용량 감지

Capacitive sensing

전기공학에서 정전용량 감지(때로는 정전용량 감지)는 정전용량 결합을 기반으로 전도성이 있거나 공기와 다른 유전체를 가진 모든 것을 감지하고 측정할 수 있는 기술입니다.근접성, 압력, 위치 및 변위, 힘, 습도, 유체 수준 및 가속도를 감지하고 측정하는 센서를 포함하여 많은 유형의 센서가 용량 감지를 사용합니다.커패시티브 감지에 기반한 휴먼 인터페이스 디바이스(터치패드 [1]등)는 컴퓨터 마우스를 대체할 수 있습니다.디지털 오디오 플레이어, 휴대폰 및 태블릿 컴퓨터는 정전식 감지 터치스크린을 입력 [2]장치로 사용할 수 있습니다.정전식 센서는 기계식 버튼을 대체할 수도 있습니다.

정전식 터치스크린은 일반적으로 정전식 터치센서와 적어도 2개의 상보적 금속산화물반도체(CMOS) 집적회로(IC) 칩, 애플리케이션 고유의 집적회로(ASIC) 컨트롤러 및 디지털 신호 프로세서(DSP)로 구성됩니다.커패시티브 센싱은 2007년 [3][4]애플의 아이폰에 의해 대중화된 모바일 멀티터치 디스플레이에 일반적으로 사용됩니다.

설계.

정전식 센서는 구리, 산화인듐(ITO), 인쇄 잉크 등 다양한 매체로 구성됩니다.구리 용량 센서는 표준 FR4 PCB 및 유연한 재료에 구현할 수 있습니다.ITO는 정전식 센서를 최대 90% 투명하게 할 수 있습니다(터치폰 스크린과 같은 1층 솔루션의 경우).용량 센서의 크기와 간격은 모두 센서의 성능에 매우 중요합니다.센서의 크기와 접지 평면에 대한 간격 외에 사용되는 접지 평면의 유형이 매우 중요합니다.센서의 기생 캐패시턴스는 접지에 대한 전기장의 (e-필드) 경로와 관련이 있으므로 전도성 물체가 없는 상태에서 e-필드 라인의 농도를 제한하는 접지 평면을 선택하는 것이 중요합니다.

정전용량 감지 시스템을 설계하려면 먼저 감지 재료 유형(FR4, Flex, ITO 등)을 선택해야 합니다.또, 디바이스가 동작하는 환경(완전 동작 온도 범위, 존재하는 무선 주파수, 유저가 인터페이스와 어떻게 대화하는지도)을 이해할 필요가 있습니다.

에는 정전 용량 감지 시스템의 두 종류:개체가(손가락, 전도성의 바늘)은 순차적으로 스캔 된다 행과 칼럼 전극 사이의 상호 연결을 바꾸어 놓으며 상호 capacitance,[5]가 개체(손가락 같은)는 하중이 감지기 또는 땅에 기생 용량이 증가하며 또는 완전한 상당한[6]용량이 있다..두 경우 모두 앞의 절대 위치와 현재의 절대 위치의 차이는 그 시간 동안 물체 또는 손가락의 상대적인 움직임을 일으킨다.이 테크놀로지에 대해서는, 다음의 항에서 자세하게 설명합니다.

표면 캐패시턴스

이 기본 기술에서는 절연체의 한쪽 면만 전도성 재료로 코팅됩니다.이 층에 소량의 전압이 인가되어 정전장이 [7]균일해집니다.사람의 손가락과 같은 도체가 코팅되지 않은 표면에 닿으면 캐패시터가 동적으로 형성됩니다.표면의 시트 저항 때문에 각 모서리는 다른 유효 캐패시턴스를 갖는 것으로 측정됩니다.센서의 컨트롤러는 패널의 네 모서리에서 측정된 캐패시턴스의 변화로부터 터치 위치를 간접적으로 확인할 수 있습니다. 즉, 커패시턴스의 변화가 클수록 터치 위치가 해당 모서리에 가까워집니다.움직이는 부품이 없기 때문에 내구성은 중간 정도이지만 분해능이 낮고, 기생 커패시티브 커플링에서 잘못된 신호가 발생하기 쉬우며, 제조 시 보정이 필요합니다.따라서 산업용 제어 및 인터랙티브 키오스크와 [8]같은 간단한 애플리케이션에서 가장 많이 사용됩니다.

예측 캐패시턴스

투사형 터치스크린 스키마

Projected Capacitive Touch(PCT; 투영 정전식 터치) 기술은 도전층을 식각함으로써 보다 정확하고 유연한 작동을 가능하게 하는 정전식 기술입니다.X-Y 그리드는 전극의 그리드 패턴을 형성하기 위해 한 층을 식각하거나 수직선 또는 트랙에 의해 두 개의 독립된 도전성 재료 층을 식각하여 그리드를 형성함으로써 형성된다.이는 다수의 액정표시장치(LCD)[9]에서 발견되는 픽셀 그리드에 필적한다.

