En ingeniería eléctrica , la detección capacitiva (a veces detección de capacitancia ) es una tecnología, basada en el acoplamiento capacitivo , que puede detectar y medir cualquier cosa que sea conductora o que tenga una constante dieléctrica diferente a la 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 sensores capacitivos, como los paneles táctiles , [1] pueden reemplazar el mouse de la computadora . Los reproductores de audio digital , los teléfonos móviles y las tabletas a veces utilizan pantallas táctiles de detección capacitiva como dispositivos de entrada. [2] Los sensores capacitivos también pueden reemplazar a los botones mecánicos.
Una pantalla táctil capacitiva generalmente consta de un sensor táctil capacitivo junto con al menos dos chips de circuito integrado (IC ) semiconductores de óxido metálico ( CMOS ) complementarios, un controlador de circuito integrado de aplicación específica (ASIC) y un procesador de señal digital (DSP). La detección capacitiva se usa comúnmente para 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 placas de circuito impreso FR4 estándar y en material flexible. ITO permite que el sensor capacitivo sea hasta un 90% transparente (para soluciones de una capa, como pantallas táctiles de teléfonos). El tamaño y el espacio del sensor capacitivo son muy importantes para el rendimiento del sensor. Además del tamaño del sensor y su separación con respecto al plano de tierra , el tipo de plano de tierra utilizado es muy importante. Dado que la capacitancia parásita del sensor está relacionada con la trayectoria 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.
El diseño de un sistema de detección de capacitancia requiere primero 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 temperatura de funcionamiento , qué frecuencias de radio están presentes y cómo interactuará el usuario con la interfaz.
Hay dos tipos de sistemas de detección capacitivos:
En ambos casos, la diferencia entre una posición absoluta anterior y la posición absoluta actual produce el movimiento relativo del objeto o dedo durante ese tiempo. Las tecnologías se detallan en la siguiente sección.
En esta tecnología básica, sólo 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 no recubierta, se forma dinámicamente un condensador . Debido a la resistencia laminar de la superficie, se mide que cada esquina tiene una capacitancia efectiva diferente. El controlador del sensor puede determinar la ubicación del toque indirectamente a partir del cambio en la capacitancia medido desde las cuatro esquinas del panel: cuanto mayor es 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 debido al acoplamiento capacitivo parásito y necesita calibración durante la fabricación. Por lo tanto, se utiliza con mayor frecuencia en aplicaciones simples como controles industriales y quioscos interactivos . [8]
La tecnología táctil de capacitancia proyectada (PCT) es una tecnología capacitiva que permite un funcionamiento más preciso y flexible al grabar la capa conductora. Una rejilla XY se forma grabando una capa para formar un patrón de rejilla de electrodos , o grabando dos capas paralelas separadas de material conductor con líneas o pistas perpendiculares para formar la rejilla; comparable a la cuadrícula de píxeles que se encuentra en muchas pantallas de cristal líquido (LCD). [9]
La mayor resolución de PCT permite el funcionamiento sin contacto directo, de modo que las capas conductoras pueden recubrirse con más capas protectoras aislantes y funcionar incluso bajo protectores de pantalla o detrás de cristales a prueba de intemperie y vandalismo. Debido a que la capa superior de un PCT es vidrio, el PCT es una solución más sólida que 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, dependiendo de la implementación y la configuración de ganancia. Las manchas conductoras e interferencias similares en la superficie del panel pueden interferir con el rendimiento. Estas manchas conductoras provienen principalmente de las yemas de los dedos pegajosas o sudorosas, especialmente en ambientes de alta humedad. El polvo acumulado, que se adhiere a la pantalla debido a la humedad de las yemas 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 por 16 tendría 192 condensadores independientes. Se aplica un voltaje a las filas o columnas. Acercar un dedo o un lápiz conductor a la superficie del sensor cambia el campo eléctrico local, lo que reduce la capacitancia mutua. El cambio de capacitancia en cada punto individual de la red se puede medir para determinar con precisión la ubicación del contacto midiendo el voltaje en el otro eje. La capacitancia mutua permite la operación multitáctil donde se pueden rastrear con precisión varios dedos, palmas o lápices ópticos al mismo tiempo. [10]
Los sensores de autocapacitancia pueden tener la misma rejilla XY que los sensores de capacitancia mutua, pero las columnas y filas funcionan de forma independiente. Con la autocapacitancia, la corriente detecta la carga capacitiva de un dedo en cada columna o fila. Esto produce una señal más fuerte que la detección de capacitancia mutua, pero no puede resolver con precisión más de un dedo, lo que resulta en una detección de ubicación "fantasma" o fuera de lugar. [11]
La capacitancia generalmente se mide indirectamente, usándola 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 para un capacitor ,
permite determinar la capacitancia a partir de la corriente instantánea dividida por la tasa de cambio de voltaje a través del capacitor:
Eso se puede integrar durante un período de tiempo de carga de a para expresarse en forma integral como:
Para un ejemplo simple de la ecuación anterior, si la corriente de carga es constante y el voltaje de arranque 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.
