Detección capacitiva

En ingeniería eléctrica , la detección capacitiva (a veces detección por capacitancia ) es una tecnología, basada en el acoplamiento capacitivo , que puede detectar y medir cualquier cosa que sea conductora o tenga una constante dieléctrica diferente del aire. Muchos tipos de sensores utilizan detección capacitiva, incluidos sensores para detectar y medir proximidad , presión, posición y desplazamiento , fuerza , humedad , nivel de fluido y aceleración . Los dispositivos de interfaz humana basados ​​en detección capacitiva, como los paneles táctiles , ^[1] pueden reemplazar al mouse de la computadora . Los reproductores de audio digitales , los teléfonos móviles y las tabletas a veces usan pantallas táctiles de detección capacitiva como dispositivos de entrada. ^[2] Los sensores capacitivos también pueden reemplazar los botones mecánicos.

Una pantalla táctil capacitiva consta normalmente de un sensor táctil capacitivo junto con al menos dos chips de circuito integrado (IC) de semiconductor de óxido metálico ( CMOS ) complementarios, un controlador de circuito integrado específico de la aplicación (ASIC) y un procesador de señal digital (DSP). La detección capacitiva se utiliza habitualmente en pantallas multitáctiles móviles , popularizadas por el iPhone de Apple en 2007. ^{[3] [4]}

Los sensores capacitivos se construyen a partir de muchos medios diferentes, como cobre, óxido de indio y estaño (ITO) y tinta impresa. Los sensores capacitivos de cobre se pueden implementar en PCB FR4 estándar , así como en material flexible. El ITO permite que el sensor capacitivo sea hasta un 90% transparente (para soluciones de una capa, como pantallas de teléfonos táctiles). El tamaño y el espaciado del sensor capacitivo son muy importantes para el rendimiento del sensor. Además del tamaño del sensor y su espaciado en relación con el plano de tierra , el tipo de plano de tierra utilizado es muy importante. Dado que la capacitancia parásita del sensor está relacionada con la ruta del campo eléctrico (campo E) a tierra, es importante elegir un plano de tierra que limite la concentración de líneas de campo E sin ningún objeto conductor presente.

Para diseñar un sistema de detección de capacitancia, primero hay que elegir el tipo de material de detección (FR4, Flex, ITO, etc.). También es necesario comprender el entorno en el que funcionará el dispositivo, como el rango completo de temperaturas de funcionamiento , las frecuencias de radio presentes y cómo interactuará el usuario con la interfaz.

Hay dos tipos de sistemas de detección capacitiva:

1. capacitancia mutua, ^[5] donde el objeto (dedo, aguja conductora) altera el acoplamiento mutuo entre los electrodos de fila y columna, que se escanean secuencialmente; ^[6] y
2. autocapacitancia , donde el objeto (como un dedo) carga el sensor o aumenta la capacitancia parásita a tierra.

En ambos casos, la diferencia entre una posición absoluta anterior y la posición absoluta actual da como resultado el movimiento relativo del objeto o del dedo durante ese tiempo. Las tecnologías se explican en detalle en la siguiente sección.

En esta tecnología básica, solo un lado del aislante está recubierto con material conductor. Se aplica un pequeño voltaje a esta capa, lo que da como resultado un campo electrostático uniforme. ^[7] Cuando un conductor , como un dedo humano, toca la superficie sin revestimiento, se forma dinámicamente un capacitor . Debido a la resistencia de la lámina de la superficie, se mide cada esquina para tener una capacitancia efectiva diferente. El controlador del sensor puede determinar la ubicación del toque indirectamente a partir del cambio en la capacitancia medida desde las cuatro esquinas del panel: cuanto mayor sea el cambio en la capacitancia, más cerca está el toque de esa esquina. Al no tener partes móviles, es moderadamente duradero, pero tiene baja resolución, es propenso a señales falsas de acoplamiento capacitivo parásito y necesita calibración durante la fabricación. Por lo tanto, se usa con mayor frecuencia en aplicaciones simples como controles industriales y quioscos interactivos . ^[8]

La tecnología de toque por capacitancia proyectada (PCT) es una tecnología capacitiva que permite un funcionamiento más preciso y flexible mediante el grabado de la capa conductora. Una cuadrícula XY se forma mediante el grabado de una capa para formar un patrón de cuadrícula de electrodos , o mediante el grabado de dos capas separadas y paralelas de material conductor con líneas o pistas perpendiculares para formar la cuadrícula; comparable a la cuadrícula de píxeles que se encuentra en muchas pantallas de cristal líquido (LCD). ^[9]

