Rys. 1. W narożnikach ekranu w technologii surface capacitance umieszczone są elektrody
Do budowy interfejsów użytkownika używane są czujniki pojemnościowe w technologii surface capacitance lub projected capacitance. Te pierwsze zbudowane są ze szklanego podłoża pokrytego warstwą materiału przewodzącego, na który nakładana jest warstwa ochronna wykonana z nieprzewodzącego materiału (akrylu, szkła). W rogach umieszczone są elektrody (rys. 1).
Po przyłożeniu do nich napięcia generowane jest jednorodne pole elektryczne. Gdy człowiek dotyka powierzchni sensora, tworzy się kondensator. Jedną z jego okładek stanowi warstwa przewodząca na szkle, a drugą palec dotykającego. Współrzędne wskazanego miejsca są obliczane na podstawie różnicy pojemności zmierzonych w rogach czujnika.
Zaletami tej konstrukcji są: łatwość realizacji oraz niskie koszty. Niestety sensory takie wymagają specjalnej procedury dostrajania na etapie produkcji, a podczas ich użytkowania mogą występować błędne odczyty. Najczęściej w tej technologii budowane są czujniki o dużych rozmiarach, natomiast trudno jest w ten sposób zrealizować interfejsy wielodotykowe.
Alternatywa
Czujniki w technologii projected capacitance występują w dwóch odmianach. W pierwszej sensor zbudowany jest z dwóch podłoży szklanych. Na każdym z nich rzędami naniesione są elektrody. Podłoża są umieszczone jedno na drugim (rys. 2a) w taki sposób, by ich elektrody tworzyły siatkę jak na rysunku 2b.
Rys. 2a. Panel dotykowy w technologii projected capacitance |
Rys. 2b. Elektrody na obu podłożach tworzą wzór siatki |
Rys. 2c. Gdy palec dotyka powierzchni czujnika, zmniejsza się pojemność wzajemna sąsiadujących elektrod |
Gdy palec dotyka powierzchni czujnika, zmniejsza się pojemność wzajemna sąsiadujących elektrod (rys. 2c). Zmiana ta jest wykrywana w mikrokontrolerze, który wyznacza współrzędne dotkniętego miejsca. Dzięki temu, że pojemność wzajemna wszystkich sąsiadujących ze sobą elektrod jest monitorowana niezależnie, łatwo można zbudować interfejs wielodotykowy. W tej technologii najczęściej są też wykonywane czujniki o małych rozmiarach.
Czujniki drugiego typu składają się z elektrod otoczonych masą PCB (rys. 3a). Kiedy człowiek dotyka powierzchni sensora, jego pojemność CP (rys. 3b) wzrasta o pojemność palca CF (rys. 3c). Wówczas pojemność czujnika CX jest równa zastępczej pojemności równoległego połączenia kondensatorów CP oraz CF (CX = CP + CF).
Jeżeli przekroczy ona określoną wartość progową, dotknięcie jest wykrywane w kontrolerze interfejsu. W dalszej części artykułu przedstawiamy wskazówki projektowe głównie dla czujników tego rodzaju.
Pomiar pojemności
Tradycyjne metody wyznaczania pojemności, tzn. pomiar czasu ładowania kondensatora stałym prądem lub przez znaną rezystancję albo pomiar częstotliwości rezonansowej obwodu LC, nie sprawdzają się w wypadku interfejsów pojemnościowych. Zmiana pojemności sensora w wyniku jego dotknięcia jest bowiem rzędu zaledwie dziesiętnych części pF. Utrudnia to realizację układu pomiarowego. Ponadto jego dokładność w przypadku wymienionych metod w tym zakresie pojemności i tak byłaby bardzo mała.
Rys. 3a. Czujnik składa się z elektrod otoczonych masą PCB |
Rys. 3b. Pojemność czujnika CP (niedotkniętego) |
Rys. 3c. Pojemność czujnika dotkniętego jest równa zastępczej pojemności równoległego połączenia kondensatorów CP i CF |
Dlatego zwykle w tym zastosowaniu wykorzystywany jest układ pomiarowy, w którym mierzona pojemność czujnika jest wyrażana wartością cyfrową. Schemat blokowy przykładowej realizacji takiego obwodu przedstawiono na rysunku 4a. Jego zasadniczym komponentem jest układ przełączanej pojemności, który odpowiada rezystorowi o rezystancji R = 1 / fS · CX, gdzie fS to częstotliwość przełączania tego obwodu (rys. 4b).
