Kapazitive Touchscreens und Fingerkapazität

1. Übersicht

über die Fingerkapazität

Der Begriff "Fingerkapazität" bezieht sich auf die elektrische Ladung, die als Reaktion auf einen Berührungsbefehl auf die Oberfläche eines kapazitiven Touchscreens aufgebracht wird. Wenn ein kapazitiver Touchscreen berührt wird, absorbiert er einige elektrische Ladungen vom Körper des Benutzers. Stattdessen gibt es nur eine geringe Menge an elektrischer Entladung, die ein kapazitiver Touchscreen erkennen kann. Diese zusätzliche elektrische Ladung wird jedoch als Fingerkapazität bezeichnet, da sie vom Finger des Benutzers stammt.

Funktionsprinzip der

Fingerkapazität

Um zu verstehen, wie die Fingerkapazität funktioniert, muss man zunächst mit den grundlegenden Eigenschaften von kapazitiven Touchscreens vertraut sein. Kapazitätsbausteine sind Touchscreens, die Benutzerbefehle durch Kapazitätserfassung erkennen. Wenn sie aktiviert sind, projizieren sie ein konsistentes elektrostatisches Feld über die Display-Oberfläche. Das elektrostatische Feld wird dann über kapazitive Touchscreens gemessen.

Da der menschliche Körper elektrisch leitfähig ist, ändert sich das elektrostatische Feld eines kapazitiven Touchscreens, wenn er mit einem bloßen Finger berührt wird. Infolgedessen erhält die Display-Schnittstelle des Geräts eine kleine elektrische Ladung vom Finger des Benutzers. Infolgedessen wird das elektrostatische Feld des kapazitiven Touchscreens in der Nähe eines Berührungsbefehls stärker. Einfach ausgedrückt ist die Fingerkapazität die zusätzliche elektrische Ladung, die ein Finger der Display-Schnittstelle hinzufügt.

Die Kapazität des Fingers Dieses

elektrische Phänomen, das als "Fingerkapazität" bekannt ist, ist nicht auf einen einzelnen Finger beschränkt. Ein kapazitiver Touchscreen kann mit jedem leitfähigen Objekt bedient werden. Solange das Objekt Strom leitet, wird das elektrostatische Feld des Geräts verzerrt.

Ein leitfähiger Stift ist ein gängiges Beispiel. Leitfähige Stifte haben ein einheitliches Erscheinungsbild. Der einzige Unterschied besteht darin, dass sie aus leitfähigem Material bestehen. Wenn ein kapazitiver Touchscreen mit einem leitfähigen Stift berührt wird, wird die Kapazität eines Fingers zur Display-Schnittstelle hinzugefügt. Infolgedessen erkennt und zeichnet das Gerät die Bestellung auf, wenn diese Stelle berührt wird.

Die Fingerkapazität entsteht, wenn ein Finger oder ein anderes leitfähiges Objekt einem kapazitiven Touchscreen eine elektrische Ladung hinzufügt. Es ermöglicht kapazitätsfähigen Touchscreens, Berührungsbefehle zu erkennen. Wenn die Fingerkapazität angelegt wird, erkennt das Gerät dies als Berührungsbefehl.

Der Kondensator aus Leiterplatten

Kondensatoren werden in verschiedene Typen eingeteilt. Obwohl oberflächenmontierbare Gehäuse und LED-Komponenten in der Regel mit der Kapazität in Verbindung gebracht werden, sind lediglich zwei Leiter erforderlich, die durch eine Isolierschicht (d. h. das Dielektrikum) getrennt sind. Daher ist es relativ einfach, einen Kondensator herzustellen, bei dem die leitenden Schichten in eine Leiterplatte eingebaut sind. Betrachten Sie als Beispiel die folgende Draufsicht und Seitenansicht eines PCB-Kondensators, der als berührungsempfindliche Taste verwendet wird.

Ein Kondensator wird durch den isolierenden Raum zwischen dem berührungsempfindlichen Knopf und dem umgebenden Kupfer gebildet. Da das umgebende Kupfer mit dem Erdungsknoten verdrahtet ist, kann man sich die berührungsempfindliche Taste als Kondensator zwischen der Masse und dem berührungsempfindlichen Signal vorstellen.

Der Einfluss eines Fingers

Da die Lötstoppmaske auf der Leiterplatte und typischerweise eine Kunststoffschicht, die die Elektronik des Geräts von der Umgebung isoliert, als Barrieren zwischen dem Finger und dem Kondensator wirken, findet keine direkte Leitung statt. Dies hat zur Folge, dass der Finger den Kondensator nicht entlädt. Darüber hinaus ist die interessierende Größe die Kapazität zur gleichen Zeit und nicht die im Kondensator verbleibende Ladung.

