ЕМКОСТНЫЕ СЕНСОРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ NXP
С точки зрения производителя, снижение стоимости и повышение надежности устройств являются серьезными конкурентными преимуществами, особенно если неизлучающие ЖК-дисплеи этих изделий оснащены емкостными сенсорными функциями. В статье, являющейся переводом, дается краткий обзор технологий емкостных сенсорных экранов от компании NXP.
Пользовательские интерфейсы на основе сенсорных экранов стали неотъемлемой частью большинства современных приложений, будь то информационно-развлекательные системы, приборы для персонального медицинского ухода, бытовые электрооборудование или торговые терминалы. Требования к дисплеям и сенсорным функциям могут значительно различаться по стоимости и реализуемым технологиям. И хотя современные емкостные сенсорные TFT-дисплеи завоевали большую популярность в смартфонах и планшетах, эти дисплеи не всегда оказываются оптимальным решением для оборудования, предназначенного для жестких условий эксплуатации на промышленных предприятиях, или для бытовых электроприборов. Например, серийно выпускаемые беспроводные системы кондиционирования воздуха имеют ограниченное число кнопок, небольшой ток потребления и низкую стоимость. Техническое совершенствование сенсорных экранов было продиктовано стремлением создать мобильные устройства. Существует также немалое число других приложений промышленного и потребительского назначения, которые требуется оснастить емкостными сенсорными экранами, однако скорость внедрения этой технологии относительно невелика. Основная проблема при оснащении немобильных систем емкостными сенсорными экранами заключается в требуемой толщине покрытия передней части стекла. В отличие от смартфонов и планшетов, толщина накладного стекла для сенсорных дисплеев, используемых в системах автоматизации промышленного оборудования или дома, достаточно велика, чтобы противостоять износу в жестких внешних условиях. На рисунке 1 представлены характеристики смоделированной системы с емкостным сенсорным экраном. У нее имеется металлическая контактная площадка, окруженная металлическим кольцом на некотором расстоянии; на них нанесено пластиковое покрытие. Прикосновение к экрану моделировалось при разной толщине покрытия (1; 5,5 и 10 мм). На рисунке 1 представлены результаты моделирования: сплошные кривые описывают зависимость емкости между пальцем и сенсорной площад- кой, а пунктирные кривые — емкость между площадкой и окружающим ее заземляющим кольцом. Кривые первого типа используются в методе измерения емкости, а второго типа — для измерения взаимной емкости. Очевидно, что емкость между пальцем и площадкой экспоненциально увеличивается с приближением пальца к площадке, а емкость между площадкой и металлическим кольцом достигает наибольших значений при толщине покрытия 10 мм. Однако при этой толщине датчики практически не реагируют на приближение пальца к экрану. У микросхемы сенсора при заданной толщине покрытия (которая определяется механической конструкцией) самая высокая чувствительность к касанию достигается при максимальном динамическом изменении емкости. На рисунке 2 показана зависимость максимальной емкости для трех значений толщины покрытия — 1,5; 5,5 и 10 мм (см. исходный рис. 1).