Prąd płynący przez ten rezystor jest w modulatorze sigma-delta przekształcany w ciąg impulsów. Kiedy palec dotyka sensora, jego pojemność rośnie, a zastępcza rezystancja maleje. To z kolei powoduje wzrost natężenia prądu i zwiększenie liczby impulsów. Częścią tego obwodu jest też kondensator Cmod, który jest ładowany przez źródło prądowe i rozładowywany przez rezystor zastępczy.
Do pomiaru prądu jest używany komparator. Ciąg bitów na jego wyjściu jest doprowadzany do licznika, którego wartość odpowiada pojemności CX. Czas, w którym licznik zlicza bity (tzw. czas skanowania), jest określony i stały. Od niego zależy szybkość reakcji interfejsu.
Wskazówki projektowe
Wszystkie zalety interfejsów z czujnikami pojemnościowymi wymienione we wstępie tracą na znaczeniu, jeżeli wskazania użytkownika są interpretowane za wolno, błędnie lub w ogóle brak jest reakcji na dotyk. Wówczas korzystanie z urządzenia staje się niewygodne, a czasem nawet niemożliwe.
Rys. 4a. Układ do pomiaru pojemności Zasada działania: Kondensator CMOD jest ładowany ze źródła prądowego do momentu, gdy napięcie na tym elemencie przekroczy UREF, co spowoduje przełączenie wyjścia komparatora w stan wysoki. Wówczas źródło prądowe jest odłączane, a CMOD rozładowuje się przez rezystancję zastępczą do momentu, aż wartość napięcia na tym elemencie spadnie poniżej UREF. Wyjście komparatora jest wtedy przełączane w stan niski, w którym pozostaje do momentu, aż kondensator CMOD ponownie naładuje się do wartości napięcia UREF. Kiedy palec dotyka powierzchni sensora, wartość pojemności CX wzrasta, natomiast wartość rezystancji zastępczej maleje. W rezultacie kondensator CMOD rozładowuje się wówczas szybciej, a wyjście komparatora krócej pozostaje w stanie wysokim. W ustalonym czasie skanowania licznik zliczy wówczas więcej impulsów. |
Rys. 4b. Przełączana pojemność zastępuje rezystor o rezystancji 1/fS·CX |
By temu zapobiec, należy przestrzegać kilku zasad. Dzięki nim czujnik będzie generował odpowiednio silny sygnał pomiarowy, który zostanie bezbłędnie w kontrolerze odróżniony od sygnału szumów.
Równocześnie spełnione będą także wymagania kompatybilności elektromagnetycznej. Przykładowo, mimo że kreatywność przy wyborze kształtu oraz rozmiaru sensorów może zwiększyć atrakcyjność wizualną urządzenia, całkowita dowolność w tym zakresie nie jest zalecana.
Projektowanie przycisków
Rys. 5. Wybór kształtu sensora dotykowego nie jest wyłącznie kwestią estetyki. Możliwe rozwiązania to: a) przycisk okrągły, b) przycisk z otworem na diodę w środku c) przycisk z zaokrąglonymi rogami, d) przycisk, którego brzegi tworzą kąty mniejsze niż 90°, e) struktura grzebieniowa
Najpopularniejsze są przyciski okrągłe lub kwadratowe. Szczególnie polecane są zwłaszcza te pierwsze, ponieważ unikać należy ostrych rogów. Ze względu na ich większą czułość charakterystyka przetwarzania sensora nie będzie bowiem liniowa. Z tego powodu aby ograniczyć emisję zaburzeń elektromagnetycznych, narożniki takie należy zaokrąglać. Na rysunku 5 przedstawiono przykłady zalecanych i niepolecanych kształtów przycisków.
Aby uzyskać jak największy stosunek sygnału do szumu, pojemność CF powinna mieć możliwie największą wartość. Wpływ ma na to pole powierzchni sensora. Im jest ono większe, tym większa jest wartość CF.
Pamiętać przy tym należy, że zwiększenie tego pierwszego powyżej pola powierzchni palca przeciętnego człowieka nie przyniesie żadnego efektu. Ponadto ponieważ wpływ na CF ma także m.in. grubość warstwy ochronnej oraz użyte materiały, jej wartość mieści się z reguły w zakresie od 0,1 pF do 1 pF. Zależność między pojemnością CF a średnicą przycisku oraz grubością warstwy ochronnej przedstawiono na rysunku 6.