Warum ändert sich die Kapazität, wenn ein Finger vorhanden ist? Dafür gibt es zwei Gründe: Der erste hängt mit den leitfähigen Eigenschaften des Fingers zusammen, der zweite mit seinen dielektrischen Eigenschaften.

Dielektrischer Finger

Da die Lötmaske auf der Leiterplatte und in der Regel eine Kunststoffschicht, die die Elektronik des Geräts von der Umgebung isoliert, als Barrieren zwischen dem Finger und dem Kondensator fungieren, tritt keine direkte Leitung auf. Infolgedessen entlädt der Finger den Kondensator nicht, und die interessierende Größe ist die Kapazität im selben Moment und nicht die im Kondensator verbleibende Ladung.

Da sich das elektrische Feld des Kondensators nach außen erstreckt, kann der Finger die dielektrischen Eigenschaften beeinflussen, ohne mit den Platten in Berührung zu kommen.

Da unser Körper hauptsächlich aus Wasser besteht, ist menschliches Fleisch ein hervorragendes dielektrisches Material. Die Dielektrizitätskonstante von Luft ist etwas größer als die eines Vakuums, das eins ist (etwa 1,0006 auf Meereshöhe und bei Raumtemperatur). Wasser hingegen hat eine Dielektrizitätskonstante von etwa 80, was deutlich höher ist. Infolgedessen erhöht die Wechselwirkung des Fingers mit dem elektrischen Feld des Kondensators die Dielektrizitätskonstante, was die Kapazität erhöht.

Jeder

, der schon einmal einen elektrischen Schlag erhalten hat, weiß, dass die menschliche Haut Elektrizität leitet. Wie bereits erwähnt, gibt es keine direkte Leitung zwischen dem Finger und dem berührungsempfindlichen Knopf, sodass der Finger den PCB-Kondensator nicht entladen kann. Dieser Mangel an direkter Leitung bedeutet jedoch nicht, dass die Leitfähigkeit des Fingers unwichtig ist. Im Gegenteil, der Finger dient als zweite leitende Platte eines zusätzlichen Kondensators und ist daher äußerst wichtig.

Aus praktischen Gründen wird davon ausgegangen, dass der mit dem Finger erzeugte Kondensator, der als Fingerkappe bezeichnet wird, parallel zu dem bereits auf der Leiterplatte vorhandenen Kondensator geschaltet ist. Da die Person, die das berührungsempfindliche Gerät verwendet, nicht elektrisch mit dem Masseknoten der Leiterplatte verbunden ist, sind die beiden Kondensatoren nicht "parallel" im Sinne einer Standard-Schaltungsanalyse, was die Sache kompliziert macht.

Auf der anderen Seite wird angenommen, dass der menschliche Körper aufgrund seiner relativ hohen Fähigkeit, elektrische Ladung zu absorbieren, als virtueller Boden fungiert. Dadurch ist die präzise elektrische Verbindung zwischen der Fingerkappe und der Leiterplattenkappe unwichtig. Wichtig ist, dass der Finger die Gesamtkapazität erhöht, da die Kondensatoren aufgrund des pseudoparallelen Designs der beiden Kondensatoren parallel addiert werden.

Dadurch, dass beide Systeme steuern, wie der Finger mit dem kapazitiven Berührungssensor interagiert, erhöht sich die Kapazität.

Kontakt vs. Näherung

Die vorangegangene Diskussion hebt ein faszinierendes Merkmal der kapazitiven "Berührungs"-Sensorik hervor. Neben dem physischen Kontakt kann die bloße Nähe zum Sensor zu erkennbaren Kapazitätsänderungen führen. Berührungsempfindliche Geräte werden häufig falsch identifiziert. Die kapazitive Sensortechnologie fügt mechanischen Schaltern oder Tasten ein neues Maß an Funktionalität hinzu, indem sie es Systemen ermöglicht, den Abstand zwischen einem Sensor und einem Finger zu berechnen.

Die Auswirkungen der oben genannten kapazitätsverändernden Verfahren sind umgekehrt proportional zur Entfernung. Wenn sich der Finger den leitenden Bereichen des PCB-Kondensators für die auf Dielektrizitätskonstanten basierende Methode nähert, interagiert ein fleischigeres Dielektrikum mit dem elektrischen Feld des Kondensators. Infolgedessen ist die Kapazität der Fingerkappe für den leitfähigkeitsbasierten Mechanismus wie bei jeder anderen Kappe umgekehrt proportional zum Abstand zwischen den leitenden Platten.

