Исследование и разработка координатных датчиков для емкостных сенсорных экранов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Исследование и разработка координатных датчиков для емкостных сенсорных экранов

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

кандидата технических наук

Волков Александр Юрьевич

Санкт-Петербург - 2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Степанов В.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Степанов Р.М.

кандидат технических наук, доцент Изумрудов О.А.

Ведущая организация - ОАО «НИИ Системотехники»

Защита диссертации состоится «__» _______ 2006 года в __ часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «___»______________2006 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Мошников В.А.

датчик резистивный аналоговый сенсорный

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Емкостные сенсорные экраны являются одним из динамически развивающихся направлений сенсорных устройств ввода информации. Их параметры позволяют успешно использовать емкостные сенсорные экраны в составе различных информационных систем - в информационно-справочных системах, автоматизированном обучении, в системах управления производственными процессами, в военной электронике и т.д. Бурное развитие микропроцессорных технологий сделало емкостные сенсорные экраны более доступными и простыми в производстве.

Анализ современного рынка устройств сенсорного ввода показывает, что, несмотря на достоинства емкостной сенсорной технологии, она не всегда может успешно конкурировать с другими сенсорными технологиями из-за относительно большой погрешности определения координаты касания, необходимости перекалибровки, сложности математической модели определения координат и зависимости параметров панели от внешних факторов.

На данный момент наблюдается постоянный рост требований, предъявляемых к сенсорным устройствам ввода. Для современных емкостных сенсорных экранов актуальными задачами являются повышение точности определения координаты касания, уменьшение времени отклика, упрощение процесса калибровки, создание платформонезависимых решений.

Настоящая работа посвящена созданию емкостного координатно-чувствительного датчика в составе сенсорного экрана, не уступающего по параметрам аналогичным датчикам, выполненным по конкурирующим технологиям.

Целью диссертационной работы является: экспериментально-техническое исследование и разработка емкостных координатно-чувствительных датчиков с улучшенными характеристиками для сенсорных устройств ввода информации.

Для достижения поставленных целей потребовалось решить следующие теоретические и практические задачи:

- определить зависимость параметров сенсорного экрана от отдельных элементов датчика;

- разработать оптический метод контроля однородности поверхностного сопротивления, позволяющий работать со всей поверхностью сенсорной панели и дающий погрешность не более 10%;

- разработать метод определения однородности состава напыленного на панель резистивного слоя, позволяющий работать со всей поверхностью сенсорной панели и определяющий наличие примесей, содержание которых в напыленном слое более 2% объема;

- создать программное обеспечение, включающее математическую модель, для автоматизации процесса расчета распределения потенциала по поверхности сенсорной панели при различных конфигурациях электродов. Найти оптимальную конфигурацию электродов и реализовать ее на практике;

- произвести моделирование процессов работы аналоговой части сенсорного экрана и выявить оптимальные параметры работы сенсорного экрана;

- модернизировать систему возбуждения сенсорной панели;

- реализовать предложенные идеи в емкостном сенсорном экране.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований на защиту выносятся следующие научные положения:

- разностная картина оптического пропускания слоя SnO₂, осажденного на стекле, в спектральных областях, соответствующих оптической прозрачности и поглощению позволяет определить наличие включений при содержании последних в слое, превышающем 2% объема.

- Выравнивание потенциалов экранирующего слоя предэкранной сенсорной панели и управляющих электродов позволяет повысить чувствительность емкостного координатного датчика в 5…7 раз.

- Раздельные электроды из набора дискретных контактных площадок позволяет увеличить точность определения координат касания в 4…6 раз, за счет линеаризации поля на поверхности сенсорной панели.

Научная новизна работы отражается в следующих результатах:

- Разработана методология для определения равномерности распределения сопротивления по поверхности предэкранной сенсорной панели в составе координатно-чувствительного датчика;

- Получена оптимальная конфигурация электродов, обеспечивающая однородность электрического поля на поверхности предэкранной сенсорной панели, с помощью оригинальной математической модели;

- Разработан новый способ возбуждения предэкранной сенсорной панели, обеспечивающий существенное улучшение технических характеристик сенсорных устройств ввода информации и управления.

