Yks' pyöräilijä

Eli opetus≫

Kapasitiivisen kosketusnäytön fysiikka

| 0 comments

Kosketusnäyttö voidaan rakentaa monella eri teknologialla, esim. resistiivisellä, akustisilla äänillä, ir-verkolla, optisella kuvantamisella, akustisen pulssin tunnistuksella.

 

Nyt tsekatan iPad-tabletin kosketusnäytön toimintaa. Näyttö on kapasitiivinen, eli perustuu kondensaattoriin. Yksinkertaisimmillaan, jos kondensaattorin sisään laitetaan eristettä, niin sen sähkökenttä muuttuu.

kapasitiivinen_eriste

Eristeen suhteelliseksi permittiivisyydeksi $\epsilon_r$ sanotaan suhdetta

$\epsilon_r = \frac{ \vec E_{\text u} }{  \vec E_{\text e }}$.

Selvästi eriste muuttaa sähkökenttää, sillä ne lasketaan yhteen (kuten aallotkin). Nyt, jos kondensaattorin sisään laitetaan jokin eriste, esim sormi (tai makkara), sähkökenttä muuttuu, ja systeemi voi päätellä, että missä tapahtuu. Kondensaattorin levyjen ei tarvitse olla suoria, eikä kohtisuorassa toisiinsa nähden. Kosketusnäyttösuunnittelijoiden eräs ongelma on kehittää kondensaattoririvistö, jossa kenttä tulee lasille saakka, jotta siihen voi tökätä, ja elektronit (varauksenkuljettajat) huomaavat sen. Lisäksi pitää saada kuva näkyviin. Ylemmässä kuvassa reunimmaisena olevat kenttäviivat ovat oleellisempia. Se on aika helppo toteuttaa kääntämällä kondensaattorin levyjä alla olevan kuvan mukaisesti.

kapasitiivinen_nayttokonkkaAlapuolista kenttää ei ole piirretty näkyviin. Nyt vihreä eristemateriaali vaikuttaa kondensaattorin negatiivisen kohtioon tulevaan kenttään eli kondensaattorin kapasitanssi muuttuu, jolloin voidaan huomata, että kosketusnäyttöön on koskettu.

Levyjen väliin pitänee laittaa eristemateriaalia, ja oikeassa elämässä rakenne on hieman erilainen. Joitain kapasiitivisia kosketusnäyttötekniikoita ovat

  • Pintakapasitiiviset. Pintakapasiivisessa on johtava kerros lasin toisella puolella. Se tekee sähkökentän, jota sormella häiritään. Pintakapasitiivinen on melko huono ja epätarkka.
  • Projisoitukapasiiviset
    • Yhteiskapasitiiviset(?) mutual capacitance (jokaisessa risteyksessä kondensaattori)
    • Itseiskapasitiivinen. Mitataan jokaisen elektrodin virtaa maahan nähden. Haamupisteet ovat ongelmia. Tässä implementaatiossa elektroniikka skannaa jokaisen elektrodin läpi kulkevaa virtaa koko ajan. Kun kondensaattori maatetaan sormella (eristeellä), virta kasvaa.

Tsekataan yhteiskapasitiivisen kosketusnäytön fysiikkaa tarkemmin. Yhteiskapasitiivinen tarkoittaa tilannetta, jossa kapasitanssi ilmenee kahden johteen välisessä alueessa.

Sen rakentamiseen tarvitaan edellisen kuvan aineet ja lisäksi muutama muu kerros:

  • pinta, johon kosketaan. Yleensä lasia,
  • yleensä adheesinen (eristävä) kerros
  • johdekerros, usein ITOa eli indium-tinaoksidia
  • eristekerros $\epsilon_r$, yleensä lasia
  • johdekerros, kuten yllä (kohinan poistoon?).

Kaikkien kerroksien pitää olla läpinäkyviä.

kapasitiivinen_kerrokset

Eri kerrokset voidaan moderneilla menetelmillä tehdä hyvinkin ohuiksi, esim. ns. yhden kerroksen menetelmällä sputteroimalla voidaan kaikki neljä oleellista kerrosta laittaa samaan materiaaliin. Adheesio- ja alimman johdekerroksen tarpeellisuudesta on montaa eri juttua.

