Аннотация
Введение в емкостное сенсорное зондирование.
В этой статье мы подробно рассмотрим (но не слишком подробно) электрические принципы, которые позволяют нам обнаруживать присутствие человеческого пальца, используя чуть больше, чем конденсатор.
Конденсаторы могут быть чувствительными
В течение последнего десятилетия стало трудно представить мир без сенсорной электроники. Смартфоны являются ярким и вездесущим примером, но, конечно, существует множество устройств и систем, которые включают сенсорные функции. Как сопротивление, так и емкость могут использоваться в качестве средства для достижения чувствительности к прикосновению; В этой статье мы обсудим только емкостное сенсорное восприятие, которое стало предпочтительной реализацией.
Хотя приложения, основанные на емкостном сенсорном восприятии, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе этой технологии, довольно просты. В самом деле, если вы понимаете природу емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы уже на пути к пониманию емкостного сенсорного восприятия.
Емкостные сенсорные датчики делятся на две основные категории: конфигурация взаимной емкости и конфигурация собственной емкости. Первый, в котором чувствительный конденсатор состоит из двух выводов, которые функционируют как излучающий и принимающий электроды, является предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод чувствительного конденсатора соединен с землей, является простым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, ползунка или колеса. В этой статье представлена конфигурация собственной емкости.
Конденсатор PCB
Конденсаторы бывают разных форм. Мы все привыкли видеть емкость в виде свинцовых компонентов или пакетов для поверхностного монтажа, но на самом деле все, что вам действительно нужно, - это два провода, разделенных изоляционным материалом (то есть диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор с использованием проводящих слоев, встроенных в печатную плату. Например, рассмотрим следующий вид сверху и вид сбоку конденсатора на печатной плате, используемого в качестве сенсорной кнопки (обратите внимание, что слой маски припоя на диаграмме вида сбоку опущен).
Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае окружающая медь соединена с узлом заземления, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована как конденсатор между сенсорным сигналом и землей.
В этот момент вы можете задаться вопросом о том, какую емкость на самом деле обеспечивает эта маленькая плата. Кроме того, как мы собираемся рассчитать это точно. , , ? Чтобы ответить на первый вопрос, емкость очень мала, может быть, около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если вы забыли свою электростатику, потому что точное значение конденсатора не имеет значения. Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения, не зная номинального значения конденсатора PCB.
Эффект пальца
Итак, что вызывает эти изменения емкости, которые будет обнаруживать контроллер сенсорного ввода? Человеческий палец, конечно.
Прежде чем мы обсудим, почему палец меняет емкость, важно понять, что здесь нет прямой проводимости; палец изолирован от конденсатора паяльной маской печатной платы и обычно также слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Таким образом, палец не разряжает конденсатор, и, кроме того, величина заряда, хранящегося в конденсаторе в определенный момент, не является величиной интереса - скорее, величина интереса является емкостью в конкретный момент.
Итак, почему присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая связана с диэлектрическими свойствами пальца, а вторая связана с проводящими свойствами пальца.
Палец как диэлектрик
Обычно мы думаем, что конденсатор имеет фиксированное значение, определяемое площадью двух проводящих пластин, расстоянием между пластинами и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора простым прикосновением к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, потому что человеческий палец имеет диэлектрические характеристики, отличные от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в фактической диэлектрической области, что означает изолирующее пространство непосредственно между проводниками, но такое «проникновение» в сам конденсатор не является необходимым:
Как показано на этой диаграмме, палец не должен находиться между пластинами, чтобы влиять на диэлектрические характеристики, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.
Оказывается, человеческая плоть является довольно хорошим диэлектрическим материалом, потому что наши тела в основном состоят из воды. Диэлектрическая проницаемость вакуума определяется как 1, а диэлектрическая проницаемость воздуха немного выше (около 1.0006 на уровне моря и при комнатной температуре). Диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение диэлектрической проницаемости и, следовательно, увеличение емкости.
Палец как проводник.
Любой, кто испытал удар током, знает, что человеческая кожа является проводящей. Выше я упомянул, что прямой провод между пальцем и сенсорной кнопкой, то есть ситуация, в которой палец разряжает конденсатор PCB, не происходит. Однако это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Это на самом деле весьма актуально, потому что палец становится второй проводящей пластиной дополнительного конденсатора:
Для практических целей мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем (давайте назовем его крышкой пальца), параллелен существующему конденсатору на печатной плате. Эта ситуация немного сложна, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не подключен к заземляющему узлу печатной платы, и, таким образом, два конденсатора не «параллельны» в типичном смысле анализа цепи.
Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле как о том, что оно создает виртуальную почву, потому что оно обладает относительно большой способностью поглощать электрический заряд. В любом случае нам не нужно беспокоиться о точных электрических отношениях между крышкой пальца и крышкой печатной платы; Важным моментом является то, что псевдопараллельная конфигурация двух конденсаторов означает, что палец увеличит общую емкость, потому что конденсаторы добавляются параллельно.
Таким образом, мы видим, что оба механизма, регулирующие взаимодействие между пальцем и емкостным сенсорным датчиком, способствуют увеличению емкости.
Близость против контакта
Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостного «сенсорного» зондирования: измеримое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близостью между пальцем и датчиком. Обычно я воспринимаю сенсорное устройство как замену механического переключателя или кнопки, но емкостная сенсорная технология фактически вводит новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.
Оба описанных выше механизма изменения емкости производят эффекты, пропорциональные расстоянию. Для механизма на основе диэлектрической проницаемости количество мясистого диэлектрика, взаимодействующего с электрическим полем конденсатора, увеличивается, когда палец приближается к проводящим частям конденсатора на печатной плате. Для механизма, основанного на проводимости, емкость крышки пальца (как и любой крышки) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.
Имейте в виду, однако, что это не метод измерения абсолютного расстояния между датчиком и пальцем; емкостное зондирование не предоставляет данные, которые необходимы для точного расчета абсолютного расстояния. Я предполагаю, что было бы возможно откалибровать емкостную сенсорную систему для грубых измерений расстояния, но поскольку емкостная сенсорная схема предназначена для обнаружения изменений в емкости, из этого следует, что эта технология особенно подходит для обнаружения изменений в расстоянии, то есть когда палец движется ближе или дальше от датчика.
Заключение
Теперь у вас должна быть прочная концептуальная основа, на которой можно построить растущее здание, обладающее знаниями о емкостном прикосновении. Мы начнем конструирование в следующей статье с рассмотрения методов реализации, которые помогут вам перейти от теории к практике.