Kapazitive Berührungssensorvorrichtungen können die Berührung eines Fingers erkennen, indem sie die Kapazitätsänderungen auf einem Berührungsfeld messen. Von dort aus bieten sie verschiedene Cursor-, Tasten- und LED-Steuerungsfunktionen. Um das Beste aus diesen Systemen herauszuholen, ist jedoch das richtige Design und Layout der entsprechenden Leiterplatte wichtig.
Abb. 1 zeigt schematisch ein kapazitives Berührungssensorsystem, bei dem C0 der Kapazitätswert – auch Basiskapazität genannt – ist, wenn sich kein Objekt auf dem Panel befindet, ∆C die durch Berührung mit einem Finger erzeugte Kapazitätsänderung und Ct ist die Gesamtkapazität, die sich aus der Berührung eines Fingers ergibt.
Obwohl die Kapazität theoretisch mit einer einfachen Kapazitätsgleichung für parallele Platten berechnet werden kann, ist es in der Praxis viel komplexer, da das Gesamtsystem Kondensatoren, Widerstände und sogar Induktivitäten umfasst, da die Leiterplatte, die Beschichtung, berücksichtigt werden muss und der menschliche Körper. Daher muss jede Berechnung an reale Bedingungen angepasst werden.
Rückverfolgung
Die RightTouch-Reihe kapazitiver Berührungssensoren der SMSC-Tochter von Microchip Technology wurde für einen Betriebsbereich der Basiskapazität (ohne Sensorberührung) zwischen 5 und 50 pF mit einer Berührungsempfindlichkeit von weniger als 0,1 pF entwickelt. Die Schaltung und Logik des Geräts kompensieren die Messung automatisch, um einen zuverlässigen ΔC-Wert über den gesamten Bereich der Basiskapazität bereitzustellen. Dies vereinfacht das Systemdesign und bietet maximale Flexibilität für Platinendesign, Beschichtungsauswahl und Umgebungsanforderungen.
Um das Beste aus diesen Sensoren herauszuholen, ist es wichtig, ein hohes ∆C für Rauschen aufrechtzuerhalten, um die Beschichtungsdicke zu reduzieren und leitfähiges Beschichtungsmaterial zu vermeiden. Die LED-Ausgangsspuren müssen von den Anschlüssen des kapazitiven Sensors (CS) auf verschiedenen Ebenen durch eine zwischen ihnen platzierte Masseebene isoliert werden.
Die gleiche Isolation muss auf die CS-Leitungen und -Leiterbahnen sowie auf alle anderen Schaltsignale auf der Leiterplatte angewendet werden, einschließlich Signale, die von anderen Quellen als dem Berührungssensorgerät erzeugt werden. Es ist jedoch akzeptabel, CS-Leiterbahnen auf benachbarten Schichten zu den CS-Anschlüssen ohne eine isolierende Grundebene dazwischen zu leiten.
CS-Spuren können nicht parallel zu LED-Ausgangsspuren auf derselben oder benachbarten Ebenen sein. Versuchen Sie, den Abstand zwischen den LED- und CS-Schienen von der Bodenschutzschiene so zu halten, dass er mindestens die dreifache Breite der Schiene beträgt. Der Mindestabstand zwischen der LED-Schiene und der CS ohne Schutzleiterschiene sollte 1,27 mm betragen. Die Mindestbreite der CS-Spur beträgt 0,1 bis 0,2 mm und der Mindestabstand zwischen CS-Spuren sollte 0,1 mm betragen.
Wenn eine CS-Spur ein LED-Ausgangssignal auf angrenzenden Schichten aufgrund von Beschränkungen beim Board-Routing kreuzen muss, müssen sie sich in einem 90º-Winkel kreuzen. Versuchen Sie, die Anzahl der Durchkontaktierungen und Schichtwechsel auf CS-Spuren zu reduzieren, da diese parasitäre Fähigkeiten hinzufügen.
