A kapacitív elven működő érintésérzékelő szenzorok az emberi ujj általi érintést az érintőpadon mérhető kapacitásváltozás útján érzékelik, azon keresztül pedig különféle csúszkás, nyomógombos, LED-meghajtós stb. vezérlési funkciót szolgáltatnak. Ahhoz azonban, hogy a legtöbbet kihozzuk ezekből a rendszerekből, fontos a nyomtatott áramköri kártyák és az alkatrész-elrendezés megfelelő megtervezése.
Az 1. ábra egy C0 báziskapacitással rendelkező, kapacitív érintésérzékelő rendszert mutat három esetben: először úgy, hogy az érintésérzékelő felület felett nincs semmi, középen olyan esetet, amikor egy ujj érintése ΔC kapacitásváltozást okoz a rendszerben, végezetül pedig egy végső állapotot, amelyben a Ct teljes kapacitás kialakul az érintés következtében.
1. ábra. A kapacitív érintésérzékelő rendszer különböző üzemállapotaiBár a kapacitás elméletileg egy szimpla párhuzamos fegyverzetű kapacitás összefüggéseivel meghatározható, a gyakorlatban azért ez sejthetően jóval bonyolultabb, hiszen a teljes rendszer számos kapacitást, ellenállást és még induktív elemet is tartalmaz. A számításokat ezért jelentős mértékben korrigálni kell annak érdekében, hogy tükrözzék a valóságot.
A layout
A Microchip Technology alá tartozó SMSC-féle RightTouch-sorozatú kapacitív érintésérzékelő szenzorok 5 ... 50 pF nagyságrendű báziskapacitással, <0,1 pF érintésérzékelési érzékenységgel rendelkeznek. A szenzor áramkörei és logikai hálózata automatikusan kompenzálják a méréseket, amely által konzisztens ΔC-értéket szolgáltat a teljes báziskapacitás-tartományban. Ez jelentősen egyszerűsíti a szenzorral végzett fejlesztői munkát, és értékes rugalmasságot biztosít a nyomtatott áramköri kártya tervezésében és a környezeti feltételeknek való megfelelésben.
Ahhoz, hogy a legtöbbet hozzuk ki ezekből a szenzorokból, nagyon fontos, hogy ΔC értékét a zajhoz képest nagy értéken tartsuk, mindinkább csökkentsük az előtétréteg vastagságát, és kerüljük a vezető tulajdonságú előtétréteg használatát. A LED-es kimeneti huzalozási pályákat le kell választani a kapacitív szenzor kontaktusfelületeiről a rétegek közötti földelősíkkal. A kapacitív szenzor kontaktusfelületei és huzalozási pályái, valamint az áramköri kártya minden egyéb kapcsolási jele (beleértve a nem a szenzor által generált forrásokat) esetében hasonló leválasztásra kell gondolnunk. Mindazonáltal elfogadható eredményt nyújt, ha a kapacitív szenzor huzalozási pályáit szomszédos rétegeken vezetjük a kontaktusfelületekhez, közöttük elhelyezett szigetelő-földelő sík mellőzésével.
A kapacitív szenzor huzalozási pályái nem lehetnek párhuzamosak a LED-es kimeneti huzalozási pályákkal ugyanazon vagy szomszédos rétegeken. Ajánlott megtartani a távolságot a LED-es és kapacitív szenzoros huzalozási pályák között földelő védőpályával, vagy legalább a huzalozási pálya szélessége háromszorosának megfelelő szabad távolsággal. A LED-es és kapacitív szenzoros huzalozási pályák között a minimális távolság – földelő védőpálya híján 1,27 mm legyen! A kapacitív szenzoros huzalozási pálya minimális szélessége 0,1 ... 0,2 mm, e pályák közötti minimális távolság pedig legalább 0,1 mm legyen!
Ha egy kapacitív szenzor huzalozási pályájának kereszteznie kell egy LED-es kimeneti jelet egy szomszédos rétegen, pályavezetési korlátok miatt, a keresztezésnek 90°-ban kell történnie! Ajánlott a kapacitív szenzorhuzalozási pályák esetében a viák és rétegváltások számát a lehető legkisebbre szorítani, mivel ezek parazitakapacitást visznek a rendszerbe.
A nem használt kapacitív szenzorkivezetéseket ajánlott lezárással ellátni, akár lehúzó ellenálláson, akár közvetlen földelésen keresztül. Célszerű megbizonyosodni, hogy a használaton kívüli, földeléssel rövidre zárt LED és GPIO kivezetéseket a vezérlőszoftver nem szólítja-e meg.
Fontos végezetül, hogy a használaton kívüli területeket mindig fedje 15%-os keresztsraffozott kitöltésű földelősík a kapacitív szenzoros huzalozási pályák alatt és körött. A szigetek kialakulása a földelősíkokba vezető viákkal elkerülhető.
Az áramköri terv
A kapacitív érintésérzékelő szenzorok kiválóan együttműködnek bármilyen alakú kapacitív szenzoros kontaktusfelülettel, beleértve természetesen a legszélesebb körben használt négyzetes, négyszögletes, kerek és ovális mintákat is. Ha négyszögletes vagy ovális kapacitív szenzoros kontaktusfelület az elvárás, ajánlott a
Általánosságban véve minél nagyobb a kapacitív szenzoros kontaktusfelület, annál nagyobb lesz a ΔC kapacitásváltozás, és annál jobb az érintésérzékelés megismételhetősége. Ám mivel egy átlagos felnőtt ujjbegyének átmérője kb. 10 mm, a túlméretes kapacitív szenzoros kontaktusfelületek méretüket tekintve csak egy felső határig alkalmasak az érzékelési érzékenység fokozására.
A kapacitív szenzoros kontaktusfelületek mérete függ az előtétréteg vastagságától. Vastagabb előtétréteg esetén értelemszerűen nagyobb területű kapacitív szenzoros kontaktusfelületre van szükség. A korszerű szenzorok egy ujj érintését már akár 16 mm2 (4×4 mm) méretű kontaktusfelülettel is képesek érzékelni egy 2 mm-es műanyag előtétréteges rendszerben.
A tipikus alkalmazásoknál az előtétréteg normálvastagsága 1 ... 3 mm, anyaga műanyag, ezért a kontaktusfelület javasolt mérete ≥29 mm2. Ha az áramköri kártya méretei megengedik, akkor célszerű a felületet a minél jobb eredmények érdekében nagyobbra venni.
Két kapacitív szenzoros kontaktusfelület közötti minimális távolság éltől-élig kb. 1,3 mm. Ha azonban két kapacitív szenzoros kontaktusfelület egymáshoz túl közel esik, az egyik kontaktusfelület megérintése a hozzá túl közel lévő szomszédosban is kapacitásváltozást indukál. Ez téves érzékeléshez vezet, amely elkerülhető, ha éltől-élig lehetőség szerint legalább 10 mm távolságot alkalmazunk, azonban figyelembe kell venni olyan további tényezőket is, mint a kontaktusfelületek alakja, a felhasználó ujjbegyének mérete stb.
Néhány RightTouch kapacitív érintésérzékelő rendszer, mint például a CAP1114, képes több kapacitív szenzor által szolgáltatott bemenet kezelésére is csúszkás érzékelős elrendezésben. A csúszkás vezérlő tipikus kialakítása a 2. ábrán látható. A csúszkák felfoghatók egyedi kapacitív szenzoros kontaktusfelületek halmazaként is, amelyeknél az alapterületnek legalább 29 mm2-nek kell lennie, a szomszédos kontaktusfelületek közötti távolság pedig kb. 1,3 mm.
2. ábra. Különböző számú kapacitív szenzoros kontaktusfelületből felépülő csúszkás vezérlő-szervek kialakításaElméletileg bármilyen formájú kontaktusfelület alkalmazható csúszkás vezérlőszerveknél, amely alkalmas arra, hogy nyomógombként funkcionáljon. Elmondható azonban, hogy a legfinomabb vezérlés a nyíl alakú, egyedi kontaktusfelületekből álló csúszkáknál érhető el – ilyenkor a leginkább zökkenőmentes az egyik kontaktusfelületről másikra áthaladó ujj érzékelése. Világos indikációt is szolgáltat ezenfelül a kapcsolásirajz- és layouttervezés, valamint a szerelési eljárás esetére. Tipikus működésük során az SMSC kapacitív érintésérzékelő szenzorok kapacitásváltozás után kutatva minden csatornát szkennelnek, melynek idejére a többi csatornát leföldelik. Ezért a mérendő kontaktusfelületnél két közeli csúszkás kontaktusfelületet földelősíknak lehet tekinteni.
Egy hét szegmensből álló csúszkás érzékelőfelület jó érzékenységet és kielégítő mértékű pontosságot nyújt a legtöbb alkalmazásban, ám sok esetben hétnél kevesebb szegmenssel is megfelelő eredmény érhető el. A legtöbb alkalmazásban az egyes kontaktusfelület-szegmensek szélességét és a közöttük lévő távolságot, valamint a csúszka magasságát korlátozza maga a termék mérete. Ha a kontaktusfelület mérete nem elégíti ki a minimumkövetelményeket és a csökkentett felismerési pontosság elfogadható, a csúszka kontaktusfelület-szegmenseinek száma lecsökkenthető ötre, háromra vagy akár kettőre is, amely utóbbi csak fel- és lefelé vezérlést képes megvalósítani.
Az ESD- és RFI-jellemzők
A kapacitív érintésérzékelő szenzorok nagy mértékű elektrosztatikus kisülésnek is képesek ellenállni mindenféle fizikai károsodás nélkül, továbbá az elektromágneses interferenciával szembeni működési immunitást egyedi technikai megoldások biztosítják. Ám az extrém környezeti feltételek téves érintésérzékelési eseményekhez, a belső ESD-védelem aktiválódásához, valamint földelési anomáliákhoz vezethetnek, amely akár az eszköz újraindulását is magával vonhatja. Fontos ezért a tervezési szakaszban a lehető legkorábban elkezdeni implementálni az EMC-védelmi tervezési technikákat.
Az elektrosztatikus kisülések számára egy rendszerbe jellemzően két belépési pont van: amikor tranziens töltés áramlik be két kártya közötti interfészen, vagy amikor a tranziens töltés csatolásként kerül rá az áramköri kártyára. A 3. ábra az első esetre mutat védelmi lehetőségeket.
3. ábra. ESD-védelmi módszerekAz első módszerrel a VCC táp-földelővonalba iktatott soros ellenállás és ferritgyöngy vagy közös módusú tekercs segítségével lehet az impedanciát emelni nagy frekvenciára. A tranziensfeszültség-elnyomó (TVS – lavinaletörés) diódák hozzáadásával a VCC és a földelés közé az ESD-ből kialakuló áram söntölhető. A soros ellenállások vagy ferritgyöngyök magukra a kommunikációs vonalakra is telepíthetőek.
Az áramköri kártyára tranzienstöltés-csatolással rákerülő ESD ellen is számos védelmi lehetőség adott. Az ESD belépési pontja lehet a burkolóanyagban a látható légrés, két burkolóanyag találkozásánál elterülő felületek, a burkolóanyag szélei stb.
Az áramköri kártya fémeinek egy része megtervezhető úgy, hogy az elektrosztatikus kisülést a földelésre vezesse. Ezeknek fémgyűrű formájában elérhetőnek kell lenniük a nyomtatott huzalozású áramköri kártya külső peremén, amellyel az ESD a burkolatra söntölhető. Lehetséges a jelföldelést elközött és az áramköri kártya összes többi huzalozási pályája között elvezetni.
Néhány szenzor képes rádiófrekvenciás mezők érzékelésére és alapjukon reakcióadásra. Ha RF-jelet érzékelnek, a válasz lehet az aktív szenzorok tiltása, amellyel a téves érintésérzékelések elkerülhetők. Amint az RF-mező lecsillapodott, a szenzorok újraaktiválhatók. Van azonban jó néhány olyan alkalmazás, amelyeknél további munkába kerül az RF-immunitás biztosítása.
Összefoglalás
A Microchip-féle RightTouch kapacitív érintésérzékelő szenzoros megoldásokkal számtalan formában és minőségben valósítható meg csúszkás, nyomógombos és LED-meghajtós kialakítású, kapacitív érintésérzékelés. Ám az optimális rendszerteljesítmény eléréséhez elengedhetetlen a megfelelő tervezési megfontolások és nyomtatott áramköri kártyás layouttervezési megoldások követése.