Suojalasin dielektrinen vakio $\epsilon_r$ määrää paljolti näytön herkkyyden. Lasien paksuudet vaihtelevat 0.55 mm:stä(?) kolmeen milliin; mitä ohuempi lasi, sitä herkempi näyttö. Myös lasin tarkka materiaali vaikuttaa $\epsilon_r$:ään.

 

Johdekerros eli ITO voidaan etsata eli valmistaa useaan eri malliin. Joidenkin lähteiden mukaan ITO-mallilla ei juuri ole vaikutusta hintaan, eikä mikään niistä taida olla ylivoimainen missään suhteessa.

Ns. IPhone-kuvio on se yksinkertaisin. Siinä on 50 mikronin(?) välein johderivejä molemmin puolin lasia kohtisuoraan toisiaan vasten.

kapasitiivinen_iphone

Nyt, sormeilemalla tätä parista kohtaa, näytön mikroprosessorit pystyvät päättelemään, minkä johdinten leikkauspisteessä kosketus tapahtui.

kapasitiivinen_kosketus

Kosketus pienentää kapasitanssia risteyksessä, ja jos kosketus on tarpeeksi suuri, elektroniikka (mikroprosessori) ilmaisee, että kosketus tapahtui tietyssä pisteessä. Näin estetään esim. vesipisaran aiheuttamat häiriöt.

 

Mikroprosessori huomaa kosketuksen kapasitanssin muutoksena. Esimerkissä $x_1 \cdot y_2=1$ ja $x_3\cdot y_0=1$ ja kaikki muut tulot ovat nollia. Siitä mikroprosessori toteaa, että pisteissä $(x_1, y_2)$ ja $(x_3, y_0)$ tapahtui kosketus.

 

Timanttikuvio on yleisin(?). Siinä on vinot neliöt kytketty kahdesta kulmasta pienillä silloilla. Kuvio on kahdessa eri kerroksessa, toinen toiseen suuntaan — kuten iPhone-kuviossakin. Timanttikuvio on hyvä, koska

  • ITO-kerroksen pitää peittää koko ruutu
  • Ohjelmistokehittäjälle on yksinkertaisinta, että kuvio on $xy$-akseleiden suuntainen
  • Kuviossa pitäisi olla jatkuvuutta koko elektrodin ajan.

Timantin koko vaihtelee 4 millimetristä 8 millimetriin. Eli 4.3-tuumainen 16:9-näyttö sisältää n. 19 vaakariviä ja 11 pystyriviä eli yhteensä 209 elektrodia.

 

kapasitiivinen_timanttipattern

 

Elektroniikka poistaa liian pienet kosketukset, kynän terä ei saa olla liian pieni. Paksuilla hanskoilla yhteiskapasitiivinen näyttö ei toimi. Itseiskapasitiivisen saa toimimaan talvirukkasillakin.

Ohjelmistossa on interpolaatioalgoritmit, jotta ne antavat tarkemman $(x,y)$-koordinaatin kuin kondensaattorin koko on. Esimerkiksi, jos anturit 1, 2 ja 3 havaitsevat signaalit voimakkuudeltaan 3, 10 ja 7, niin sormen keskikohta on

$\frac{ 1\cdot 3+2\cdot10+7\cdot3}{3+10+7}= 2.2$,

ja tämä luku vielä skaalataan näytön resoluutiolla ennen tabletin CPU:lle vientiä.
Käytännössä. sormen aiheuttama kapasitanssi on luokkaa $C=10^{-12}$ F eli  pikofaradeja. Taustakohina on sadasosa, eli kymmniä nanofaradeja $C_\text{tausta}=10^{-8}$ F. Signaali-kohina -suhde on aika hyvä.

 

 

LISÄÄ kuva, jossa näkyy varaukset ja kentän hahmotelma iPhone-gridissä. Varausta pitää tuoda koko ajan virran muodossa lisää, koska sitä katoaa sormen kautta ja muuta kautta pois. KENTTÄ.

 

http://www.embedded.com/design/prototyping-and-development/4008781/Getting-in-touch-with-capacitance-sensor-algorithms

http://www.rtcmagazine.com/articles/view/101589

Leave a Reply

Required fields are marked *.