Системи с капацитивни сензори за допир

ЕлектроникаСтатии

Технологични особености и елементна база


    От десетилетия капацитивните сензори (Capacitive Sensor) се използват в устройствата с индустриално приложение. Независимо от създаването на надеждни и с дълъг експлоатационен срок маломощни механични бутони (често пъти базирани на магнитни контакти) и използването им в органите за управление и клавиатури на индустриални, компютърни и битови устройства, напоследък все по-често те се заместват с капацитивни сензори (или ключове) за допир (Capacitive Touch Sensor) CTS. Освен по-малките размери и цена, те по принцип са по-надеждни (нямат подвижни части) и могат да се интегрират с управляващите ги електронни схеми. Те са и в основата на екраните с докосване - Touchscreen (които не са предмет на настоящата статия). Не по-малко важно е, че CTS осигуряват значително по-голяма гъвкавост при конструирането на електронни изделия в сравнение с механичните бутони и не изискват наличието на отвори на лицевите панели, през които в устройствата могат да проникват прах и влага.

Принцип на действие на капацитивните сензори
Той се основава на известната формула за капацитет C=e0erA/d, където e0 е диелектричната проницаемост на вакуума (физична константа), er е относителната диелектрична проницаемост на изолатора с дебелина d между двата електрода на капацитета с площ А. Твърде често произведението e0er се означава с e или k. За изясняване на действието на CTS на фиг. 1 е показана една от масово използваните структури.

Металната пластинка на самия сензор е в средата и е заобиколена от заземени медни пластини. Между всяка от тях и пластинката на сензора има паразитен капацитет Cbase спрямо земята и, съответно, съществува електрическо поле, показано с прекъснати линии. Тази структура е разположена върху носеща пластина, а отгоре е покрита с предпазен изолационен слой. За получаване на максимално добра чувствителност на CTS трябва слоят да е максимално тънък и с колкото е възможно по-голяма er. При докосване с пръст на повърхността над средната пластинка, поради особеностите на човешкото тяло (проводяща повърхност и съдържание на около 70% вода с er˜80), се получава допълнителен капацитет на докосване Ctouch спрямо земята, защото дори да няма пряка електрическа връзка на човешкото тяло със земята, обикновено то е свързано с нея. Получената промяна на капацитета от Cbase на Cbase+Ctouch се регистрира от електронна схема. Този принцип на действие е известен като тип единичен капацитет (Self-Capacitance Type). Съществува и тип взаимен капацитет (Mutual-Capacitance Type), при който сензорът има две пластинки, означавани с Х и Y, и при докосване се променя капацитетът между тях.

Основното предназначение на капацитивните сензори за допир е да заместят механичните ключове, от които имат едно важно принципно различие - сензорите дават на изхода си аналогова величина (капацитетът им се променя в зависимост от това колко плътно пръстът прилепва към тях), докато от механичните ключове се получава цифров сигнал. Често това налага допълнителна обработка на сигнала от капацитивните сензори, например филтриране, за осигуряване на сигурно регистриране на допира.

От множеството съществуващи методи за измерване на капацитет, в CTS се използват основно два. Първият метод, базиран на релаксационен генератор (Relaxation Oscillator), има на изхода си правоъгълни импулси с коефициент на запълване 0,5 и се реализира с един или два компаратора, между чиито прагове се зарежда и разрежда капацитетът. При неговото увеличаване (допир до сензора) честотата намалява. Регистрирането на нейната промяна става чрез измерване на броя на импулсите за фиксирано време (Gate Time), което лесно се осъществява чрез микроконтролер с общо предназначение или по друг начин. Методът с два компаратора се използва от производителя Energy Micrо.

Вторият метод се основава на факта, че при протичане през капацитет С на постоянен ток I, неговото напрежение нараства по линеен закон и след фиксирано време t достига стойност U=It/C. Обикновено U се измерва чрез аналогово-цифров преобразувател (самостоятелен или вграден в микроконтролер) и в зависимост от големината му се определя дали сензорът е докоснат или не. Този метод се използва от Microchip Technology, като използваната за него електронна схема се нарича Charge Time Measurement Unit (CTMU), а токът в нея може да е в границите от 0,55 mA до 0,55 mA. Например с 5,5 mA капацитет 30 pF се зарежда за 10 ms до 1,83 V. Производителят Silicon Labs също използва метода, но под наименованието преобразувател капацитет-напрежение (Charge-Timing Capacitance to Digital Converter – CDC). Разновидност на метода е измерване (например чрез таймер) на врeмето за разреждане между две фиксирани стойности на напрежението. Друга разновидност, също наричана релаксационен генератор, e зареждането (чрез генератор на ток или през резистор от постоянно напрежение) да се извършва до достигане на определено опорно напрежение, като времето е обратнопропорционално на капацитета и се измерва чрез броя на импулсите на генератор с фиксирана честота. Полезно е да се има предвид, че честотата на последния е между стотина kHz и няколко десетки MHz, а относителната промяна на капацитета при докосване е между няколко десети от % до няколко десетки %.