Практическая значимость заключается в следующих достижениях:

- Разработка экспресс-метода контроля пленочных покрытий сенсорных панелей с помощью сканирующей системы, позволяющего на больших площадях определять распределение поверхностного сопротивления и нарушения однородности состава слоя оксида олова.

- Разработка емкостных координатно-чувствительных датчиков с высокой чувствительностью, помехоустойчивостью, линейностью выходной характеристики и инвариантностью. На этой основе возможно построение емкостных сенсорных экранов, не уступающих по своим параметрам лучшим зарубежным аналогам.

Достоверность и обоснованность проведенных исследований и созданных математических моделей подтверждается на основе анализа параметров реализации отдельных компонентов и данных, полученных на основе исследования экспериментального образца сенсорного датчика.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования и результаты, полученные в процессе работы над темой, были доложены и одобрены на следующих конференциях:

1. Конференции «Вакуумная техника и технология» 2005 и 2006 годов.

2. 58-я, 59-я и 60-я ежегодные конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ».

3. 60-я и 61-я НТК посвященная дню радио. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ».

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы, из них - 3 статьи и одна работа в материалах научно технической конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 56 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 57 рисунков и 7 таблиц.

Содержание диссертации

Во введении описан текущий технологический уровень сенсорных экранов и области их применения. Выделены тенденции развития емкостной сенсорной технологии и параметры современных емкостных снсорных экранов. Обоснована актуальность модернизации существующих решений. Сформулированы основные цели работы, показана её научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Приведены выносимые на защиту научные положения, даны сведения о структуре работы.

В первой главе произведен литературный обзор уровня современного развития сенсорных технологий. Рассмотрены наиболее популярные сенсорные технологии, описаны области их применения и произведен сравнительный анализ. Показано, что широкое распространение емкостных сенсорных экранов обуславливается такими их достоинствами как большой ресурс, высокая вандалостойкость, относительная простота изготовления.

Представлено описание структуры емкостного сенсорного экрана, который включает в себя датчик в виде емкостной сенсорной панели, устройство обработки информации (реализованное или на отдельной печатной плате или в программном драйвере устройства), и математическую модель расчета координат. Приведены типовые схемы подключения датчика, и описаны принципы работы устройства.

Приведен пример расчета координат касания и кратко рассмотрены существующие математические модели для определения точки касания.

Во второй главе произведен анализ методов нанесения оксидных пленок олова и индия. Определены особенности методов химического осаждения покрытий из парогазовой фазы, методов распыления материалов ионной бомбардировкой, методов ионно-лучевого испарения, метод катодного распыления, диодного распыления, магнетронного распыления, термического испарения и др.

На основе анализа перечисленных методов сделан вывод об оптимальности магнетронного метода для напыления резистивных слоев на поверхность сенсорной панели.

Описан пример технологии получения панели на основе магнетронного метода - на стекло с двух сторон производилось напыление низкоомного экранирующего слоя и высокоомного рабочего или резистивного. Сопротивление низкоомного слоя составляет порядка 100 Ом/см². Сопротивление резистивного слоя составляет порядка 15 КОм/см². Толщина низкоомного слоя составляет около 0.4 мкм Толщина высокоомного слоя составляет менее 0.2 мкм. Напыление производится в среде 30% Ar и 70% O₂. Катод состоит из 5% In и 95% Sn.

Напыление производится при токе 1.2 А и напряжении 2-2.2 КВ. После напыления производится вакуумная очистка при температуре около 350^оС и давлении 3^.10^-4 Па. Из-за несоответствия разметов мишени и панели часто наблюдается неоднородность сопротивления от центра к краям панели.

Проведен анализ существующих методов контроля качества и сформированы требования к разрабатываемому методу.