Nicht verwendete Pins an CS und LED sollten entweder mit einem Pulldown-Widerstand abgeschlossen oder direkt mit Masse verbunden werden. Stellen Sie sicher, dass unbenutzte GPIO- und LED-Pins, die mit Masse kurzgeschlossen sind, nicht von der Steuerungsfirmware angesteuert werden.
Decken Sie ungenutzte Flächen immer mit einer 15%igen Gittergrundplatte um und unter den CS-Plätzen ab. Fügen Sie Pfade zu den Grundebenen hinzu, um sicherzustellen, dass keine Inseln vorhanden sind.
Design
Diese kapazitiven Berührungssensoren funktionieren gut mit CS-Terminals jeder Form, einschließlich der am häufigsten verwendeten quadratischen, rechteckigen, runden und ovalen. Beim Design von rechteckigen oder ovalen CS-Terminals wird ein Verhältnis von Länge zu Breite von weniger als 4:1 empfohlen.
Im Allgemeinen hat ein größeres CS-Endgerät ein höheres ΔC und kann eine wiederholbarere Berührungserfassung bereitstellen. Da der durchschnittliche Fingerabdruck eines Erwachsenen jedoch einen Durchmesser von etwa 10 mm hat, erhöhen größere CS-Terminals die Erkennungsempfindlichkeit nur bis zu einem gewissen Grad.
Die Größe des CS-Anschlusses hängt auch von der Dicke der Beschichtung ab. Somit werden für dickere Beschichtungen längere CS-Anschlüsse benötigt. Diese Sensoren können die Berührung eines Fingers mit einer CS-Klemme ab 16 mm² (4 x 4 mm) in einem System mit 2 mm Kunststoffbeschichtung erkennen.
Für typische Anwendungen mit einer normalen Dicke (1 bis 3 mm) einer generischen Kunststoffbeschichtung ist die empfohlene Größe des Anschlusses gleich oder größer als 29 mm². Wenn die Abmessungen der Platine und die Position der CS-Klemme es zulassen, ist es immer besser, wenn die Oberfläche der Klemmen größer ist.
Der Mindestabstand zwischen zwei CS-Anschlüssen beträgt ungefähr 1,3 mm zwischen den Kanten. Wenn jedoch zwei CS-Terminals zu nahe beieinander liegen, könnte das Berühren eines Terminals eine Änderung der Kapazität des anderen verursachen. Um diese unerwünschte Erkennung zu vermeiden, beträgt der empfohlene Mindestabstand 10 mm zwischen den Kanten, aber auch andere Faktoren sollten bewertet werden, wie die Größe des Terminals und die Größe des Fingerabdrucks des Benutzers.
Einige kapazitive Sensorgeräte von RightTouch, wie z. B. das CAP1114, haben die Fähigkeit, mehrere CS-Eingänge als eine einzelne Schiebereglergruppe zu verwenden.
Abb. 2 zeigt typische Schieberformen. Sie ähneln dem Design jeder CS-Klemme und die Klemmenoberfläche muss größer als 29 mm² sein, mit einem ungefähren Abstand zwischen den Klemmen von 1,3 mm.
Theoretisch kann jede verwendete Form des Anschlusses auch für einen Schleiferanschluss verwendet werden. Die Pfeilform bietet jedoch sanftere Reaktionen, wenn ein Finger von einem Terminal zum nächsten wechselt. Es bietet auch eine klare Richtungsanzeige für schematisches Design, Leiterplattenlayout und Montageprozesse. Während des typischen Betriebs scannen die kapazitiven Berührungssensoren von SMSC jeden Kanal auf eine Kapazitätsänderung und verbinden die anderen Kanäle mit Masse. Um den Anschluss zu messen, muss daher berücksichtigt werden, dass die beiden benachbarten Gleitanschlüsse Masseebenen sind.