Съществува и метод на закъснителните линии (RC-Delay Line Capacitance Measurement Method), използван от Fujitsu Microelectronics. При него тактови импулси с честота 20 kHz се подават едновременно на две RC вериги – едната опорна, създаваща точно определено закъснение на предните фронтове на импулсите и втора, съдържаща капацитета на сензора. Чрез реверсивен брояч може да се променя закъснението на втората верига, докато се изравни с това на първата. Броят на импулсите, осигуряващи изравняването, е пропорционален на разликата между капацитета на сензора и този в опорната верига. Следователно този брой е различен при задействан и незадействан сензор, по която разлика се установява задействаното състояние.

В пластинките на CTS, както във всеки метален предмет, се индуцират напрежения от околните електромагнитни полета. Те представляват шум за CTS, който не трябва да влияе на работата му. На фиг. 2 са показани напреженията на изхода на CTS, когато той не е задействан и когато е задействан, разликата между тях (Touch Strength) TS и насложеният шум. Очевидно амплитудата на последния не трябва да надхвърля TS, за да не се получи грешно задействане и тъй като TS е правопропорционална на захранващото напрежение, неговото увеличаване подобрява устойчивостта на CTS към влиянието на шумовете. На практика двете нива на сигнала се определят като средноаритметичното на 100 техни стойности, получени през интервали от 2 s на задействане на CTS. Използва се и отношението сигнал-шум в децибели на CTS в съответствие с израза SNRdB=20lg(TS/NT), където NT е средноквадратичната стойност на 100 измервания на шума при задействан CTS.

Твърде често CTS трябва да се използват в среда със значителен шум, например в индустриални приложения. Поради своята структура те имат голям импеданс и, съответно, околните електромагнитни полета индуцират в тях напрежения (Radiated Noise), включително създаваните от мобилни телефони и флуоресцентни лампи. Когато CTS са част от система, захранвана от външен източник (например от електрическата мрежа или през USB кабел), върху тях попада и проводников шум (Conducted Noise), внасян от проводниците на захранването.

Методите за намаляване на влиянието на шума са технически и програмни. Към първите спада подходящият избор на размерите на пластинката на CTS, обикновено със средните размери на върха на показалеца (15x15 mm). Влиянието на шума е толкова по-малко, колкото разстоянието между съседните CTS е по-голямо – като минимално допустимо се приема 2 до 3 пъти дебелината на предпазното покритие. Последната трябва да е колкото е възможно по-малка – при споменатите размери на пластинката на CTS тя не трябва да надхвърля 3 mm. За намаляване на влиянието на шумовете трябва пътечките на печатната платка, свързващи CTS с електронната схема, да са максимално къси и тънки и да са максимално отдалечени от пътечки със силни сигнали. Друг похват е свързване между CTS и електронната му схема на резистор със съпротивление между 100 W и 10 kW (препоръчителна стойност 1 kW).

Първият от програмните методи е свързан с времето между две последователни проверки на състоянието на CTS, което е най-добре да е с фиксирана стойност за осигуряване на нормалната работа на използваните филтри за намаляване на шума. Тази стойност зависи от предназначението на CTS и може да е между няколко десети от секундата за системи с батерийно захранване и няколко десети от ms. Разнообразието на използваните филтри е значително, но като пример могат да бъдат дадени трите типа, използвани в примерни приложения от Microchip Technology: Входният филтър потиска импулсните шумове и е последван от втори, за усредняване на стойностите на сигнала от няколко последователни реакции на CTS, с което основно се избягва влиянието на промените на температурата и влажността на околния въздух. Третият филтър е нискочестотен за намаляване на влиянието на белия шум. Освен това често се използват цифрови филтри с крайна и безкрайна импулсна характеристика (в зависимост от приложението на CTS).

Добре познатото зареждане на човешкото тяло със статично електричество може при докосване на CTS да предизвика електростатичен разряд, който да повреди свързаната със сензора електронна схема. Затова по преценка на конструктора може да се постави класическата схема за защита, дадена на фиг. 3, като резисторът към входа на електронната схема може да е със съпротивление до 1 kW.