Выделен ряд недостатков панели, изготовленной по магнетронному методу: толщина, электрические и оптические характеристики пленок SnO₂:In₂O₃ существенно зависят от ряда трудно контролируемых параметров установки магнетронного реактивного распыления. К таким параметрам относятся парциальное давление кислорода в технологической камере, стабильность работы мишени и температура подложки. Следствием этого является неоднородность общего сопротивления слоя от образца к образцу и возможность наличия включений (локальных дефектов) пленочного покрытия.

Сформулированы основные проблемы, возникающие при калибровке емкостных сенсорных экранов:

- из-за конструктивно-технологических факторов при простой электродной системе, нанесенной по продольным краям панели, поле на ее поверхности сильно неоднородно,

- неоднородность электрических и оптических характеристик пленок SnO₂:In₂O₃, а так же дрейф сопротивления пленочного покрытия под действием внешних факторов (температура, влажность и прочее).

Рис. 1. Пример интерполяции координат прикосновения

На рисунке 1 приведен пример воздействия неоднородностей на точность определения координаты прикосновения. Для построения данной картины оператор проводит пальцем по поверхности сенсорной панели, очерчивая прямоугольник с координатами X,Y = 0.8 относительно габаритного размера. Линии 1 и 2 отображают данные до и после сплайн-аппроксимации соответственно. Использование программных методов, включающих модели на основе линейных сплайнов, с числом треугольников 90 и более, дает хорошие результаты по нейтрализации неравномерности удельного сопротивления слоя SnO₂:In₂O₃, однако, на рисунке 1 видна область локальной неоднородности пленочного покрытия с низкой точностью определения координат касания.

Дрейф общего сопротивления оксидных пленок приводит к смещению распределения электрического поля и нарушению точности определения положения пальца оператора. Этот эффект может быть компенсирован применением специальных схем контроллера. Локальные дефекты являются фактором катастрофическим, существенно нарушая точность определения координат прикосновения.

Так как критическими являются локальные дефекты, то необходимо что бы искомый метод позволял находить основные типы таких дефектов.

Не смотря на то, что диоксид олова занимает значительную часть объема напылённого покрытия, даже незначительные вкрапления Sn или SnO могут значительно изменить картину распределения сопротивлений.



Рис. 2. Схема прохождения светового потока через сенсорную панель

Разработанный оптический метод основан на анализе картины ослабления светового потока. Примерная схема его прохождения через сенсорную панель представлена на рисунке 2.

Источник светового излучения 1 перемещается над поверхностью сенсорной панели. Коэффициент ослабления светового излучения зависит от толщины слоя, который нужно преодолеть фотонам. Нанесенное покрытие не одинаково по толщине, это вызвано относительно небольшим расстоянием до распыляемой мишени. Из-за этого лучи 3 и 4 будут иметь разные коэффициенты ослабления.

Разность ослабления светового излучения может быть рассчитана по следующей формуле:

(1)

где I - разность ослабления светового излучения, I₀- интенсивность плоской монохромной световой волны на выходе из слоя поглощающего вещества толщиной x, ? - коэффициент поглощения.

Данная формула выведена из закона Бугера с учетом особенностей устройства данной сенсорной панели.

Из полученного выражения следует, что будет равна нулю в случае, если и экспоненциально зависит от их разности.

Интенсивность светового излучения является параметром, который просто определить, что позволяет построить ряд методов контроля качества. В случае наличия неоднородности, которая имеет другое значение коэффициента ослабления, чем у напыляемого вещества, достаточно анализа прошедшей интенсивности светового излучения однако часто у диэлектриков довольно часто наблюдается селективное поглощение света из-за отсутствия свободных электронов и резонансного поглощения. В случае использования светового потока всех длин волн выделить такую неоднородность довольно трудно. В случае использования двух различных длин волн можно определять и такой вид дефектов.