Denken Sie daran, dass dies keine Methode zur Bestimmung des genauen Abstands zwischen dem Sensor und dem Finger ist. Die kapazitive Abtastung liefert nicht die Informationen, die für genaue Berechnungen der absoluten Entfernung erforderlich sind. Da kapazitive Sensorschaltungen jedoch darauf ausgelegt sind, Kapazitätsänderungen zu erkennen, eignet sich diese Technologie für die Erkennung von Entfernungsänderungen, d. h. während sich ein Finger in der Nähe oder Entfernung von einem Sensor bewegt.

2. Die Vorteile von kapazitiven Touchscreens

Haltbarkeit

Einer der Hauptvorteile eines projizierten kapazitiven Touchscreens ist seine Zähigkeit. Touch-Displays haben ein breites Anwendungsspektrum in der Wirtschaft. Wenn die Funktion sorgfältig ausgewählt und erstellt wird, wird der kapazitive Touchscreen nicht durch häufige Probleme wie Staub und Feuchtigkeit beschädigt. Nach der Oberflächenbehandlung mit AG, AR und AF kann es erfolgreich sein, die Lichtreflexion zu reduzieren, Fingerabdrücke zu vermeiden und Kratzer zu verhindern. Darüber hinaus hält der projizierte kapazitive Touchscreen länger, wenn er sorgfältig ausgewählt und entwickelt wird, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Zuverlässigkeit

Darüber hinaus ist es aufgrund seiner Langlebigkeit äußerst unwahrscheinlich, dass der projizierte kapazitive Touchscreen zerkratzt wird. Selbst wenn die Oberfläche durch einen Unfall zerkratzt wird, funktioniert der projizierte kapazitive Touchscreen normal, es sei denn, die rückseitig angebrachte leitfähige Matrix wird beschädigt. Diese Funktionalität wird bereitgestellt, da sie unabhängig von Schäden weiterhin Änderungen des erzeugten elektrischen Feldes misst.

Touch-Präzision

Einer der Hauptgründe, warum diese Technologie in der Unterhaltungselektronik so beliebt ist und mittlerweile in kommerziellen/industriellen Anwendungen so erfolgreich ist, ist, dass es sich um eine hochempfindliche Touch-Technologie handelt, die nur auf Finger oder leitfähige Stifte reagiert (was bedeutet, dass das Risiko eines "falschen Kontakts" gering ist). Während unbelebte Objekte optische oder akustische Touch-Displays beeinträchtigen können, erfordern resistive Touchscreens mehr Belastung als projizierte kapazitive Touchscreens (Regen, Blätter, Krawatten, Manschetten usw.).

Bildschärfe

Da sie in der Regel aus klarem, unbeschichtetem Glas mit einer Matrix aus Mikroleitern auf der Rückseite bestehen, bieten projizierte kapazitive Touch-Displays im Vergleich zu den meisten anderen Touch-Technologien oft eine überlegene Bildqualität. Kapazitive Displays sind ideal für die neuesten HD-, UHD- und OLED-Displays.

Um Signale zu erzeugen, benötigen kapazitive Touch-Displays nur eine Berührung, keinen Druck. Während für die resistive Technologie eine herkömmliche Kalibrierung erforderlich ist, ist für kapazitive Touchpanels nach der Herstellung nur eine Kalibrierung oder gar keine Kalibrierung erforderlich.

Da sich die Komponenten in einem kapazitiven Touchscreen nicht bewegen müssen, hat die kapazitive Lösung eine längere Lebensdauer. Bei resistiven Touchscreens muss die obere ITO-Folie dünn und flexibel sein, um sich nach unten zu biegen und mit der unteren ITO-Folie in Kontakt zu kommen.

Die kapazitive Technologie übertrifft die resistive Technologie in Bezug auf Lichtverlust und Stromverbrauch des Systems. Der Gegenstand, der mit dem Bildschirm in Berührung kommt, bestimmt, ob kapazitive oder resistive Technologie verwendet wird. Wird er mit dem Finger berührt, ist ein kapazitiver Touchscreen vorzuziehen. Ein resistiver Touchscreen, egal ob aus Kunststoff oder Metall, kann als Stift fungieren. Es ist auch möglich, einen Stift mit einem kapazitiven Touchscreen zu verwenden. Es ist jedoch ein kompatibler Stift erforderlich.

Der induktiv kapazitive Typ wird häufig für kleine und mittelgroße Touchscreens verwendet und kann Gesten erkennen. Der kapazitive Typ Surface hingegen kann für großformatige Touch-Displays verwendet werden und hat einen geringen relativen Anteil, unterstützt aber derzeit keine Gestenerkennung.