Практически реализации на сензорите
В зависимост от начина на движение на пръста за задействане на CTS има 4 основни разновидности. Бутоните, наричани още Zero Dimensional Sensor, имат само едно островче за задействане, сензорите с приплъзване на пръста по права линия (Slider) или окръжност (Wheel, Circular Slider) са известни и като сензори в едно измерение (One Dimensional Sensor), а сензорите, работещи в две измерения (Two Dimensional Sensor), са в основата на т. нар. тъчпад (Touchpad) устройства.

Сензори тип единичен капацитет (Self-Capacitance Sensor). При тях променящият се капацитет при докосването е спрямо земята, като те са два типа. Първият е с равнинна структура (Planar Construction), идея за която е дадена на фиг. 4. Вижда се, че електродът на CTS, заедно с част от елементите на съпътстващата го електронна схема, е разположен от долната страна на подложката, която обикновено е печатна платка. Върху нея е залепено предпазно покритие (лицев панел), като прекъснатите линии са на електрическото поле. Лепилото също има важно значение за добрата работа на CTS.

Чувствителността на сензора нараства с увеличаване на er на лепилото. Препоръчителната му дебелина е около 50 mm, като при нанасянето трябва да се внимава да не остават въздушни мехурчета, които намаляват er и, съответно, чувствителността. Тази конструкция работи успешно при дебелини до 10 mm. Електродът най-често е кръгъл, а по-рядко квадратен или правоъгълен, като върховете са закръглени за намаляване на нежеланата промяна на формата на електрическото поле.

Тази проста структура има недостатъка, че съседни метални предмети могат да променят капацитета й и да предизвикат грешно задействане. Един от начините за избягване на това е екраниране на електрода на CTS чрез заобикалянето му със замасено метално островче или мрежа, които може да са от страната на електрода или върху предпазния слой. Това увеличава капацитета на незадействания CTS и, съответно, минимално необходимата му промяна при докосване, за да се задейства, т. е. чувствителността намалява. Двата най-масово използвани сензори са показани на фиг. 5.

Екранът на фиг. 5а е от медно фолио около CTS, като двата са нанесени върху печатната платка (разрезът вдясно) и върху тях е предпазният слой (Overlay). Втората разновидност (фиг. 5б) представлява мрежа от проводници (Hatched Ground) също от страната на сензора, като за получаване на добра негова чувствителност при дебелина на предпазния слой до 4 mm те трябва да заемат между 10% и 40% от площта на екрана, а при по-дебел слой – от 3% до 15%. Диаметърът D е най-добре да е между 10 и 20 mm, а разстоянието S – от 1,5 до 4 mm. При необходимост от още по-добро екраниране може от задната страна на CTS да се постави втори екран от плътно фолио, но това намалява стойността на SNR.

Екранирането намалява влиянието на шумовете – екраните от страната на сензора действат срещу проводниковите шумове, а тези от другата страна на платката намаляват индуцираните шумове. На фиг. 6 е даден пример за едновременно използване на двата екрана, като този отдолу е тип мрежа, която само леко намалява чувствителността на сензора. Така се осигурява много добра защита от проводникови шумове и средна от индуцирани шумове.

Често се налага сензорните бутони да са осветени, което се осъществява чрез добавяне на светодиод (LED) и отвор в електрода за преминаване на светлината. Една използвана конструкция е дадена на фиг. 7. Трябва да се има предвид, че LED имат паразитен капацитет, който може да повлияе на работата на CTS и затова често се налага взимането на специални мерки.

Връзката на сензорните бутони с отдалечената от тях електронна схема се извършва чрез пътечки върху печатната платка, които трябва да са с широчина около 0,2 mm и дължина не повече от 150 mm.

Вторият тип CTS с единичен капацитет са сензорите с обемна структура (Non-Planar Construction). Две от предимствата му спрямо първия тип са по-голямата свобода на конструктора при определяне на формата и размерите на CTS и по-лесното интегриране на LED, допълнено с по-малко тяхно влияние върху работата на сензора. Тук електродът на CTS е на долната страна на лицевата плоча, а между нея и печатната платка има разстояние, което се поддържа чрез еластична полимерна втулка или различни по вид пружини. Съществена особеност е, че при докосване на лицевата плоча разстоянието между нея и печатната платка не се променя.