Произведена спецификация дефектов на локальные, глобальные и периодические. Локальные дефекты - это трещины и царапины на поверхности сканера, пыль или другие вещества случайно попавшие в область сканирования, глобальные помехи возникают вследствие погрешности сканирующего или засвечивающего элемента. Периодические помехи возникают вследствие неплотного прижатия тестируемого стекла, перепадов напряжения в электросети, посторонние вибрации и т.п.

Оптический метод основан на анализе картины прошедшего через резистивный слой емкостной сенсорной панели оптического излучения. Источником света в процессе сканирования является ртутная лампа, входящая в состав сканера. Устройством перемещения выступает сканер.

Изначально получается картина ослабления и при помощи разностного метода удаляются помехи. После этого производится анализ полученного изображения. Оно имеет в своем составе более светлые и более темные участки, которые характеризуют области различие как по составу, так и по толщине напыленного покрытия. На основе контрастной картины можно определить участки с наибольшим и наименьшим сопротивлением.

Пример контрастной разностной картины и картины, полученный непосредственным измерением сопротивлений представлен на рисунке 3а.

Рис. 3. Картина поверхностного сопротивления (а) и контрастная картина прошедшего излучения (б)

На рисунке 3б представлена контрастная картина прошедшего излучения, полученная с помощью сканера и обработанная математическими методами. Погрешность измерения составляет 10%, на каждую отдельно измеренную точку.

К плюсам данного метода можно отнести: скорость, простоту, доступность и дешевизну. Это обусловлено как распространенностью и простотой сканирующих устройств, так и простотой анализа полученной информации. В случае проведения тестирования на настроенном оборудовании оно занимает от 3 до 5 минут для всей поверхности сенсорной панели.

К минусам относятся довольно большая погрешность измерений и низкая вероятность определения неоднородности состава.

В случае напыления SnO₂ возможно появление капельной фракции и Sn_xO_y соединений. Для определения состава нужно определить спектральные зависимости коэффициента поглощения для каждой отдельной примеси и найти те длины волн, при которых различия коэффициентов ослабления максимальны. Далее возможно проведение сканирования резистивного слоя на каждой длине волны в отдельности и получение разностных картин, когда при нормированной яркости и повышенной контрастности из одного полученного изображения вычитается другое.

На рисунке 4 представлены результаты сканирования и обработки результатов измерений.

Рис. 4. Результаты сканирования и обработки результатов

Для определения однородности состава пленки SnO₂ используются фильтры двух типов B+W KB 12 и HMC SKYLIGHT 1B.

Рисунки 4а, 4б и 4в изображают части панели без фильтра, с первым и вторым фильтрами соответственно.

Рисунок 4г - пример наложения инвертированного изображения, 4д - результат наложения, 4е - найденная неоднородность.

Проверка данной сенсорной панели другими методами подтверждает наличие неоднородностей, найденных разработанными оптическими методами.

Можно утверждать, что вышеописанный метод подходит для любых прозрачных пленок, напыленных на прозрачную подложку, при условии, что коэффициент ослабления светового потока пленкой будет значительно больше аналогичного коэффициента у подложки и зависимости спектрального ослабления будут различаться для основного вещества пленки и искомых примесей.

В третьей главе рассматриваются методы определения координат касания и разрабатывается технология линеаризации электрического поля на поверхности сенсорной панели.

Для точного определения координат точки касания необходима компенсация нелинейности выходной характеристики датчика, связанной главным образом с неоднородностью распределения напряжения по поверхности резистивного слоя из-за краевых эффектов. Влияние краевых эффектов обуславливает существенную кривизну чувствительной поверхности, поэтому расчетные сенсорные координаты не совпадают с координатами точек касания. Контакт пальца с экраном по линейным координатам X,Y без использования аппроксимации дает изображение в центре, близкое по форме к эллипсу, рис. 5



Рис. 5. Х,Y координаты в двухкоординатной схеме возбуждения

Простые математические модели (линейная, квадратичная, кубическая) не дают должного эффекта. Метод сплайн-аппроксимация на основе линейных сплайнов не позволяет получить необходимую точность в определении координат.

