Detecţie prin deformare – detecţie tactilă capacitivă cu panouri frontale metalice

1 FEBRUARIE 2012

de Darren Wenn, Microchip Technology

Interfeţele de ecrane tactile şi panourile tactile şi-au câştigat rapid o poziţie importantă în alegerea de medii de intrare pentru o varietate largă de aplicaţii, conducând la o extindere largă prin succesul produselor portabile precum iPhone şi iPad de la Apple. Interfeţele tactile au o lungă istorie înainte de larga răspândire în spaţiul electronicii casnice; de-a lungul anilor au fost utilizate o mare varietate de tehnologii de detecţie şi multă ingeniozitate. Creșterea explozivă de astăzi a numărului de produse bazate pe comenzi tactile a condus la ierarhizări făcute de analişti sau chiar de utilizatori, stabilindu-se superioritatea tehnologiilor capacitive faţă de cele rezistive.
Detecţia tactilă capacitivă are multe avantaje: consum energetic redus, costuri mici, simplitate de implementare, siguranţă în funcţionare din punct de vedere mecanic şi permite designerilor de produs un mare grad de libertate cu privire la formele şi poziţionarea butoanelor, cursoarelor şi a altor formate de control ce au devenit prezente peste tot. De fapt există foarte multe abordări cu privire la detecţia tactilă, abordări ce pot fi alese de proiectanţi, toate diferind prin detaliile tehnice implicate, dar fiind suficient de diferite pentru ca producătorii respectivi să revendice drepturi de proprietate asupra lor.
În toate cazurile, însă, natura efectului de câmp a detecţiei tactile impune unele limitări, indiferent de detaliile de implementare. Sistemele tactile capacitive standard nu operează în mod normal prin metal; iar tehnica necesită software special – de fapt procesarea semnalului de la senzor – pentru a menţine operarea în medii cu zgomot radiat şi/sau propagat. Există un punct de trecere dincolo de banalitate, dincolo de un gadget interesant, în care problema interfeţei tactile afectează un sistem de control critic industrial sau medical. O altă limitare a tehnologiei capacitive o constituie abilitatea limitată de a detecta corect atingerea în prezenţa apei sau a altor contaminanţi, sau dacă sunt purtate mănuşi (în special din cele de protecţie); dacă localizarea unui buton este delimitată doar grafic, apar probleme pentru utilizatorii cu probleme de vedere care se pot descurca în Braille.