Не са редки случаите, когато условията на работа на бутоните налагат те да имат метално покритие, например за предпазване от големи шумове и от силни замърсявания. На фиг. 8 е показана структурата на незадействан такъв бутон, като при задействането му металната капачка се огъва, с което капацитетът между нея и сензора нараства. Съществува разновидност с метализирано от страната на сензора пластмасово покритие.

Същността на реализацията на сензори с приплъзване е в разполагането в един ред на определен брой еднакви сензори с минимално разстояние между тях. При движение на пръст  по така получената лента сензорите се задействат един след друг и тъй като всеки от тях е свързан към електронната схема, тя регистрира движението му. На фиг. 9 е показан такъв тип CTS, като за простота са дадени малък брой елементи. При значителен брой елементи твърде често на входа на електронната схема се поставя мултиплексор с входове от всеки от елементите и един или повече изхода, при което наименованието е Duplexed Slider.

CTS с кръгово движение могат да се използват вместо въртящ се бутон. На фиг. 10 е даден пример за CTS, осигуряващ завъртане на пръста на 360°. Значително е разнообразието на сензори с 4 до 8 сегмента със специфична форма, при които завъртането може да е 720° (два оборота).

Сензори тип взаимен капацитет (Mutual-Capacitance Sensor). Двата електрода Х и Y на капацитета по-често се разполагат на една плоскост, но има CTS, в които те са в две плоскости. На фиг. 11 е основната конструкция на бутон в една плоскост, като Т е дебелината на предпазния слой. В зависимост от него и желаните два размера W и Н се определя броят на лентите (Finger) на Х и Y. Типичните стойности са Т»0,5 mm, W»10 mm и Н»8 mm. Подобна е структурата на CTS с приплъзване и CTS с кръгово движение.

Специализирани контролери за CTS
В зависимост от типа на контролера към него могат да се свързват между 1 и 48 сензора, като техният брой е даден в техническата документация. При повече от един сензор контролерът съдържа мултиплексор, който непрекъснато “обикаля” входовете за тях. В каталога се отбелязва и типът на сензорите, за които е предвиден контролерът, а понякога и границите на техните размери. Например, даденият в ред 2 на табл. 1 може да се използва за бутони, за сензори с приплъзване с типична дължина 50-100 mm и типична широчина 1-2 mm и за сензори с кръгово движение с типичен диаметър 30-50 mm, докато този в ред 10 е само за сензори от последния тип.

Някои производители дават и сведения за препоръчваните конструкции на сензорите, както и за изготвянето на печатните платки за монтирането им заедно с контролерите. Когато сензорите трябва да са отдалечени от контролера, свързването се прави с коаксиален кабел. Част от контролерите съдържат вградени драйвери за захранване на LED, които обикновено са колкото броя на сензорите. Това позволява спестяването на допълнителна ИС при ползване на осветени сензори, като освен това в част от контролерите интензитетът на светлината на LED може да се регулира чрез тока им (например при този в ред 10 на табл. 1 регулирането е на 256 стъпки). Времето за сканиране tscan e между две последователни проверки дали сензорът е задействан и не винаги се дава в каталозите, но, от друга страна, има контролери с възможност за програмирането му (за тези случаи границите са дадени в табл. 1).

За разширяване на приложенията част от контролерите имат универсални изводи GPIO, които могат да работят като цифров вход или изход с CMOS логически нива (на логическа 0 съответства напрежение между 0 и 0,2 VDD или 0,3 VDD, а на логическа 1 - от 0,7 VDD или 0,8 VDD до VDD, където VDD е захранващото напрежение на контролера). От гледна точка на приложенията за всеки контролер трябва да се знае максималната дебелина на предпазното покритие на CTS за гарантиране на нормалната работа. То е дадено в последната колона на табл. 1, но не винаги фигурира в каталозите на контролерите. Както при много други видове ИС и в значителна част от контролерите, е предвидено основната част от блоковете им да се изключват, когато не работят за намаляване на постояннотоковата консумация. В каталозите това се означава като Sleep Mode или Shutdown, а в табл. 1 консумираният ток в този режим е отбелязан като ISHDN.