Slidery
Rys. 6. Zależność między pojemnością Cf a średnicą przycisku oraz grubością warstwy ochronnej
Często wykorzystywanym typem przycisków są również slidery liniowe (rys. 7). Przykładem ich zastosowania jest regulacja głośności lub jasności wyświetlacza. W praktyce taki przycisk stanowi zestaw wielu, niezależnych sensorów umieszczonych w swoim bezpośrednim sąsiedztwie.
Gdy użytkownik dotyka jednego z czujników, jednocześnie aktywowane są również sensory po obu jego stronach. Za aktualną pozycję slidera uznawany jest wówczas środkowy spośród wszystkich wybranych przycisków. Aby można było zrealizować odczyt wskazania użytkownika w ten sposób, sąsiednie czujniki powinny być odpowiednio wąskie.
Dlatego aby uzyskać wymaganą długość slidera, trzeba wykorzystać znaczną liczbę pojedynczych czujników. Sposobem na jej zmniejszenie jest ułożenie sensorów we wzór jak na rysunku 7b. Zaletą tego rozwiązania jest możliwość wykorzystania większych segmentów, a jednocześnie dotknięcie jednego z nich nadal będzie aktywować dwa sąsiednie.
Podobną funkcję spełniają slidery koliste. Najważniejszą różnicą między przyciskami obu tych typów oprócz kształtu jest konieczność implementacji innego algorytmu obliczeniowego w kontrolerze slidera okrągłego. Wynika to stąd, że w tych przyciskach nie jest wyróżniony punkt początkowy ani końcowy.
Czujniki zbliżeniowe
Rys. 7. Slidery są wykorzystywane przykładowo do regulacji jasności lub głośności
Czujniki pojemnościowe są również używane do budowy sensorów zbliżeniowych. Przykładem ich zastosowania jest podświetlanie przycisków interfejsu w momencie, gdy użytkownik zbliży dłoń do urządzenia. Aby oszczędzić energię w urządzeniach zasilanych bateryjnie, takie rozwiązanie można też wykorzystywać do aktywacji czujników, całkowicie wyłączanych przy braku aktywności użytkowników.
Innym przykładem jest blokowanie przycisków klawiatury telefonu podczas rozmowy, gdy słuchawka przykładana jest do ucha. Pozwala to uniknąć ich przypadkowego wybrania. Przyciski są w takim wypadku odblokowywane, gdy tylko telefon znajdzie się w odpowiedniej odległości od twarzy.
W wypadku czujników zbliżeniowych bezpośredni kontakt między palcem a powierzchnią sensora nie jest wymagany, ponieważ charakteryzuje je znacznie większa czułość niż przyciski dotykowe. Przykład realizacji takiego czujnika z wykorzystaniem ścieżki PCB poprowadzonej wokół przycisków interfejsu przedstawiono na rysunku 8a.
Aby uzyskać większy zasięg detekcji ruchu, pole powierzchni pętli tworzonej przez ścieżkę powinno być jak największe. Równocześnie im ścieżka jest dłuższa, tym większa jest pojemność CP sensora. W rezultacie wymagany jest dłuższy czas skanowania, co z kolei zwiększa pobór mocy i wydłuża czas reakcji. Aby zmniejszyć CP można wykorzystać elektrodę ekranującą jak na rysunku 8b.
Projektowanie PCB
Rys. 8. Czujniki zbliżeniowe
Projektując PCB, należy dopilnować, aby równolegle do ścieżek sensorów nie były prowadzone ścieżki sygnałowe. Zaburzenia emitowane przez te ostatnie będą bowiem zakłócać sygnał pomiarowy z czujników. Można tego uniknąć na kilka sposobów.
W wypadku płytek wielowarstwowych na jednej z warstw można rozmieścić wyłącznie ścieżki sensorów, a na pozostałych poprowadzić inne. Dobrze, jeżeli warstwy te będą oddzielone płaszczyzną masy albo zasilania. Takie rozplanowanie będzie łatwiejsze, jeżeli komponenty zostaną pogrupowane w taki sposób, aby czujniki były podłączone do zacisków po przeciwnej stronie mikrokontrolera, niż inne elementy (na przykład sygnalizacyjne diody LED).