La mayor resolución de la PCT permite operar sin contacto directo, de modo que las capas conductoras se pueden recubrir con capas aislantes protectoras adicionales y operar incluso debajo de protectores de pantalla o detrás de vidrio a prueba de intemperie y vandalismo. Debido a que la capa superior de una PCT es vidrio, la PCT es una solución más robusta en comparación con la tecnología táctil resistiva. Dependiendo de la implementación, se puede utilizar un lápiz óptico activo o pasivo en lugar de un dedo o además de él. Esto es común en los dispositivos de punto de venta que requieren captura de firma. Es posible que no se detecten los dedos enguantados, según la implementación y los ajustes de ganancia. Las manchas conductoras e interferencias similares en la superficie del panel pueden interferir con el rendimiento. Dichas manchas conductoras provienen principalmente de las puntas de los dedos pegajosas o sudorosas, especialmente en entornos con alta humedad. El polvo acumulado, que se adhiere a la pantalla debido a la humedad de las puntas de los dedos, también puede ser un problema.

Hay dos tipos de PCT: autocapacitancia y capacitancia mutua.

Los sensores capacitivos mutuos tienen un condensador en cada intersección de cada fila y cada columna. Por ejemplo, una matriz de 12 x 16 tendría 192 condensadores independientes. Se aplica un voltaje a las filas o columnas. Al acercar un dedo o un lápiz conductor a la superficie del sensor, se modifica el campo eléctrico local, lo que reduce la capacitancia mutua. El cambio de capacitancia en cada punto individual de la cuadrícula se puede medir para determinar con precisión la ubicación del toque midiendo el voltaje en el otro eje. La capacitancia mutua permite la operación multitáctil , en la que se pueden rastrear con precisión varios dedos, palmas o lápices al mismo tiempo. ^[10]

Los sensores de autocapacidad pueden tener la misma cuadrícula XY que los sensores de capacidad mutua, pero las columnas y filas funcionan de forma independiente. Con la autocapacidad, la corriente detecta la carga capacitiva de un dedo en cada columna o fila. Esto produce una señal más fuerte que la detección de capacidad mutua, pero no puede resolver con precisión más de un dedo, lo que da como resultado "efecto fantasma" o detección de ubicación incorrecta. ^[11]

La capacitancia se mide generalmente de forma indirecta, utilizándola para controlar la frecuencia de un oscilador o para variar el nivel de acoplamiento (o atenuación) de una señal de CA. Básicamente, la técnica funciona cargando la capacitancia desconocida con una corriente conocida, ya que al reorganizar la relación corriente-voltaje de un capacitor ,

$${\displaystyle I(t)=C{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}\,,}$$

permite determinar la capacitancia a partir de la corriente instantánea dividida por la tasa de cambio de voltaje a través del capacitor:

$${\displaystyle C={\frac {I(t)}{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}}\,.}$$

Esto se puede integrar durante un período de tiempo de carga de a para expresarse en forma integral como:$estilo de visualización t_{0}}$$estilo de visualización t_{1}$$${\displaystyle C={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{1}}I(t)\,\mathrm {d} t}{V(t_{1})-V(t_{0})}}\,.}$$

Para un ejemplo simple de la ecuación anterior, si la corriente de carga es constante y el voltaje inicial es 0 V, entonces la capacitancia es simplemente el valor de esa corriente constante multiplicada por la duración del tiempo de carga y dividida por el voltaje final.${\displaystyle V(t_{0})}$${\estilo de visualización (t_{1}-t_{0})}$${\displaystyle V(t_{1})\,.}$

Tanto el tiempo de carga como el voltaje pueden ser una constante predeterminada. Por ejemplo, si se mide después de un período de tiempo constante, la capacitancia se puede determinar utilizando únicamente el voltaje final. Por otra parte, si se utiliza un voltaje umbral fijo, entonces solo es necesario medir la duración del tiempo de carga para alcanzar ese umbral de voltaje.

Esta medición de respuesta escalonada se puede repetir continuamente (por ejemplo, utilizando una onda cuadrada ).

