Kapazitive Erfassung - Capacitive sensing
In der Elektrotechnik ist die kapazitive Abtastung (manchmal auch kapazitive Abtastung ) eine Technologie, die auf kapazitiver Kopplung basiert und alles erkennen und messen kann, was leitfähig ist oder ein anderes Dielektrikum als Luft hat. Viele Arten von Sensoren verwenden kapazitive Sensoren, einschließlich Sensoren zur Erkennung und Messung von Nähe, Druck, Position und Verschiebung , Kraft , Feuchtigkeit , Flüssigkeitsstand und Beschleunigung . Auf kapazitiver Sensorik basierende Human-Interface-Geräte wie Touchpads können die Computermaus ersetzen . Digitale Audioplayer , Mobiltelefone und Tablet-Computer verwenden kapazitive Touchscreens als Eingabegeräte. Kapazitive Sensoren können auch mechanische Tasten ersetzen.
Ein kapazitiver Touchscreen besteht typischerweise aus einem kapazitiven Berührungssensor mit mindestens zwei komplementären Metall-Oxid-Halbleiter ( CMOS ) integrierter Schaltkreis (IC) -Chips, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) Controller und einem digitalen Signalprozessor (DSP). Kapazitive Berührungssensoren sind für die mobilen häufig verwendete Multi-Touch - Displays, popularisierte von Apple - s iPhone im Jahr 2007.
Entwurf
Kapazitive Sensoren werden aus vielen verschiedenen Medien wie Kupfer, Indium-Zinn-Oxid (ITO) und gedruckter Tinte hergestellt. Kapazitive Sensoren aus Kupfer können sowohl auf Standard- FR4- Leiterplatten als auch auf flexiblem Material implementiert werden. ITO ermöglicht eine Transparenz des kapazitiven Sensors von bis zu 90 % (für Einschichtlösungen, wie z. B. Touchscreens von Touchscreens). Größe und Abstand des kapazitiven Sensors sind beide sehr wichtig für die Leistung des Sensors. Neben der Größe des Sensors und seinem Abstand zur Masseplatte ist die Art der verwendeten Masseplatte sehr wichtig. Da die parasitäre Kapazität des Sensors mit dem Weg des elektrischen Felds (E-Feld) zur Erde zusammenhängt, ist es wichtig, eine Erdungsebene zu wählen, die die Konzentration der E-Feldlinien begrenzt, wenn kein leitfähiges Objekt vorhanden ist.
Das Entwerfen eines kapazitiven Sensorsystems erfordert zunächst die Auswahl des Sensormaterials (FR4, Flex, ITO usw.). Man muss auch die Umgebung verstehen, in der das Gerät betrieben wird, z. B. den gesamten Betriebstemperaturbereich , welche Funkfrequenzen vorhanden sind und wie der Benutzer mit der Schnittstelle interagiert.
Es gibt zwei Arten von kapazitiven Erfassungssystemen: Gegenkapazität, bei der das Objekt (Finger, leitfähiger Stift) die gegenseitige Kopplung zwischen Zeilen- und Spaltenelektroden ändert, die sequentiell abgetastet werden; und Eigen- oder Absolutkapazität, wenn das Objekt (z. B. ein Finger) den Sensor belastet oder die parasitäre Kapazität gegen Erde erhöht. In beiden Fällen ergibt die Differenz einer vorhergehenden absoluten Position von der aktuellen absoluten Position die relative Bewegung des Objekts oder Fingers während dieser Zeit. Die Technologien werden im folgenden Abschnitt erläutert.
Oberflächenkapazität
Bei dieser Basistechnologie wird nur eine Seite des Isolators mit leitfähigem Material beschichtet. An diese Schicht wird eine kleine Spannung angelegt, wodurch ein gleichmäßiges elektrostatisches Feld entsteht. Wenn ein Leiter , beispielsweise ein menschlicher Finger, die unbeschichtete Oberfläche berührt, wird dynamisch ein Kondensator gebildet. Aufgrund des Schichtwiderstands der Oberfläche wird gemessen, dass jede Ecke eine andere effektive Kapazität hat. Der Controller des Sensors kann den Ort der Berührung indirekt aus der Änderung der Kapazität bestimmen, die von den vier Ecken des Panels gemessen wird: Je größer die Änderung der Kapazität, desto näher ist die Berührung an dieser Ecke. Es hat keine beweglichen Teile, ist mäßig haltbar, hat aber eine niedrige Auflösung, ist anfällig für falsche Signale von parasitärer kapazitiver Kopplung und muss während der Herstellung kalibriert werden. Daher wird es am häufigsten in einfachen Anwendungen wie Industriesteuerungen und interaktiven Kiosken verwendet .