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Зависимость емкости (палец-площадка и площадка-кольцо) от расстояния между поверхностью экрана и пальцем
Изменение максимальной емкости при разных значениях толщины покрытия
Три архитектуры сенсорных дисплеев компании NXP
Измерение собственной емкости
Из полученных результатов моделирования видно, что для емкостных сенсорных систем с толщиной покрытия более 1 мм наиболее предпочтительным является метод измерения собственной емкости — между пальцем и контактной площадкой. И хотя результаты моделирования показывают, что метод измерения собственной емкости работает в очень широком динамическом диапазоне, на практике этот диапазон уже из-за паразитной емкости между пальцем и любым соседним проводником. Необходимо минимизировать наличие проводников, уменьшающих собственную емкость системы, что позволит не только повысить чувствительность, но и уменьшить восприимчивость к водяным пленкам или каплям на экране. Увеличение собственной емкости при ее измерении напрямую зависит от потенциала относительно земли пальца, подносимого к экрану, и создающего плоский конденсатор. На величину этой емкости влияют также диэлектрические свойства кожи пальца, которые способствуют повышению емкости между сенсорной площадкой и кольцом с нулевым потенциалом, в результате чего уменьшается динамический диапазон изменения емкости. Частота выборки ИС сенсора изменяется в диапазоне от нескольких кГц до нескольких МГц в зависимости от технологии измерения емкости. Частота кадров (или частота регенерации изображения) ЖК-дисплея составляет всего лишь несколько сотен Гц, что является потенциальным источником помех. Эти помехи устраняются на аппаратном уровне путем добавления экранирующего слоя в дисплейную сборку, а также введением цифровых фильтров в ИС сенсоров. Емкостная сенсорная технология, реализованная специалистами компании NXP, позволяет устранить помехи за счет встроенной функции цифровой обработки сигналов. Эта функция предотвращает ложное срабатывание благодаря сигналам ЖК-дисплея. Функция автокалибровки может регулировать среднее значение емкости, на которое влияет шум ЖК-дисплея, а также водяные пленки на нем и пятна жира.
Практическая реализация
Метод измерения собственной емкости можно использовать в традиционных пассивных индикаторах путем реализации сенсорной функции. Возникает лишь вопрос, как эту возможность осуществить на практике. После тщательного анализа были реализованы разные решения, каждое из которых пригодно для конкретного приложения с учетом допустимых производственных издержек и сложности. Сенсорная технология компании NXP поддерживает три разных архитектуры сенсорных дисплеев: с накладным стеклом с сенсорным покрытием поверх стандартного дисплея (см. рис. 3а); архитектуру On-Cell, в которой сен-сорный слой размещается между сте- клом ЖК-дисплея и поляризатором (см. рис. 3б); архитектуру In-Cell, в которой сенсорный слой объединен с электродами ЖК-дисплея в единый слой (см. рис. 3в). Технология On-cell. В этой архитектуре сенсорные площадки находятся на передней части стекла дисплея под поляризатором. Преимущества такой технологии в том, что вся верхняя часть стекла дисплея задействована под площадки и соединения, а датчиковые цепи используются под более совершенные функции. Недостатки такой технологии, несмотря на меньшую стоимость ее реализации по сравнению с накладным сенсорным стеклом, заключаются в необходимости дальнейшего усовершенствования архитектуры дисплея.
Технология In-cell. В этой реализации контактные площадки находятся на том же слое, что и сегменты дисплея — эти площадки окружают электроды. Преимущество такой реализации в том, что поскольку площадки и сегменты изготовлены из одинакового слоя ITO (indium tin oxide — оксид индия и олова) и на одном этапе техпроцесса, можно считать, что сенсорный функционал, по существу, обходится условно бесплатно. Однако поскольку сенсорная и электродная структуры находятся в одном слое, возникают некоторые ограничения при установлении межсоединений, что уменьшает число сенсорных клавиш. Компания NXP предлагает для реализации технологии сенсорных экранов универсальный ассортимент драйверов ЖК-дисплеев (в корпусном и бескорпусном исполнении) с контактными выводами для монтажа перевернутых кристаллов на стеклянные подложки (Chip-on-Glass, COG) и контроллеры (в корпусах) емкостных сенсорных экранов. На рисунке 4 представлены некоторые решения по управлению (сверху вниз): упрощенная топология печатных плат; усовершенствованная модульная конструкция, повышенная степень модернизации и надежности; меньшее время на сборку, снижение стоимости тестирования, упрощение логистических операций. Как видно из приведенного рисунка, степень интеграции сенсорных дисплеев модульного типа повышается за счет реализации на одном кристалле блоков драйвера ЖК-дисплея и сенсорных функций. В результате снижается совокупная стоимость сборки для конечных заказчиков, и повышается процент выхода годных изделий. В настоящее время компания NXP совместно с ведущими производителями модулей и конечными заказчиками разрабатывает ИС, в которых объединены функции драйверов ЖК-дисплея и контроллера сенсорного экрана.
Рисунок 4
Управление емкостными сенсорными экранами