Como ejemplo de un circuito integrado de detección capacitiva, el FDC1004 de Texas Instruments aplica una forma de onda escalonada de 25 kHz para cargar un electrodo y, después de un período de tiempo definido, convierte el voltaje analógico que representa esa carga en un valor digital de capacitancia utilizando un convertidor analógico a digital (ADC) incorporado. ^[12]

El diseño de un medidor de capacidad simple se basa a menudo en un oscilador de relajación . La capacidad que se debe detectar forma una parte del circuito RC o del circuito LC del oscilador . La capacidad se puede calcular midiendo el tiempo de carga necesario para alcanzar el voltaje umbral (del oscilador de relajación) o, equivalentemente, midiendo la frecuencia del oscilador. Ambos son proporcionales a la constante de tiempo RC (o LC) del circuito del oscilador.

Otra técnica de medición consiste en aplicar una señal de voltaje de CA de frecuencia fija a través de un divisor capacitivo (un divisor de voltaje que utiliza capacitores en lugar de resistencias). Este consiste en dos capacitores en serie, uno de valor conocido y el otro de valor desconocido. Luego se toma una señal de salida de uno de los capacitores. El valor del capacitor desconocido se puede encontrar a partir de la relación de capacitancias, que es igual a la relación de las amplitudes de la señal de entrada/salida, como se puede medir con un voltímetro de CA.

Los instrumentos más precisos pueden utilizar una configuración de puente de capacitancia , similar a un puente de Wheatstone . ^[13] El puente de capacitancia ayuda a compensar cualquier variabilidad que pueda existir en la señal aplicada.

Si bien no es específico de la detección capacitiva, la transferencia de carga utiliza una red de capacitores conmutados para acumular carga en un capacitor integrador a lo largo de una serie de pasos discretos, para producir una suma precisa de todos los contribuyentes de carga individuales. ^{[14] [15]}

La modulación delta-sigma también puede medir la capacitancia en lugar del voltaje. ^{[16] [17]}

La principal fuente de error en las mediciones de capacitancia es la capacitancia parásita , que, si no se evita, puede fluctuar entre aproximadamente 10 pF y 10 nF. La capacitancia parásita se puede mantener relativamente constante protegiendo la señal de capacitancia (de alta impedancia) y luego conectando el blindaje a una referencia de tierra (de baja impedancia). Además, para minimizar los efectos no deseados de la capacitancia parásita, es una buena práctica ubicar la electrónica de detección lo más cerca posible de los electrodos del sensor.

Las pantallas táctiles capacitivas responden mejor que las resistivas (que reaccionan a cualquier objeto, ya que no necesitan capacitancia), pero son menos precisas. Sin embargo, la capacitancia proyectiva mejora la precisión de una pantalla táctil, ya que forma una cuadrícula triangulada alrededor del punto de contacto. ^[18]

No se puede utilizar un lápiz óptico estándar para la detección capacitiva, pero existen lápices ópticos capacitivos especiales, que son conductores, para ese propósito. Incluso se puede fabricar un lápiz óptico capacitivo envolviendo un lápiz óptico estándar con material conductor, como una película conductora antiestática, o enrollando la película en un tubo. ^[19] Hasta hace poco, las pantallas táctiles capacitivas eran más caras de fabricar que las pantallas táctiles resistivas . ^{[ cita requerida ]} Ya no es así (consulte la sección de construcción de pantallas táctiles ). Algunas no se pueden usar con guantes y pueden no detectar correctamente incluso con una pequeña cantidad de agua en la pantalla.

Los sensores capacitivos mutuos pueden proporcionar una imagen bidimensional de los cambios en el campo eléctrico. Con esta imagen se han propuesto diversas aplicaciones. Es posible autenticar a los usuarios, ^{[20] [21]} estimar la orientación de los dedos que tocan la pantalla ^{[22] [23]} y diferenciar entre dedos y palmas ^[24] . Si bien los sensores capacitivos se utilizan para las pantallas táctiles de la mayoría de los teléfonos inteligentes, la imagen capacitiva normalmente no se expone a la capa de aplicación.

Las fuentes de alimentación con un alto nivel de ruido electrónico pueden reducir la precisión.

Muchos diseños de lápices para pantallas táctiles resistivas no se registran en sensores capacitivos porque no son conductores. Los lápices que funcionan en pantallas táctiles capacitivas diseñadas principalmente para dedos deben simular la diferencia dieléctrica que ofrece un dedo humano. ^[25]

• Lista de fabricantes de soluciones táctiles
• Theremín

• Parte 1: Fundamentos de la tecnología táctil capacitiva proyectada, Geoff Walker, junio de 2014
• Bibliografía comentada sobre computación táctil y reconocimiento de escritura a mano, Rueters-Ward Services, 2016