Границите на капацитета Сх на сензора, в които контролерът работи нормално, не винаги се дават в каталозите. По принцип, с увеличаване на Сх чувствителността намалява. За обмен на данни между контролера и външни устройства практически винаги се използват някои от стандартните интерфейси, типът на които за всеки контролер е даден в предпоследната колона на двете таблици. Полезно е да се има предвид, че за нормалната си работа повечето от контролерите изискват външни кондензатори между някои от изводите си или между изводи и маса (например за захранващото напрежение), чиито капацитети се дават в каталога. Съществен параметър е времето за реакция (Reaction Time) tR, което е от момента на задействане на сензора до получаване на съответстващия изходен сигнал от контролера. Отново за намаляване на консумирания ток IDD някои контролери имат два или повече режима на работа, всеки с определено tR, като общото правило е, че намаляването на tR изисква по-голям IDD. Затова в таблиците са дадени границите на стойностите на tR и IDD в различните режими на работа.

Издръжливостта на контролерите на електростатични разряди се отразява в каталозите чрез максимално допустимото безопасно напрежение VESD. В таблиците са дадени стойностите на това напрежение при използване на еквивалентната схема на човешкото тяло (Human Body Model, HBM). Един от блоковете на контролерите е генератор на импулси, чиято честота fosc понякога се дава в техническата документация (има контролери с два генератора с различни честоти).

В каталозите понякога се дава структурата на контролерите. Като пример на фиг. 12 е дадена част от схемата на контролера от ред 5 на табл. 1, която при докосване на сензора формира 10-разредно двоично число на изход Data на аналогово-цифровия преобразувател (АЦП) 10 Bit ADC. Останалите 3 извода до Data са входове за определяне на неговата работа. Входът на АЦП е свързан към изхода на 3-входовия мултиплексор, като вход ELE2 е с двойно предназначение – освен за свързване на сензор, той може да се използва и като изход за “съобщаване” на прекъсване на работата на контролера. Принципът на действие е зареждане на капацитет от неизменен ток, който е еднакъв за трите сензора и може да се задава чрез токовото огледало Mirror, за чиято работа е необходим външният резистор REXT.

За улеснение на приложeнията почти винаги в каталозите се дават типични схеми на свързване. Като пример на фиг. 13 е свързването на контролера от ред 4 на табл. 1. Към извод 1 е свързана схемата за защита от ESD, към извод 3 - опорният кондензатор, с чието зареждане контролерът сравнява това на капацитета на сензора, а резисторът към извод 4 е на вградения таймер за определяне колко време след докосването на сензора ще се получи изходният сигнал на извод 6 (при даденото съпротивление времето е 50 ms, но може да бъде увеличено на 120 ms с 20 kW).

В табл. 1 са дадени основните параметри на контролери за работа с до 10 сензора, а в табл. 2 – на такива с повече сензори. Поради по-сложната структура на последните по-голяма рядкост са модели с вградени драйвери за LED, при това само за част от сензорите. Трябва да се отбележи, че фирмата SMSC, чиито продукти носят патентованото наименование Smart Mixed-Signal Connectivity, отскоро е част от Microchip Technology.

Част от производителите предлагат серия от контролери, които се различават главно по броя на свързваните сензори. Например даденият в ред 10 на табл. 2 е част от серия, която съдържа още САР1133 за 3 сензора, САР1126 за 6 сензора и САР1188 за 8 сензора.

Свързване на сензори към класически микроконтролери
Според описаните принципи на регистриране на докосването на CTS електронната схема трябва да съдържа един или повече от блоковете компаратор, АЦП, източник на неизменен постоянен ток, таймер и мултиплексор. Тъй като значителна част от микроконтролерите съдържат някои от тези блокове, те могат да се използват за работа с CTS. Например серията PIC10F на Microchip съдържа компаратор и позволява реализацията на метода с релаксационен генератор. Самото действие се осигурява от програмен модул, описан в AN1102. По същия метод работи и микроконтролерът PIC16F727 с 16 сензора, чието свързване е описано в AN1268. Разработка на Microchip е и технологията mTouch, който се вгражда освен в микроконтролера PIC10F206 от спомената серия и в още 14 микроконтролера от сериите PIC12F, PIC16F и PIC24F за управление на бутони и сензори с приплъзване при брой на входовете между 1 и 32. Например, най-големият брой се реализира с микроконтролера PIC16F707, а програмата за работата му съдържа 35 инструкции. Технологията mTouch може да се използва и с описаните бутони с метално покритие.

Компанията Texas Instruments използва един от вградените компаратори в микроконтролера МРХ430 за реализацията на релаксационен генератор, като единствените външни елементи са 4 резистора. Благодарение на вградения мултиплесксор към един от компараторите към микроконтролера могат да се свържат до 4 сензора. С него е възможно реализирането и на друг метод – капацитетът на CTS се зарежда до захранващото напрежение и с вградения  таймер се измерва времето на разреждането му до определено напрежение.

Top