Доказано, что для увеличения точности расчетов координаты касания, а так же для упрощения и увеличения быстродействия математической модели необходимо линеаризовать электрическое поле на поверхности предэкранной панели.

Экспериментальные методы, в данном случае, являются неэффективными, поэтому, для нахождения оптимальной конфигурации электродов, используются расчетные методы.

Проведен анализ существующих средств для расчета картины поля и принято решение о разработке собственного программного обеспечения, включающего математические модели разной степени точности для нахождения оптимальной конфигурации электродов. Минимальное разрешение математической модели является 512х384 контрольных точек.

Модель расчета и ее графическая оболочка выполнены на языке программирования Java 1.5, ориентированного для запуска приложений на различных платформах. Модель позволяет обрабатывать различные конфигурации электродов и отображать результат графически. Для моделирования реальных ситуаций имеется возможность указать неравномерность напыленного слоя от центра к краям сенсорной панели. Автоматический анализ результатов позволяет графически отображать не только картину распределения поля, но и коэффициенты, определяющие его однородность.

Разработаны три различных алгоритма расчета.

Наиболее простым является алгоритм линейного расчета. В процессе его выполнения используется двухмерный массив элементов. Каждая ячейка представляет различный по сопротивлению элемент поверхности панели. Далее производится определение потенциала в каждой точке этого массива.

Для всех точек вычисляется сопротивление между ней и каждым из электродов. Далее напряжение вычисляется как:

(2)

где: E1 - первый электрод, E2 - второй электрод, R1 - сопротивление между первым электродом и «ij»точкой поверхности, R2 - сопротивление между вторым электродом и «ij»точкой поверхности, Pij - произвольная точка поверхности с координатами «ij»

Таким образом, основной задачей становится задача определения R1 и R2. Для решения этой задачи выведена следующая формула:

(3)

где: i1 и j1 координаты точки электрода, а i2 j2 координаты точки панели.

Данный алгоритм производит расчет панели из 60 000 элементов за время порядка 2-3 секунд и обладает значительными погрешностями.

Алгоритм расчета полного линейного сопротивления производит расчет сопротивления не только с ближайшей точкой электрода, но и со всеми остальными точками. Таким образом, формула 2 полностью подойдет и в данном случае. Расчетная система представляет собой большое число параллельных сопротивлений. Общее сопротивление между электродом определяется следующим образом:

(4)

где: , L_arr - массив из расстояний между рабочей точкой и точками электродов.

Данный алгоритм является более точным и позволяет учитывать неоднородности поверхностного сопротивления. Расчет панели из 60000 элементов производится за время порядка 300-400 секунд.

Наиболее точным является алгоритм границы, его идея заключается в создании объемной картины протекания заряда. Для проведения данного расчета моделируется так называемая линия границы, которая является перпендикуляром к прямой, соединяющей точку электрода и точку поверхности. Изначально данный перпендикуляр обладает небольшой длинной и строится в непосредственной близости от точки электрода, а модель вычисляет сопротивление от точки электрода до каждой точки перпендикуляра. Далее линия границы перемещается, ее длинна, увеличивается на шаг перемещения и производится расчет новых сопротивлений на основе уже полученных. Расчет сопротивления каждой следующей точки производится на основе расчета протекания токов по 6 прилегающим окружающим точкам.

Основным недостатком является длительное время работы - порядка нескольких часов.

Для детального анализа неоднородности поля используются переменные, определяющие неоднородность поля в каждом столбце активной зоны (?Ucol), суммарную неоднородность поля (?Usum), относительную неоднородность поля (?Udiff).

Неоднородность поля в каждом столбце показывает нормированный максимальный разброс напряжений в каждой вертикальной проекции панели. Нулевой разброс будет характеризовать линеаризованное (однородное) поле на поверхности сенсорной панели. Данные переменные рассчитаны по следующим формулам:

(5)

(6)

(7)

где: arr - массив элементов поверхностных сопротивлений, actX, actY - размеры активных областей по Х и У координатам..

