низа од 12 на 16. Примената на напон или на редовите или на колоните, кога прст или проводно игла се приближува до површината на сензорот, го менува локалното електрично поле, намалувајќи ја меѓусебната капацитивност. Оваа промена во капацитетот се мери низ мрежата, овозможувајќи прецизно одредување на локацијата на допир со анализа на варијациите на напонот долж другата оска. Взаемната капацитивност ја олеснува функционалноста со повеќе допир, овозможувајќи истовремено прецизно следење на повеќе прсти, дланки или стилови, што го прави идеален за интерактивни екрани на допир и уреди.
Сензорите за само-капацитивност можат да ја усвојат истата конфигурација на мрежата X-Y како сензорите за меѓусебна капацитивност, но овде колоните и редовите функционираат независно. Во само-капацитивност, секоја колона или ред го детектира капацитивното влијание на прстот поединечно, давајќи посилен сигнал од меѓусебната капацитивност. Сепак, само-капацитетот се бори прецизно да следи повеќе прсти, што доведува до проблеми како „духови“ или неправилно откривање локација кога се вклучени повеќе од една точка на контакт.
2 Дизајн на кола
Капацитетот вообичаено се мери индиректно, користејќи го за контрола на фреквенцијата на осцилаторот или за менување на нивото на спојување (или слабеење) на AC сигнал. Во основа, техниката работи со полнење на непознатиот капацитет со позната струја, бидејќи се
Капацитетот вообичаено се проценува индиректно, често со негово користење за регулирање на фреквенцијата на осцилаторот или модулирање на спојувањето (или слабеењето) на AC сигналот. Овој пристап вклучува полнење на непознатиот капацитет со позната струја, искористувајќи го преуредувањето врската струја-напон за кондензатор ,<math>I(t) = C\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t} \, ,</math>oвозможува пресметување на капацитетот со делење на моменталната струја со брзината со која се менува напонот преку кондензаторот:<math>C = \frac{I(t)}{\frac{\mathrm{d}V(t)}{\mathrm{d}t \, .</math>
Тоа може да се интегрира во временски период на полнење од <math>t_0</math> до <math>t_1</math> да се изрази во интегрална форма како:
<math>C = \frac{\int_{t_0}^{t_1} I(t) \, \mathrm{d}t}{V(t_1)-V(t_0)} \, .</math><math>C = \frac{\int_{t_0}^{t_1} I(t) \, \mathrm{d}t}{V(t_1)-V(t_0)} \, .</math>
2.1 Видови
2.1.1 Објаснување чекор по чекор
Во едноставно сценарио со примена на споменатата равенка, кога струјата на полнење останува константна, а почетниот напон <math>V(t_0)</math> e 0 V, капацитетот е еднаков на постојаната струја помножена со времетраењето на периодот на полнење <math>(t_1-t_0)</math>, со краен напон <math>V(t_1) \, .</math>
Во овој контекст, една од двете променливи, или времето на полнење или напонот, може да се постави како константа. На пример, при мерење по одредено времетраење, капацитетот може да се пресмета исклучиво врз основа на конечниот напон. Спротивно на тоа, ако е поставен однапред одреден праг на напон, тогаш мерењето само на времето потребно за да се достигне тој праг напон е доволно за да се одреди капацитетот.
Овој чекор мерење одговор може постојано да се повторува (на пр. со користење на квадратен бран ).
На пример, IC со капацитивна смисла, FDC1004 на Texas Instruments применува чекор брановиден облик од 25 kHz за полнење на електрода и по одредено време, го претвора аналогниот напон што го претставува тоа полнење во дигитална вредност на капацитетот користејќи вградена во аналогно-дигитален конвертор (ADC).
2.1.2 Осцилатор за релаксација
Дизајнот на едноставен мерач на капацитет често се заснова на осцилатор за релаксација . Капацитетот што треба да се почувствува формира дел од RC колото на осцилаторот или LC колото . Капацитетот може да се пресмета со мерење на времето на полнење потребно за да се достигне прагот на напонот (на осцилаторот за релаксација), или еквивалентно, со мерење на фреквенцијата на осцилаторот. И двете од нив се пропорционални на RC (или LC) временската константа на осцилаторното коло.
2.1.3 Делител на напон
Друга техника на мерење е да се примени AC-напонски сигнал со фиксна фреквенција преку капацитивен делител (делител на напон кој користи кондензатори наместо отпорници). Ова се состои од два кондензатори во серија, еден со позната вредност, а другиот со непозната вредност. Потоа се зема излезен сигнал од преку еден од кондензаторите. Вредноста на непознатиот кондензатор може да се најде од односот на капацитетите, што е еднаков на односот на амплитудите на излезниот/влезниот сигнал, како што може да се измери со AC волтметар.
2.1.4 Конфигурација на мостот
Попрецизни инструменти може да користат конфигурација на мост со капацитет, слична на Витстонов мост. Мостот на капацитетот помага да се компензира секоја варијабилност што може да постои во применетиот сигнал.
2.2 Грешки
Примарниот извор на грешка во мерењата на капацитивност е залутаната капацитивност, која доколку не се заштити, може да флуктуира помеѓу приближно 10 pF и 10 nF. Залутаниот капацитет може да се одржи релативно константен со заштитување на сигналот за капацитивност (висока импеданса) и потоа поврзување на штитот со (ниска импеданса) референца за заземјување. Исто така, за да се минимизираат несаканите ефекти од залутаниот капацитет, добра практика е да се лоцира сензорската електроника што е можно поблиску до сензорските електроди.
3 Споредба со други технологии со екран на допир
Капацитивните екрани на допир реагираат повеќе од резистивните екрани на допир (кои реагираат на кој било објект бидејќи не е потребен капацитет), но помалку прецизни. Сепак, проективниот капацитет ја подобрува прецизноста на екранот на допир бидејќи формира триаголна решетка околу точката на допир.
Стандардно пенкало не може да се користи за капацитивно сензорирање, но за таа цел постојат специјални капацитивни игла, кои се спроводливи. Може да се направи дури и капацитивно пенкало со обвиткување на проводен материјал, како што е антистатички спроводлив филм, околу стандардно игла или со тркалање на филмот во цевка. Некои не можат да се користат со ракавици и може да не се чувствуваат правилно дури и со мала количина на вода на екранот.
Меѓусебните капацитивни сензори можат да обезбедат дводимензионална слика на промените во електричното поле. Користејќи ја оваа слика, предложени се голем број апликации. Овозможува проверка на автентичноста на корисниците, проценување на ориентацијата на прстите што го допираат екранот и разликување помеѓу прстите и дланките . Додека капацитивните сензори се користат за екраните на допир на повеќето паметни телефони, капацитивната слика обично не е изложена на слојот на апликацијата.
Напојувањата со високо ниво на електронски шум може да ја намалат прецизноста.