Wówczas uzyska się też odpowiednio duże odległości między torami sygnałowymi czujników a pozostałymi. Jeżeli nie można ani wykorzystać PCB o liczbie warstw większej niż dwie, ani pogrupować komponentów obwodu, należy ekranować ścieżki czujników ścieżkami masy. W ostateczności można również poprowadzić ścieżki sygnałowe prostopadle do tych z sygnałem pomiarowym.
Masa
Rys. 9. Wartość progowa sygnału wyjściowego układu pomiarowego powinna wynosić co najmniej 65% - 80% sygnału generowanego podczas dotknięcia czujnika w kontrolowanych warunkach
Kilka zasad projektowych dotyczy również realizacji płaszczyzny masy. Pamiętać należy o tym, że zwiększa ona pojemność CP sensora, co nie jest pożądane. Można ten wpływ zmniejszyć, wykonując masę w formie siatki. Efektem ubocznym takiego rozwiązania jest mniejsza skuteczność ekranowania.
Ważną kwestią jest również odległość przycisk-masa. Przyjmuje się, że w wypadku zastosowania akrylowej warstwy ochronnej odstęp ten powinien być równy grubości tej powłoki, mieszcząc się równocześnie w przedziale od 0,5 do 2 mm. Dopilnować należy również, aby masa wokół sensora była połączona z masą mikrokontrolera. Dzięki temu unika się powstania pętli prądowych, które negatywnie wpływają na kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia.
Parametry pracy
Rys. 10. Procedura wyznaczania kluczowych parametrów
To, czy projektowany interfejs będzie działał szybko, poprawnie oraz niezawodnie w różnych warunkach otoczenia, zależy przede wszystkim od doboru trzech parametrów: stosunku sygnału do szumu, czasu skanowania oraz wartości progowej zmiany pojemności, przekroczenie której jest uznawane za potwierdzenie dotknięcia czujnika.
Przy określaniu optymalnej wartości SNR za sygnał uznać należy sygnał wyjściowy układu pomiarowego w momencie dotknięcia sensora. Szum to z kolei wartość zmian sygnału wyjściowego układu pomiarowego, które występują samoistnie. Przyjmuje się, że minimalna zalecana wartość SNR powinna wynosić 5:1. Z kolei im krótszy jest czas skanowania, tym mniejszy SNR.
Niestety, jeżeli będzie on zbyt długi, wydłuży się czas reakcji interfejsu na dotyk, wzrośnie także pobór mocy. Wartość progowa zmiany pojemności powinna natomiast mieścić się w przedziale od 65-80% wartości zmierzonej w czasie dotknięcia czujnika podczas testów (rys. 9).
Kolejne etapy wyznaczania opisanych parametrów przedstawiono na schemacie blokowym na rysunku 10. Wynika z niego, że jest to proces czasochłonny i pracochłonny, którego kolejne kroki trzeba wielokrotnie powtarzać, zwłaszcza gdy wprowadzane są jakiekolwiek zmiany, przykładowo w projekcie PCB.
Dostrajanie
Ponadto w czasie produkcji oraz eksploatacji różne czynniki mogą powodować, że zmieni się m.in. pojemność sensora. W rezultacie parametry określone na etapie projektu w gotowym produkcie nie będą już optymalne. Największy wpływ na to wywierają: zmiana typu lub producenta laminatu PCB, zmiany w procesie produkcyjnym, zmiana grubości warstwy ochronnej lub typu materiału, z jakiego ją wykonano oraz warunki otoczenia, głównie wahania temperatury oraz wilgotności.
Dlatego dobrze, jeżeli układ nadzorujący pracę interfejsu potrafi w miarę potrzeby skorygować kluczowe parametry w czasie jego użytkowania, tak by skompensować wpływ wymienionych czynników. Przykładowo po włączeniu zasilania częstotliwość przełączania w układzie z rysunku 4a powinna być dostosowana do aktualnej pojemności sensora - jeżeli ta ostatnia wzrosła, parametr ten należy zmniejszyć.
Z kolei w czasie pracy regulacji wymagają zwykle: czas skanowania oraz wartość progowa pojemności. Tę ostatnią należy stale aktualizować w zależności od szumów otoczenia, które są czynnikiem zmiennym oraz całkowicie nieprzewidywalnym.
Monika Jaworowska