Este tiempo de carga o este voltaje pueden ser una constante predeterminada. Por ejemplo, si se mide después de un período de tiempo constante, entonces la capacitancia se puede determinar utilizando solo el voltaje final. Alternativamente, si se utiliza un voltaje de umbral fijo, entonces solo es necesario medir la duración del tiempo de carga para alcanzar ese umbral de voltaje.
Esta medición de la respuesta al escalón se puede repetir continuamente (por ejemplo, utilizando una onda cuadrada ).
Como ejemplo de CI 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 en un convertidor analógico a digital (ADC). [12]
El diseño de un medidor de capacitancia simple se basa a menudo en un oscilador de relajación . La capacitancia que se va a detectar forma una parte del circuito RC o circuito LC del oscilador . La capacitancia se puede calcular midiendo el tiempo de carga necesario para alcanzar el voltaje umbral (del oscilador de relajación) o, de manera equivalente, midiendo la frecuencia del oscilador. Ambos son proporcionales a la constante de tiempo RC (o LC) del circuito oscilador.
Otra técnica de medición consiste en aplicar una señal de voltaje CA de frecuencia fija a través de un divisor capacitivo (un divisor de voltaje que utiliza capacitores en lugar de resistencias). Este consta de dos condensadores en serie, uno de valor conocido y otro de valor desconocido. Luego se toma una señal de salida de uno de los condensadores. El valor del condensador desconocido se puede encontrar a partir de la relación de capacitancias, que es igual a la relación de las amplitudes de las señales de salida/entrada, como podría medirse 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 capacitancia ayuda a compensar cualquier variabilidad que pueda existir en la señal aplicada.
Si bien no es específica 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 capacitancia en lugar de voltaje. [16] [17]
La principal fuente de error en las mediciones de capacitancia es la capacitancia parásita , que si no se protege contra ella, puede fluctuar entre aproximadamente 10 pF y 10 nF. La capacitancia parásita se puede mantener relativamente constante protegiendo la señal de capacitancia (alta impedancia) y luego conectando el blindaje a una referencia de tierra (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 se necesita 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 estándar para la detección capacitiva, pero existen lápices capacitivos especiales, que son conductores, para este propósito. Incluso se puede fabricar un lápiz capacitivo envolviendo material conductor, como una película conductora antiestática, alrededor de un lápiz estándar o enrollando la película hasta formar un tubo. [19] Hasta hace poco, las pantallas táctiles capacitivas eran más caras de fabricar que las pantallas táctiles resistivas . [ cita necesaria ] Ya no (ver pantalla táctil #Construcción ). Algunos 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. Utilizando esta imagen, se han propuesto una variedad de aplicaciones. Se hace posible autenticar a los usuarios, [20] [21] estimar la orientación de los dedos al tocar la pantalla [22] [23] y diferenciar entre dedos y palmas [24] . Si bien se utilizan sensores capacitivos para las pantallas táctiles de la mayoría de los teléfonos inteligentes, la imagen capacitiva normalmente no está expuesta a la capa de aplicación.
Las fuentes de alimentación con un alto nivel de ruido electrónico pueden reducir la precisión.
Muchos diseños de lápiz óptico para pantallas táctiles resistivas no se registran en sensores capacitivos porque no son conductores. Se requieren lápices ópticos que funcionen en pantallas táctiles capacitivas diseñadas principalmente para dedos para simular la diferencia de dieléctrico que ofrece un dedo humano. [25]
