Ottenere il massimo dai sensori tattili

I dispositivi tattili capacitivi possono rilevare il tocco delle dita misurando le variazioni capacitive su un touchpad. Attraverso questo offrono vari slider, pulsanti e funzioni Led driver. Tuttavia, per ottenere il massimo da questi sistemi è importante progettare e associare il layout del circuito stampato corrispondente in maniera corretta. L'immagine in apertura offre una visione di insieme di un sistema a sensore tattile capacitivo nel quale C0 è il valore della capacità – nota anche come base capacitance – rilevato quando nessun oggetto si trova sul pad, ∆C è la variazione di capacità o “delta count” causata dal tocco del dito. Anche se la capacità può essere in teoria calcolata utilizzando una semplice equazione di parallel plate capacitance, nella pratica ciò risulta molto più complesso dato che il sistema generale comprende compensatori, resistenze, e persino induttori, dato che tiene conto del Pcb, del rivestimento e del corpo umano. Qualsiasi calcolo quindi necessiterà di aggiustamenti per adeguarsi alle condizioni reali.

Il layout

I sensori tattili capacitivi nella gamma RightTouch, della controllata Smsc di Microchip, sono progettati per una gamma di base capacitance (sensore non toccato) tra 5 e 50 pF con una sensibilità per un tocco inferiore a 0,1 pF. La circuiteria e la logica del dispositivo compensano automaticamente la misurazione per fornire un valore coerente di ΔC sull'intero arco di base capacitance. Ciò semplifica il lavoro di progettazione di sistema e offre il massimo di flessibilità per i requisiti di layout di Pcb, scelta del rivestimento e condizioni ambientali. Per ottenere il meglio da questi sensori, è importante tenere ∆C alto rispetto al rumore, per ridurre cosi lo spessore del rivestimento ed evitare materiali conduttori per lo stesso. Le tracce Led di uscita debbono essere isolate dai Cs (Capacitive sensor) pad su differenti livelli attraverso un piano di massa tra loro. Lo stesso isolamento deve essere osservato per i pad Cs, tracce e ogni altro segnale switching sul Pcb, tra cui segnali generati da sorgenti diverse dal dispositivo sensore tattile. È comunque accettabile indirizzare tracce Cs su piani adiacenti ai pad Cs senza un piano massa di isolamento tra loro. Le tracce Cs non possono essere parallele a tracce Led di uscita sullo stesso piano o su piani adiacenti. Si deve cercare di mantenere la distanza tra Led e traccia Cs con la traccia di sicurezza a terra ad almeno tre volte la larghezza della traccia stessa. La minima distanza tra Led e traccia Cs, senza traccia di sicurezza di massa, dovrebbe essere di 1,27 mm. La larghezza minima della traccia Cs è 0,1 – 0,2 mm e la minima distanza Cs da traccia a traccia dovrebbe essere di 0,1 mm. Se una traccia Cs, a causa dei vincoli di passaggio sul Pcb, deve incrociare un segnale Led di uscita su livelli adiacenti, questi devono incrociarsi con un angolo di 90 ̊. Si deve cercare di ridurre il numero di passaggi e cambi di livello sulle tracce Cs, dato che questo aggiungerà capacità parassite. I pin Cs e Led inutilizzati dovrebbero essere terminati, con una resistenza pull-down o collegati direttamente a massa. È bene assicurarsi anche che i pin Led e Gpio non utilizzati cortocircuitati a massa non siano controllati da un firmware di controllo. Si deve sempre coprire le aree non utilizzate con un piano di massa cross-hatch 15% attorno e sotto le tracce Cs, e aggiungere percorsi verso il piano di massa per assicurare che non ci siano isole.