Projizierte Kapazität
Die Projected Capacitive Touch (PCT)-Technologie ist eine kapazitive Technologie, die durch Ätzen der leitfähigen Schicht einen genaueren und flexibleren Betrieb ermöglicht . Ein XY-Gitter wird entweder durch Ätzen einer Schicht gebildet, um ein Gittermuster von Elektroden zu bilden , oder durch Ätzen von zwei getrennten, parallelen Schichten aus leitfähigem Material mit senkrechten Linien oder Spuren, um das Gitter zu bilden; vergleichbar mit dem Pixelraster vieler Flüssigkristallanzeigen (LCD).
Die höhere Auflösung von PCT ermöglicht den Betrieb ohne direkten Kontakt, sodass die leitenden Schichten mit weiteren schützenden Isolierschichten beschichtet werden können und sogar unter Displayschutzfolien oder hinter wetter- und vandalensicherem Glas betrieben werden können. Da die oberste Schicht eines PCT aus Glas besteht, ist PCT eine robustere Lösung gegenüber der resistiven Touch-Technologie. Je nach Implementierung kann anstelle oder zusätzlich zu einem Finger ein aktiver oder passiver Stift verwendet werden. Dies ist bei Point-of-Sale- Geräten üblich, die eine Unterschriftenerfassung erfordern. Behandschuhte Finger werden je nach Implementierung und Verstärkungseinstellungen möglicherweise nicht erfasst. Leitfähige Flecken und ähnliche Störungen auf der Paneloberfläche können die Leistung beeinträchtigen. Solche leitfähigen Flecken stammen hauptsächlich von klebrigen oder verschwitzten Fingerspitzen, insbesondere in Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit. Auch angesammelter Staub, der durch Feuchtigkeit von den Fingerkuppen am Bildschirm haften bleibt, kann ein Problem sein.
Es gibt zwei Arten von PCT: Eigenkapazität und Gegenkapazität.
Gegenseitige kapazitive Sensoren haben an jedem Schnittpunkt jeder Reihe und jeder Spalte einen Kondensator . Ein 12-mal-16-Array hätte beispielsweise 192 unabhängige Kondensatoren. An die Zeilen oder Spalten wird eine Spannung angelegt. Wenn ein Finger oder ein leitfähiger Stift in die Nähe der Sensoroberfläche gebracht wird, ändert sich das lokale elektrische Feld, wodurch die gegenseitige Kapazität verringert wird. Die Kapazitätsänderung an jedem einzelnen Punkt des Gitters kann gemessen werden, um den Berührungsort durch Messen der Spannung in der anderen Achse genau zu bestimmen. Die gegenseitige Kapazität ermöglicht eine Multi-Touch- Bedienung, bei der mehrere Finger, Handflächen oder Eingabestifte gleichzeitig genau verfolgt werden können.
Eigenkapazitätssensoren können das gleiche XY-Gitter wie Gegenkapazitätssensoren aufweisen, aber die Spalten und Zeilen arbeiten unabhängig voneinander. Bei Eigenkapazität erfasst der Strom die kapazitive Last eines Fingers in jeder Spalte oder Zeile. Dies erzeugt ein stärkeres Signal als die gegenseitige Kapazitätserfassung, aber es ist nicht in der Lage, mehr als einen Finger genau aufzulösen, was zu "Geisterbildern" oder fehlplatzierten Positionserfassungen führt.
Schaltungsdesign
Die Kapazität wird typischerweise indirekt gemessen, indem sie verwendet wird, um die Frequenz eines Oszillators zu steuern oder den Kopplungspegel (oder die Dämpfung) eines Wechselstromsignals zu variieren .
