Detección capacitiva

En ingeniería eléctrica , la detección capacitiva (a veces llamada detección de capacitancia ) es una tecnología, basada en el acoplamiento capacitivo , que puede detectar y medir cualquier cosa que sea conductora o tenga una constante dieléctrica diferente a la del aire. Muchos tipos de sensores utilizan la detección capacitiva, incluidos los sensores para detectar y medir proximidad , presión, posición y desplazamiento , fuerza , humedad , nivel de fluido y aceleración . Los dispositivos de interfaz humana basados ​​en detección capacitiva, como los paneles táctiles , ^{[ 1 ]} pueden usarse en lugar de un ratón de ordenador . 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 los botones mecánicos.

Una pantalla táctil capacitiva generalmente consta de un sensor táctil capacitivo junto con al menos dos chips de circuito integrado (CI) de semiconductor de óxido metálico complementario ( CMOS ) , un controlador de circuito integrado de aplicación específica (ASIC) y un procesador de señal digital (DSP). La detección capacitiva se usa comúnmente en pantallas multitáctiles móviles , popularizada por el iPhone de Apple en 2007. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Los sensores capacitivos se fabrican con diversos materiales, 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 , así como en materiales flexibles. El ITO permite que el sensor capacitivo sea hasta un 90 % transparente (para soluciones de una sola capa, como las pantallas táctiles de los teléfonos). El tamaño y la separación del sensor capacitivo son cruciales para su rendimiento. Además del tamaño del sensor y su separación con respecto al plano de tierra , el tipo de plano de tierra utilizado es fundamental. Dado que la capacitancia parásita del sensor está relacionada con la trayectoria del campo eléctrico (campo E) hacia tierra, es importante elegir un plano de tierra que limite la concentración de líneas de campo E en ausencia de cualquier objeto conductor.

El diseño de un sistema de detección de capacitancia requiere, en primer lugar, seleccionar el tipo de material sensor (FR4, Flex, ITO, etc.). También es necesario comprender el entorno en el que operará el dispositivo, como el rango completo de temperatura de funcionamiento , las radiofrecuencias presentes y la forma en que el usuario interactuará con la interfaz. Herramientas como CapExt, ^{[ 5 ]} ANSYS Q3D Extractor, ^{[ 6 ]} y soluciones de FastFieldSolvers ^{[ 7 ]} pueden emplearse para optimizar los diseños mediante la mejora de la sensibilidad, el modelado preciso de campos electromagnéticos y el mejoramiento del rendimiento en diversas condiciones ambientales.

Existen dos tipos de sistemas de detección capacitiva:

1. capacitancia mutua, ^{[ 8 ]} donde el objeto (dedo, lápiz óptico capacitivo ) altera el acoplamiento mutuo entre los electrodos de fila y columna, que se escanean secuencialmente; ^{[ 9 ]} y
2. autocapacitancia , donde el objeto (como un dedo) carga el sensor o aumenta la capacitancia parásita a tierra.

En ambos casos, la diferencia entre la posición absoluta precedente y la posición absoluta actual proporciona el movimiento relativo del objeto o del dedo durante ese tiempo. Las tecnologías se explican con más detalle en la siguiente sección.

Capacitancia proyectada

La tecnología táctil capacitiva proyectada (PCT) es una tecnología capacitiva que permite un funcionamiento más preciso y flexible mediante el grabado de la capa conductora. Se forma una cuadrícula XY grabando una capa para crear un patrón de electrodos , o grabando dos capas paralelas separadas de material conductor con líneas o pistas perpendiculares para formar la cuadrícula; comparable a la cuadrícula de píxeles que se encuentra en muchas pantallas de cristal líquido (LCD). ^{[ 12 ]}

La mayor resolución de la tecnología PCT permite su funcionamiento sin contacto directo, de modo que las capas conductoras pueden recubrirse con capas aislantes protectoras adicionales, y funcionar incluso bajo protectores de pantalla o detrás de un cristal resistente a la intemperie y al vandalismo. Dado que la capa superior de una pantalla PCT es de vidrio, esta tecnología es una solución más robusta que la tecnología táctil resistiva. Según la implementación, se puede usar un lápiz óptico activo o pasivo en lugar del dedo o además de él. Esto es común en dispositivos de punto de venta que requieren la captura de firmas. Es posible que no se detecten los dedos enguantados, dependiendo de la implementación y la configuración de ganancia. Las manchas conductoras y otras interferencias similares en la superficie del panel pueden afectar el rendimiento. Estas manchas conductoras provienen principalmente de las yemas de los dedos pegajosas o sudorosas, especialmente en entornos 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.