Der Sieben-Wege-Schieberegler bietet eine gute Empfindlichkeit sowie genügend Präzision für die meisten Anwendungen, aber viele Anwendungen können auch einen Schieberegler mit weniger als sieben Wegen verwenden. Bei den meisten Anwendungen sind die Breite jedes Stifts und der Abstand zwischen den Stiften im Allgemeinen durch die Gesamtlänge des Schiebers und auch die Höhe des Schiebers begrenzt.
n wird durch die physikalischen Abmessungen der Maschine begrenzt. Wenn die Klemmengröße die Mindestanforderungen nicht erfüllen kann und die niedrigste Genauigkeit akzeptabel ist, kann die Anzahl der Schieberklemmen auf fünf, drei oder sogar zwei reduziert werden, um eine einfache Auf- und Ab-Steuerung zu ermöglichen.
ESD und RFI
Diese kapazitiven Berührungssensoren können hohen elektrostatischen Entladungen (ESD) ohne physische Beschädigung standhalten. Darüber hinaus wird die Betriebsimmunität gegenüber elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und ESD-Umgebungen durch proprietäre Techniken reduziert. Übermäßige Umgebungsbedingungen können jedoch falsche Berührungen verursachen, interne ESD-Schutzklemmen aktivieren oder VDD und Masse beeinflussen, was zu einem Geräte-Reset führt. Deshalb ist es wichtig, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) so früh wie möglich im Designprozess zu berücksichtigen.
Es gibt im Allgemeinen zwei ESD-Zugriffspunkte auf das System: transiente Ladung, die durch eine Verbindung zwischen Platinen eingeführt wird, und die Kopplung transienter Ladungen mit der gedruckten Schaltungsplatine. Abb. 3 bietet mehrere Methoden, um mit dem Problem umzugehen.
Die erste Methode besteht darin, die Impedanz bei hohen Frequenzen zu erhöhen, indem ein Reihenwiderstand, eine Ferritperle oder eine Gleichtaktdrossel an den VCC- und Masseleitungen verwendet wird.
Durch Hinzufügen von Transient Voltage Suppression (TVS)-Dioden, auch Lawinendurchbruchdioden genannt, zwischen VCC und Masse kann der ESD-Strom kurzgeschlossen werden. Außerdem können die Kommunikationsleitungen selbst mit ESD-Schutzvorrichtungen wie Vorwiderständen oder Ferritperlen versehen werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Kopplung transienter Ladungen an die Leiterplatte zu handhaben. ESD-Zugangspunkte können sichtbare Luftspalte im Abdeckmaterial, Oberflächen sein, an denen sich die beiden Teile des Abdeckmaterials treffen, um die Kanten des Abdeckmaterials herum usw.
Ein Teil des Metalls auf der Platine kann so ausgelegt sein, dass er die ESD-Ladung zur Erde leitet. Dieser muss als Metallring um die Außenkante der Platine freigelegt werden, um den ESD-Strom zum Gehäuse zu leiten. Es ist auch möglich, die Signalmasse zwischen dieser und den anderen Spuren auf der Platine zu führen.
Einige dieser Sensoren können HF-Felder erkennen und darauf reagieren. Wenn ein HF-Signal erkannt wird, besteht die Reaktion darin, aktive Sensoren zu deaktivieren, um falsche Berührungen zu verhindern. Sobald Sie das HF-Feld entfernt haben, werden die Sensoren wieder aktiviert. Es gibt jedoch einige Umgebungen, die mehr Arbeit erfordern, um Immunität gegenüber HF-Signalen bereitzustellen.
Fazit
Die kapazitiven Sensoren der RightTouch-Familie von SMSC bieten umfangreiche Funktionen für Schieberegler, Tasten und LED-Steuerung. Um die Systemleistung zu optimieren, ist es jedoch wichtig, Leiterplatten-Layout- und Routing-Techniken korrekt einzusetzen.