PCT의 해상도가 높아져 직접 접촉하지 않고 조작할 수 있기 때문에 도체층이 한층 더 보호 절연층으로 코팅되어 스크린 프로텍터 아래에서도, 악천후나 파손 방지 유리 안에서도 동작할 수 있습니다.PCT의 최상층은 유리로 되어 있기 때문에 PCT는 저항성 터치 테크놀로지에 비해 견고한 솔루션입니다.구현에 따라 손가락 대신 또는 손가락 이외에 능동형 또는 수동형 스타일러스를 사용할 수 있습니다.이는 시그니처 캡처를 필요로 하는 POS 디바이스에서 흔히 볼 수 있습니다.구현 및 게인 설정에 따라 장갑 낀 손가락이 감지되지 않을 수 있습니다.패널 표면에 전도성 얼룩이나 유사한 간섭이 있으면 성능이 저하될 수 있습니다.이러한 전도성 얼룩은 특히 습도가 높은 환경에서 주로 끈적끈적하거나 땀이 많이 나는 손가락 끝에서 발생합니다.손가락 끝의 습기로 인해 화면에 달라붙는 먼지도 문제가 될 수 있습니다.

PCT에는 자기 캐패시턴스와 상호 캐패시턴스의 두 가지 유형이 있습니다.

상호 정전식 센서는 각 행과 각 열의 각 교차점에 캐패시터가 있습니다.예를 들어 12x16 어레이에는 192개의 독립된 캐패시터가 있습니다.행 또는 열에 전압이 인가됩니다.손가락이나 전도성 스타일러스를 센서 표면 근처에 가져가면 국소 전계가 변화하여 상호 정전용량이 감소합니다.그리드의 모든 개별 지점에서 캐패시턴스 변화를 측정하여 다른 축의 전압을 측정하여 터치 위치를 정확하게 결정할 수 있습니다.상호 캐패시턴스를 통해 여러 손가락, 손바닥 또는 스타일리를 [10]동시에 정확하게 추적할 수 있는 멀티터치 조작이 가능합니다.

자체 캐패시턴스 센서는 상호 캐패시턴스 센서와 동일한 X-Y 그리드를 가질 수 있지만 열과 행은 독립적으로 작동합니다.자가 정전 용량에서는 전류가 각 열 또는 행에 있는 손가락의 정전 용량 부하를 감지합니다.이로 인해 상호 캐패시턴스 감지보다 더 강한 신호가 생성되지만 두 개 이상의 손가락을 정확하게 해결할 수 없어 "고스트" 또는 잘못된 위치 [11]감지가 발생합니다.

회로 설계

캐패시턴스는 일반적으로 발진기의 주파수를 제어하거나 AC 신호의 커플링(또는 감쇠) 레벨을 변경하는 데 사용하여 간접적으로 측정됩니다.

단순한 캐패시턴스 미터의 설계는 종종 이완 발진기를 기반으로 합니다.감지되는 캐패시턴스는 발진기의 RC 회로 또는 LC 회로의 일부를 구성합니다.기본적으로 이 기술은 알 수 없는 캐패시턴스를 알려진 전류로 충전하는 방식으로 작동합니다(캐패시터의 상태 방정식은 i = C dv/dt).즉, 캐패시턴스는 전류를 캐패시터 전체의 전압 변화율로 나눈 값입니다.)캐패시턴스는 (완화 발진기의) 임계값 전압에 도달하는 데 필요한 충전 시간을 측정하거나, 발진기의 주파수를 측정하여 계산할 수 있습니다.둘 다 발진기 회로의 RC(또는 LC) 시간 상수에 비례합니다.

캐패시턴스 측정의 주요 오류 원인은 부유 캐패시턴스이며, 이를 방지하지 않으면 약 10pF에서 10nF 사이에서 변동할 수 있습니다.부유 캐패시턴스는 (고임피던스) 캐패시턴스 신호를 차폐한 다음 차폐를 (저임피던스) 접지 기준에 연결함으로써 비교적 일정하게 유지할 수 있습니다.또한 부유 캐패시턴스의 불필요한 영향을 최소화하기 위해 센서 전극에 가능한 한 가까운 위치에 감지 전자 장치를 배치하는 것이 좋습니다.

또 다른 측정 기법은 정전식 분할기에 고정 주파수 AC 전압 신호를 적용하는 것입니다.이 값은 알려진 값과 알 수 없는 값의 두 개의 직렬 캐패시터로 구성됩니다.다음으로 출력 신호가 캐패시터 중 하나를 통해 받아들여집니다.알 수 없는 캐패시터 값은 AC 전압계로 측정할 수 있는 출력/입력 신호 진폭의 비율과 동일한 캐패시턴스의 비율로 확인할 수 있습니다.보다 정확한 계측기는 휘트스톤 [12]브리지와 유사한 캐패시턴스 브리지 구성을 사용할 수 있습니다.캐패시턴스 브리지는 적용된 신호에 존재할 수 있는 모든 변동을 보상하는 데 도움이 됩니다.