Figura 1A

Figura 1B

Figura 1C

Detectarea deformării panoului
Aceste limitări au fost depăşite prin dezvoltarea unei noi tehnici ce adaptează tehnicile cu circuit de detecţie cunoscut cu o construcţie fizică simplă, fără a compromite consumul energetic sau simplitatea proiectului. Cu abordarea Metal Over Cap (metal peste condensator), toate circuitele sunt mascate în siguranţă după un panou – uzual panoul frontal al produsului însuşi – păstrând în continuare sensibilitatea la atingere şi imunitatea la detecţii false.
Într-un sistem tradiţional capacitiv, utilizatorul schimbă valoarea capacităţii prin plasarea degetului în apropierea senzorului. Degetul său devine parte a condensatorului de detecţie, fie ca a doua armătură a condensatorului, fie schimbând proprietăţile dielectricului din jurul unui dispozitiv cu două armături. Schimbarea valorii este detectată printr-o varietate de circuite: de exemplu, o metodă elementară este cea în care condensatorul de detecţie stabileşte frecvenţa unui oscilator, iar capacitatea modificată schimbă frecvenţa cu o valoare măsurabilă.
Faţă de aranjamentul în care se utilizează atingerea de deget direct ca armătură a condensatorului, sistemul tactil Metal Over Cap utilizează o ţintă conductivă, suspendată peste un senzor tactil capacitiv, pentru a forma a doua armătură a condensatorului. Atunci când utilizatorul aplică o presiune pe ţintă (panou), deformaţia rezultată face ca ţinta să se deplaseze mai aproape de senzorul capacitiv. Un design practic necesită o schimbare a spaţiului dintre armături, deoarece capacitatea variază invers cu distanţa dintre armături – cu 6% sau mai mult.
Modificarea capacităţii este apoi măsurată cu ajutorul unui microcontroler. Figura 1A arată construcţia de bază a unui senzor tactil capacitiv Metal Over Cap tipic, iar Figura 1B prezintă deformarea ca urmare a presiunii exercitate de utilizator.
Figura 1C prezintă o configuraţie alternativă, care implică o ţintă metalică lipită pe spatele unui strat din plastic. Ţinta în această configuraţie poate fi o folie subţire metalică lipită pe spatele unu strat din plastic, sau un înveliş metalic pe un strat din plastic. În vreme ce ţinta metalică îndeplineşte aceeaşi funcţie electrică precum sistemul cu bandă, caracteristica fizică a plasticului va determina devierea mecanică, reacţie la apăsarea utilizatorului.
Designul unui dispozitiv de succes Metal Over Cap şi selectarea unor materiale şi dimensiuni potrivite, implică un echilibru între un număr de factori. Materialul din care este construit panoul trebuie să fie subţire şi suficient de flexibil pentru a se deforma printr-o atingere sau apăsare uşoară; configuraţia este sensibilă la deformări fizice mici, iar această cerinţă este îndeplinită prompt. Materialul trebuie să fie elastic şi trebuie să se deformeze numai în limita sa elastică, până la aplicarea presiunii maxime anticipate, astfel încât să revină la condiţia “plat” după ce presiunea a fost eliminată. Alte consideraţii includ dimensiunea butoanelor (sau alte obiecte de control) şi separarea dintre ele, sistemul de adeziv utilizat pentru lipirea distanţierului şi a stratului ţintă pe PCB, grosimea stratului de spaţiere. Distanţa dintre butoane este importantă pentru a minimiza mişcarea pe senzorul adiacent celui selectat.
Dimensiunea butonului, stratul şi separarea sunt importante pentru a minimiza curbarea panoului peste senzorii adiacenţi celui selectat, ţinând cont că în aplicaţiile în care mâinile pot fi cu mănuşi, atingerea poate să nu fie mereu centrată pe ţintă. Factorii care afectează modul în care butoanele interacţionează includ elasticitatea materialului ţintei şi nivelul de aderenţă al adezivului utilizat pentru lipirea ţintei pe distanţier. Dacă ţinta este prea rigidă, iar adezivul este elastic, atunci o forţă aplicată butonului A va cauza ridicarea ţintei peste senzorul B. O constrângere practică pentru proiectul de panou este aceea că spaţiul dintre butoane trebuie să fie cel puţin o treime până la o jumătate din diametrul butoanelor, şi datorită gamelor largi de materiale utilizabile pentru panouri şi distanţiere, proiectanţii trebuie să colaboreze apropiat cu producătorii de adezivi pentru a selecta adezivul potrivit.
Designul stratului de spaţiere trebuie luat în consideraţie; proiectantul încearcă să obţină flexiunea stratului ţintă sau a panoului, evitând orice mişcare a PCB-ului purtător al armăturilor fixe ale condensatoarelor. După cum trebuie să menţină spaţiul gol, stratul de distanţare trebuie să fie rigid; materialul PCB (FR4), sau alte pelicule de materiale plastice nedeformabile pot îndeplini această sarcină.

Design electric
Detectarea modificării capacităţii poate implica un număr de tehnici similare cu cele utilizate în cazul altor arhitecturi cu senzori tactili capacitivi.
Microchip oferă două sisteme, ambele funcţionând bine cu o construcţie Metal Over Cap. Într-o abordare de divizor de tensiune capacitiv CVD (Capacitive Voltage Divider), capacitatea senzorului este conectată în paralel cu un condensator sample-and-hold al unui convertor analog/digital (ADC); schimbarea dintre capacitatea cu şi fără atingere apare ca o diferenţă de tensiune la intrarea convertorului ADC şi este convertită într-o valoare digitală. Tehnica măsurării timpului de încărcare CTMU (Charge Time Measurement Unit) utilizează o sursă de curent constant şi măsoară capacitatea prin curba sa de încărcare/descărcare. În ambele cazuri, este disponibil software pentru integrare în programul pentru microcontroler.
Ambele tehnici de detecţie oferă o variaţie de 60-100 valori într-un rezultat pe 12-14 biţi, pentru o schimbare a capacităţii de 6%. Acest lucru este suficient pentru a determina detectarea bine discriminată a atingerii, necesară în proiectarea sistemului pentru a reduce zgomotul mecanic şi electric. Legarea la masă pentru AC şi DC a stratului ţintă, ecranarea PCB-ului de detecţie, rutarea cu grijă a conexiunilor, şi o bună practică în selectarea condensatoarelor de bypass, vor conduce la un design robust.

Concluzie
Utilizarea împreună a unui strat deformabil panou/strat ţintă şi a unui detector tactil capacitiv simplu şi cu consum energetic scăzut creează o combinaţie puternică: provocarea asociată cu prezenţa apei şi zgomotului este eliminată, efectul de declanşare-proximitate este înlocuit cu acţionarea în acord cu specificaţiile exacte ale proiectantului, iar sistemul reţine operarea de joasă putere a dispozitivelor tactile capacitive.

www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre