Sensoriamento de Capacitância em Telas de Toque: Como um Dedo se Torna um Ponto de Toque

A deteção capacitiva deteta alterações no acoplamento elétrico. Pode ser utilizada para botões, sensores de proximidade e deteção de nível de líquido, bem como para ecrãs tácteis. Num ecrã táctil, o controlador mede os elétrodos por trás de uma cobertura, deteta as alterações causadas por um dedo e estima a sua posição.

A capacitância própria e a capacitância mútua medem relações diferentes. Isto afeta a forma como um sensor varre os elétrodos e interpreta os toques. O design também deve distinguir um toque do ruído.

O que mede a deteção capacitiva?

A capacitância descreve como os condutores armazenam carga para uma determinada diferença de tensão. Um sensor táctil utiliza elétrodos separados do dedo por materiais isolantes, incluindo frequentemente uma lente de cobertura. O controlador mede uma resposta relacionada com a capacitância. O dedo não precisa de pressionar nem de estabelecer contacto elétrico com o elétrodo.

O sensor não tocado tem uma resposta de base. O controlador compara medições posteriores com essa base para encontrar uma alteração significativa, frequentemente designada por delta de toque. Pode acompanhar alterações lentas da base ao longo do tempo e aplicar filtragem e limiares de deteção. As unidades e se a contagem reportada sobe ou desce dependem da eletrónica e do software. Um exemplo da Texas Instruments mostra como uma implementação relaciona as leituras em bruto, a base e o limiar.^[1]

Capacitância própria e capacitância mútua

Deteção por capacitância própria mede a capacitância aparente de um elétrodo individual em relação à referência do circuito de deteção. Um dedo acopla-se a esse elétrodo, enquanto o corpo da pessoa também se acopla capacitivamente ao seu ambiente. Um toque normal tipicamente aumenta a capacitância medida. Uma pessoa não necessita de um fio físico para a terra para esta interação.^[2]

Deteção por capacitância mútua mede o acoplamento aparente entre um elétrodo de transmissão e um elétrodo de receção. Um dedo próximo da sua área de interação altera o campo elétrico e introduz outro percurso de acoplamento através do corpo e do seu ambiente. Para um toque humano normal, o acoplamento mútuo medido tipicamente diminui. A interação tem efeitos concorrentes, pelo que nem todos os objetos condutores próximos produzem a mesma resposta.^[3]

Estes são princípios de medição, não uma garantia sobre o número de toques suportados. O toque capacitivo projetado, frequentemente designado por PCAP, descreve uma família mais ampla de implementações de sensores. Para uma introdução geral à estrutura, consulte Tecnologia de tela touch PCAP.

Como é que uma varredura se transforma num ponto de toque?

O controlador varre os canais do sensor, compara as suas respostas com os valores não tocados e identifica regiões com uma alteração suficiente. Estima uma posição a partir desses sinais e reporta as coordenadas ao anfitrião. O software do anfitrião mapeia as coordenadas para a imagem e orientação apresentadas.

Numa matriz simples de capacitância própria, o controlador lê as linhas e as colunas separadamente. Um único toque pode ser localizado combinando uma resposta de linha com uma resposta de coluna. Com dois toques simultâneos em linhas e colunas diferentes, as mesmas leituras podem corresponder a mais do que um emparelhamento, criando posições ambíguas ou fantasma. Esta limitação aplica-se a essa abordagem matricial; não prova que todos os sistemas de capacitância própria sejam incapazes de reconhecer múltiplos toques.^[4]

Numa matriz de capacitância mútua, o controlador pode varrer interseções individuais de transmissão/receção. Isto fornece informação de posição em cada nó medido e pode suportar múltiplos contactos sem a mesma ambiguidade de emparelhamento linha-e-coluna. A contagem real de toques, a separação, a precisão e a resposta dependem do sensor, do controlador, do firmware e das condições de funcionamento.^[4] Para o papel mais amplo do controlador, consulte o que faz um CI de toque.

Porque é que a cobertura, o layout e o ambiente são importantes?

O material e a espessura da cobertura, o adesivo, as folgas de ar, a geometria dos elétrodos, os cabos, os condutores próximos e o conjunto do ecrã podem afetar a medição. Uma cobertura mais espessa geralmente enfraquece o acoplamento do dedo; o design dos elétrodos e do controlador pode compensar dentro dos limites do sistema.^[5]

A ligação à terra e a blindagem também envolvem compromissos. As estruturas ligadas à terra próximas podem ajudar a controlar a interferência, mas podem adicionar capacitância parasita e reduzir a sensibilidade. As fontes de alimentação, a eletrónica do ecrã, os cabos e o corpo do utilizador podem fornecer percursos para o ruído elétrico.^[5]

O material e a espessura das luvas alteram a interação com o sensor. A água e a humidade podem alterar o acoplamento e podem produzir deteções indesejadas. Confirme o comportamento exigido com a cobertura, o sensor, as definições do controlador e o ambiente reais.

Como deve um OEM verificar a deteção?

Teste um conjunto acabado representativo em vez de depender apenas de um sensor nu. Registe as revisões do ecrã e do toque, a pilha de cobertura e colagem, os cabos, a disposição da ligação à terra, o software do anfitrião e as definições do controlador. Acorde as condições de teste e os limites de aceitação antes de testar.

• Quando o controlador fornece diagnósticos de sinal, registe a variação do sinal não tocado e o sinal de toque válido mais fraco em localizações definidas, incluindo as extremidades. Caso contrário, registe os eventos de toque reportados e pergunte ao fornecedor que dados de diagnóstico estão disponíveis.
• Meça os toques falhados, os toques não intencionais, o erro de coordenadas e a resposta nas condições de ecrã e alimentação pretendidas.
• Repita as verificações relevantes com as luvas especificadas, humidade, temperatura ou perturbações elétricas quando a aplicação o exigir.
• Reavalie o teste quando uma cobertura, cabo, percurso de ligação à terra, ecrã ou definição do controlador forem alterados.

A filtragem, as alterações de limiar e a seleção de frequência podem ajudar um controlador a lidar com o ruído, mas também afetam a deteção e a resposta. As funcionalidades e os compromissos são específicos de cada dispositivo; a Microchip descreve uma implementação de salto de frequência.^[6] Exigir um delta de toque maior pode suprimir toques válidos fracos, bem como sinais indesejados. Estabeleça limites através do teste completo do sistema.

Para considerações sobre a seleção de ecrã e toque para além da deteção, consulte o Guia do módulo TFT LCD com tela de toque. Para discutir um design específico, contate a RJY Display com o ecrã, a cobertura, a interface do anfitrião, as condições de utilização e os requisitos de toque. O suporte depende do projeto e dos componentes específicos.

Perguntas frequentes

Um ecrã táctil capacitivo mede a pressão do dedo?

A deteção capacitiva mede uma alteração no acoplamento elétrico. Uma medição capacitiva básica por si só não mede diretamente a força aplicada; qualquer funcionalidade de pressão necessita do seu próprio método suportado.

A deteção por capacitância própria pode suportar múltiplos toques?

Algumas implementações podem, mas uma matriz simples de linhas e colunas de capacitância própria pode ter combinações ambíguas quando vários pontos são tocados. Verifique o design específico do sensor e do controlador.

A capacitância mútua garante multi-toque?

Não. A digitalização de nós individuais de capacitância mútua pode suportar múltiplos contatos, mas o número e a separação dos contatos dependem do hardware, do firmware e das condições de teste.

Uma cobertura mais espessa ou luvas sempre impedirão o toque?

Não. Eles alteram o sinal e podem exigir um sensor adequado e ajuste. Verifique a cobertura e as luvas especificadas na montagem final.

Referências

1. Texas Instruments, Sensor Controller: Capacitive Touch.
2. Texas Instruments, CapTIvate Technology Guide: Capacitive Sensing Basics.
3. Microchip, QTouch Modular Library: Mutual Capacitance.
4. Infineon, AN85951: PSoC 4 and PSoC 6 MCU CAPSENSE Design Guide, botões matriciais e touchpads.
5. Microchip, AN2934: Capacitive Touch Sensor Design Guide.
6. Microchip, Glossary of Touch Terms: Frequency Hop Parameters.