Der Aufbau eines einfachen Kapazitätsmessers basiert oft auf einem Relaxationsoszillator . Die zu erfassende Kapazität bildet einen Teil der RC-Schaltung oder LC-Schaltung des Oszillators . Grundsätzlich funktioniert die Technik, indem die unbekannte Kapazität mit einem bekannten Strom geladen wird. (Die Zustandsgleichung für einen Kondensator ist i = C dv/dt. Dies bedeutet, dass die Kapazität gleich dem Strom dividiert durch die Änderungsrate der Spannung am Kondensator ist.) Die Kapazität kann berechnet werden, indem die Ladezeit gemessen wird, die erforderlich ist, um . zu erreichen die Schwellenspannung (des Relaxationsoszillators) oder äquivalent durch Messen der Frequenz des Oszillators. Beide sind proportional zur RC (oder LC) Zeitkonstante der Oszillatorschaltung.
Die Hauptfehlerquelle bei Kapazitätsmessungen ist Streukapazität, die, wenn sie nicht geschützt wird, zwischen ungefähr 10 pF und 10 nF schwanken kann. Die Streukapazität kann relativ konstant gehalten werden, indem das (hochohmige) Kapazitätssignal abgeschirmt wird und dann die Abschirmung mit (einer niederohmigen) Bezugsmasse verbunden wird. Um die unerwünschten Auswirkungen von Streukapazitäten zu minimieren, ist es außerdem empfehlenswert, die Sensorelektronik so nahe wie möglich an den Sensorelektroden anzuordnen.
Eine andere Messtechnik besteht darin, ein Wechselspannungssignal mit fester Frequenz über einen kapazitiven Teiler anzulegen. Dieser besteht aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatoren, von denen einer einen bekannten Wert und der andere einen unbekannten Wert hat. An einem der Kondensatoren wird dann ein Ausgangssignal entnommen. Der Wert des unbekannten Kondensators kann aus dem Verhältnis der Kapazitäten ermittelt werden, das dem Verhältnis der Ausgangs-/Eingangssignalamplituden entspricht, wie es mit einem Wechselspannungs-Voltmeter gemessen werden könnte. Genauere Instrumente können eine Kapazitätsbrückenkonfiguration verwenden, ähnlich einer Wheatstone-Brücke . Die Kapazitätsbrücke hilft, jegliche Variabilität zu kompensieren, die im angelegten Signal vorhanden sein kann.
Vergleich mit anderen Touchscreen-Technologien
Kapazitive Touchscreens reagieren schneller als resistive Touchscreens (die auf jedes Objekt reagieren, da keine Kapazität benötigt wird), aber weniger genau. Die projektive Kapazität verbessert jedoch die Genauigkeit eines Touchscreens, da sie ein trianguliertes Gitter um den Berührungspunkt bildet.
Für die kapazitive Abtastung kann kein Standard- Taster verwendet werden, es gibt jedoch spezielle kapazitive Taster, die leitfähig sind. Man kann sogar einen kapazitiven Stift herstellen, indem man leitfähiges Material, wie z. Kapazitive Touchscreens sind in der Herstellung teurer als resistive Touchscreens . Einige können nicht mit Handschuhen verwendet werden und können selbst bei einer kleinen Wassermenge auf dem Bildschirm nicht richtig erkennen.
Gegenseitige kapazitive Sensoren können ein zweidimensionales Bild der Änderungen des elektrischen Felds liefern. Unter Verwendung dieses Bildes wurden eine Reihe von Anwendungen vorgeschlagen. Die Authentifizierung von Benutzern, das Schätzen der Ausrichtung der Finger, die den Bildschirm berühren, und die Unterscheidung zwischen Fingern und Handflächen werden möglich. Während für die Touchscreens der meisten Smartphones kapazitive Sensoren verwendet werden, wird das kapazitive Bild typischerweise nicht der Anwendungsschicht ausgesetzt.
Netzteile mit hohem elektronischem Rauschen können die Genauigkeit verringern.
Pen-Computing
Viele Stiftdesigns für resistive Touchscreens werden auf kapazitiven Sensoren nicht registriert, da sie nicht leitfähig sind. Eingabestifte, die auf kapazitiven Touchscreens funktionieren, die hauptsächlich für Finger ausgelegt sind, müssen den Unterschied im Dielektrikum eines menschlichen Fingers simulieren.