Existen dos tipos de PCT: capacitancia propia y capacitancia mutua.

Los sensores capacitivos mutuos tienen un condensador en cada intersección de cada fila y cada columna. Una matriz de 12 x 16, por ejemplo, tendría 192 condensadores independientes. Se aplica un voltaje a las filas o columnas. Al acercar un dedo o un lápiz óptico conductor a la superficie del sensor, cambia el campo eléctrico local, lo que reduce la capacitancia mutua. El cambio de capacitancia en cada punto de la cuadrícula se puede medir para determinar con precisión la ubicación del toque midiendo el voltaje en el otro eje. La capacitancia mutua permite el funcionamiento multitáctil, donde se pueden rastrear con precisión varios dedos, palmas o lápices ópticos simultáneamente. ^{[ 13 ]}

Los sensores de autocapacitancia pueden tener la misma cuadrícula 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 por capacitancia mutua, pero no puede distinguir con precisión más de un dedo, lo que provoca un efecto fantasma o una detección de ubicación errónea. ^{[ 14 ]}

La capacitancia se mide típicamente de forma indirecta, utilizándola 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 reordenando la relación corriente-voltaje para un capacitor ,

$${\displaystyle I(t)=C{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}\,,}$$

permite determinar la capacitancia a partir de la corriente instantánea dividida por la tasa de cambio de voltaje a través del condensador:

$${\displaystyle C={\frac {I(t)}{\frac {\mathrm {d} V(t)}{\mathrm {d} t}}}\,.}$$

Eso se puede integrar durante un período de tiempo de carga desde${\displaystyle t_{0}}$a${\displaystyle t_{1}}$debe expresarse en forma integral como:$${\displaystyle C={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{1}}I(t)\,\mathrm {d} t}{(V(t_{1})-V(t_{0}))}}\,.}$$

Las pantallas táctiles capacitivas son más sensibles que las resistivas (que reaccionan a cualquier objeto ya que no se necesita capacitancia). Sin embargo, la capacitancia proyectiva mejora la precisión de una pantalla táctil, ya que forma una cuadrícula triangulada alrededor del punto de contacto ^{[ 21 ]} .

Un lápiz óptico estándar no se puede usar para la detección capacitiva, pero existen lápices ópticos capacitivos especiales, que son conductores, para este propósito. Estos lápices ópticos especiales solían ser más caros, pero el costo de esta tecnología ha disminuido considerablemente y ahora los lápices ópticos capacitivos están ampliamente disponibles a un precio simbólico, e incluso a veces se regalan con accesorios para móviles. Consisten en un vástago conductor de electricidad con una punta de goma conductora suave, que conecta los dedos a la punta del lápiz óptico mediante resistencia. Incluso se puede fabricar un lápiz óptico capacitivo envolviendo un lápiz óptico estándar con material conductor, como una película conductora antiestática, o enrollando la película en forma de tubo. ^{[ 22 ]}

Algunas pantallas táctiles capacitivas no se pueden usar con guantes y pueden dejar de funcionar correctamente incluso con una pequeña cantidad de agua en la pantalla.

Las pantallas táctiles capacitivas solían ser más caras de fabricar que las pantallas táctiles resistivas .

Los sensores capacitivos mutuos pueden proporcionar una imagen bidimensional de los cambios en el campo eléctrico. Utilizando esta imagen, se han propuesto diversas aplicaciones. Se hacen posibles la autenticación de usuarios, ^{[ 23 ] [ 24 ]} la estimación de la orientación de los dedos que tocan la pantalla ^{[ 25 ] [ 26 ]} y la diferenciación entre dedos y palmas ^{[ 27 ]} . Si bien los sensores capacitivos se utilizan en las pantallas táctiles de la mayoría de los teléfonos inteligentes, la imagen capacitiva generalmente 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 lápices ópticos para pantallas táctiles resistivas no funcionan en sensores capacitivos porque no son conductores. Los lápices ópticos que funcionan en pantallas táctiles capacitivas, diseñadas principalmente para los dedos, deben simular la diferencia dieléctrica que ofrece un dedo humano. ^{[ 28 ]}

• Lista de fabricantes de soluciones táctiles
• Theremin

• Parte 1: Fundamentos de la tecnología táctil capacitiva proyectada, Geoff Walker, junio de 2014. Archivado el 1 de diciembre de 2023 en Wayback Machine.
• Bibliografía comentada sobre informática táctil/con lápiz óptico y reconocimiento de escritura a mano, Rueters-Ward Services, 2016