La progettazione

Questi sensori tattili capacitivi funzionano bene con pad Cs di ogni forma, compresi quelli più comunemente usati, quadrati, rettangolari, rotondi e ovali. Nel progettare un pad Cs ovale o rettangolare, è raccomandabile un rapporto 4:1 tra lunghezza e larghezza. In generale, un pad Cs più largo avrà un ΔC maggiore e potrà offrire un rilevamento tattile più reiterabile. Tuttavia, poiché mediamente il polpastrello del dito di un adulto ha un diametro di 10 mm, sovradimensionare il pad Cs incrementerà la sensibilità di rilevazione solo fino a un certo punto. La dimensione del pad Cs dipendono anche dallo spessore del rivestimento. Per spessori maggiori sono infatti richiesti pad Cs di dimensioni maggiori. Questi sensori possono rilevare il tocco di un dito su un pad Cs di soli 16 mm2 (4 x 4 mm) in un sistema con un rivestimento plastico di 2 mm. Per applicazioni tipiche, con uno spessore normale (1 a 3 mm) e con un rivestimento plastico, la dimensione consigliata per il pad è uguale o superiore a 29 mm2. Ove consentito dalle dimensioni della scheda e dalla posizione del pad Cs, un pad di superficie maggiore è sempre una migliore scelta. La minima distanza tra due pad Cs è di circa 1,3 mm da bordo a bordo. Tuttavia, se due pad Cs sono posizionati troppo vicini, il toccare uno dei pad potrebbe causare variazioni di capacità anche sull'altro. Per evitare tali rilevamenti non voluti la distanza minima consigliata è di 10 mm da bordo a bordo; ma anche altri fattori, come la dimensione dei pad, e la dimensione del polpastrello dell'utilizzatore, dovrebbero essere presi in considerazione. Alcuni dispositivi di rilevamento tattile capacitivo RightTouch, come il CAP1114, hanno la capacità di utilizzare diversi ingressi Cs come fossero un unico gruppo di slider. Questi slider sono simili ai pad Cs individuali e l'area pad deve essere maggiore di 29 mm2 con una distanza tra i pad circa 1,3 mm. Teoricamente, ogni forma utilizzata per un pad a pulsanti può essere utilizzata per uno a slider. Ciò nonostante, la forma a freccia dello slider offrirà risposte più lineari e senza discontinuità al passaggio di un dito da un pad all'altro. Fornirà inoltre un chiaro indicatore di direzione per il disegno schematico, layout Pcb e dei processi di assemblaggio. Durante il funzionamento tipico, i sensori tattili capacitivi Smsc effettueranno la scansione di ogni canale per verificare le variazioni di capacità e collegare tutti gli altri canali a massa. Quindi, per il pad da misurare i due vicini slider pad possono essere considerati come piani di massa. Lo slider a sette pad offrirà una buona sensibilità oltre ad una sufficiente accuratezza per la maggior parte della applicazioni, ma molte applicazioni possono anche utilizzare uno slider con meno di sette pad. Nella maggior parte delle applicazioni, la larghezza di ogni pad e la distanza tra pad stessi sarà di solito limitata dalla lunghezza totale dello slider, e anche l'altezza dello stesso verrà limitata dalle dimensioni fisiche della macchina. Ove la dimensione del pad non potesse soddisfare il requisito minimo e la conseguente diminuita accuratezza fosse accettabile, il numero di pad nello slider potrà essere ridotto a cinque, tre, o persino due per controlli solo up e down.

Immunità alle scariche elettrostatiche

Questi sensori tattili capacitivi possono resistere ad elevati livelli di scarica elettrostatica senza subire danni fisici. Inoltre, l'immunità operativa alle interferenze elettromagnetiche e ambienti Esd è ridotta attraverso tecniche proprietarie. Tuttavia, condizioni ambientali eccessive possono produrre falsi tocchi, attivare morsetti interni protettivi per Esd, o anche produrre effetti su VDD e massa che si traducono in un reset del dispositivo. Di conseguenza, è importante per la compatibilità elettromagnetica che questi siano presi in considerazione quanto prima possibile nel processo di progettazione. Tipicamente, ci sono due punti di ingresso nel sistema per l'Esd: cariche transienti che entrano attraverso una connessione board-to-board, e cariche transienti accoppiate al Pcb. Il primo metodo è quello di aumentare l'impedenza alle alte frequenze utilizzando una serie di resistenze, un nucleo in ferrite o un common mode choke sulle linee VCC e di terra. Aggiungendo diodi Tvs (Transient voltage suppression), anche noti come avalanche breakdown diodes, tra VCC e terra può derivare la corrente Esd. Possono anche essere aggiunti alle linee di comunicazione dispositivi di protezione Esd, come resistenze in serie o nucleo di ferrite. Ci sono diverse modalità per affrontare le cariche transienti accoppiate al Pcb. I punti di ingresso Esd possono essere degli spazi vuoti visibili nel materiale di rivestimento, aree dove due parti del materiale di rivestimento si uniscono, attorno al bordo del materiale di rivestimento, e cosi via. Una parte del metallo sul Pcb potrebbe essere realizzato al fine di condurre la carica Esd a terra. Questo dovrebbe essere posto come un anello di metallo attorno al bordo esterno del Pcb per condurre le correnti Esd al telaio. È anche possibile instradare la massa del segnale tra questa e tutte le tracce del Pcb. Alcuni di questi sensori possono rilevare campi Rf e ad essi reagire. Quando viene rilevato un segnale Rf, la reazione è quella di disabilitare i sensori attivi al fine di evitare falsi tocchi. Una volta che il campo Rf sia stato rimosso, i sensori vengono riattivati. Tuttavia, ci sono alcuni ambienti che richiedono lavoro addizionale per offrire immunità ai segnali Rf.

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