다른 터치스크린 테크놀로지와의 비교

정전식 터치스크린은 저항성 터치스크린보다 반응성이 높지만(커패시턴스가 필요 없기 때문에 어떤 물체에도 반응함) 정확도는 떨어집니다.그러나 투영 캐패시턴스는 [13]터치 포인트 주위에 삼각 그리드를 형성하기 때문에 터치 스크린의 정확도를 향상시킵니다.

표준 스타일러스는 정전식 감지에 사용할 수 없지만 특수 정전식 스타일러스는 정전식 감지에 사용됩니다.정전기 방지 필름과 같은 전도성 재료를 표준 스타일러스 주위에 감거나 튜브 모양으로 [14]감아 정전식 스타일러스도 만들 수 있다.정전식 터치스크린은 저항성 [citation needed]터치스크린보다 제조 비용이 비싸다.장갑과 함께 사용할 수 없고, 화면에 적은 양의 물이라도 제대로 감지하지 못할 수 있습니다.

상호 정전식 센서는 전기장의 변화에 대한 2차원 이미지를 제공할 수 있습니다.이 이미지를 사용하여 다양한 응용 프로그램이 제안되었습니다.사용자 [15][16]인증, 화면에 닿는[17][18] 손가락의 방향 추정 및 손가락과[19] 손바닥의 구별이 가능해진다.정전식 센서는 대부분의 스마트폰의 터치스크린에 사용되지만 정전식 이미지는 일반적으로 애플리케이션 계층에 노출되지 않습니다.

높은 수준의 전자 노이즈가 있는 전원 장치는 정확도를 저하시킬 수 있습니다.

펜 컴퓨팅

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커패시티브 스타일러스

저항성 터치스크린을 위한 많은 스타일러스 디자인은 전도성이 없기 때문에 정전식 센서에 등록되지 않습니다.주로 손가락용으로 설계된 정전식 터치스크린에서 작동하는 스타일러스는 사람의 [20]손가락이 제공하는 유전체의 차이를 시뮬레이션하기 위해 필요하다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Larry K. Baxter (1996). Capacitive Sensors. John Wiley and Sons. p. 138. ISBN 978-0-7803-5351-0.
  2. ^ Wilson, Tracy (20 June 2007). "HowStuffWorks "Multi-touch Systems"". Retrieved August 9, 2009.
  3. ^ Kent, Joel (May 2010). "Touchscreen technology basics & a new development". CMOS Emerging Technologies Conference. CMOS Emerging Technologies Research. 6: 1–13. ISBN 9781927500057.
  4. ^ Ganapati, Priya (5 March 2010). "Finger Fail: Why Most Touchscreens Miss the Point". Wired. Archived from the original on 2014-05-11. Retrieved 9 November 2019.
  5. ^ 미국 페이지 번호 5,305,017 5,861,875
  6. ^ 예: U.S. Pat.No. 4,736,191
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  8. ^ "Please Touch! Explore The Evolving World Of Touchscreen Technology". electronicdesign.com. Archived from the original on 2009-01-08. Retrieved 2020-01-01.
  9. ^ "Capacitive Touch (Touch Sensing Technologies — Part 2)". TouchAdvance.com. Archived from the original on 11 March 2012. Retrieved 2011-11-20.
  10. ^ Wagner, Armin; Kaindl, Georg (2016). "WireTouch: An Open Multi-Touch Tracker based on Mutual Capacitance Sensing". doi:10.5281/zenodo.61461. S2CID 63513043. Retrieved 2020-05-23. {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  11. ^ 셀프 커패시티브 터치스크린 설명 (Sony Xperia Sola)
  12. ^ "Basic impedance measurement techniques". Newton.ex.ac.uk. Retrieved 2012-06-15.
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  17. ^ Xiao, Robert; Schwarz, Julia; Harrison, Chris (2015). "Estimating 3D Finger Angle on Commodity Touchscreens" (PDF). Proceedings of the International Conference on Interactive Tabletops & Surfaces. doi:10.1145/2817721.2817737. Retrieved 26 March 2018.
  18. ^ Mayer, Sven; Le, Huy Viet; Henze, Niels (2017). "Estimating the Finger Orientation on Capacitive Touchscreens Using Convolutional Neural Networks" (PDF). Proceedings of the International Conference on Interactive Tabletops & Surfaces. doi:10.1145/3132272.3134130. Retrieved 26 March 2018.
  19. ^ Le, Huy Viet; Kosch, Thomas; Bader, Patrick; Mayer, Sven; Niels, Henze (2017). "PalmTouch: Using the Palm as an Additional Input Modality on Commodity Smartphones" (PDF). Proceedings of the Conference on Human Factors in Computing Systems. doi:10.1145/3173574.3173934. Archived from the original (PDF) on 31 August 2018. Retrieved 26 March 2018.
  20. ^ J.D. Biersdorfer (2009-08-19). "Q&A: Can a Stylus Work on an iPhone?". Gadgetwise.blogs.nytimes.com. Retrieved 2012-06-15.

외부 링크