Графический интерфейс модели представлен на рисунке 6.

Рис. 6. Графический интерфейс модели

Слева представлено поверхностное сопротивление панели, по центру распределение поля на поверхности панели, а справа неоднородность поля в каждом отдельном столбце.

Исходя из требований к электродам было предложено несколько вариантов.(рис. 7).

Рис. 7. Варианты конфигурации электродов

С помощью линейной модели были определены тенденции изменения распределения поля на поверхности при изменении конфигурации электродов и определено их оптимальное расположение.

Расчеты показали, что наилучшими параметрами обладает вариант «в» при активной области D=0,7. Результаты для всех трех панелей представлены в таблице 1

Таблица 1. Обобщенные результаты для различных конфигураций

Вариант расположения	?Usum (В)	?Udiff (В/точ)
а	6584	0.17
б	8433	0.21
в (D=0.8)	2564	0.06
в (D=0.7)	873	0.02

Предложенная конфигурация бала реализована на практике. Разница между распределением поля в математической модели и распределением поля на практике не превышает удвоенную погрешность - 3%.

Для количественного измерения полученных результатов выведены следующие формулы:

(8)

(9)

где N_pa - число точек в линии от опорной точки до середины треугольника в модели сплайн-аппроксимации, D_p - погрешность в точках, вносимая неоднородностью поля, Nall - Общее число треугольников в моделе, D - соотношение сторон, P_x- разрешение по горизонтали, - максимальное напряжение в опорных точках треугольника, - минимальное напряжение в опорных точках треугольника, - отклонение от линейности в центре треугольника.

Результаты полученные для разрешения 1024х768 точек и соотношения сторон 3х4 представлены в таблице 2.

Таблица 2 Погрешности вносимые неоднородностью поля

Количество треугольников	Dp при классической конфигурации электродов	Dp при разработанной конфигурации электродов
90	5.7	1.71
243	3.4	1.02

Из данной таблицы видно, что погрешность определения координаты касания, вносимая неоднородностью поля, уменьшилась до одной точки, при типовых параметрах панели.

В четвертой главе рассматривается аналоговый емкостной сенсорный датчик, описывается процесс его моделирования и доказывается эффективность предложенного решения для создания инвариантной сенсорной панели.

Наиболее простой и эффективной считается 4-х электродная схема предэкранной панели. При прикосновении пальца оператора к резистивному слою панели в датчик вносится дополнительная емкость порядка 70 - 120 пФ.

К основным параметрам сенсорной панели, как элемента датчика, можно отнести поверхностное сопротивление (6…22 кОм/см²), паразитную емкость(1…4 нФ), частоту опорного генератора(10…20 кГц.), сопротивление электродов, физические размеры, стабильность поверхностного сопротивления, которое определяет линейность параметров во времени и т.д.

Емкостная сенсорная панель представляет собой стеклянную подложку с напыленным на нее низкоомным экранирующим слоем с одной стороны и высокоомным резистивным слоем с другой. По сторонам сенсорной панели располагаются контактные электроды, непосредственно подсоединенные к контроллеру сенсорной панели.

Сенсорную панель можно представить в виде отдельных элементов. (Рисунок 8а) и создать соответствующую модель для анализа, используя программный пакет WorkBench. (Рисунок 8б).

Рис. 8. Варианты представления сенсорной панели

Каждый элемент резистивного слоя представляется сопротивлением 15 кОм.

Низкоомный слой представлен в виде цепочки сопротивлений из расчета 100 Ом. Условно паразитная емкость панели представлена в виде набора параллельных емкостей с суммарным значением 1 мкФ.

На данный момент большинство контроллеров работают на частотах от 10 до 100 КГц.

Для моделирования используется одномерная модель из 5-ти звеньев.

Модель построена на основе датчика для 14'' емкостных сенсорных панелей. Начальные параметры элементов: частота генератора - 10 кГц, Напряжение сигнала с генератора - 10 В, сопротивление элемента резистивной панели Rрi = 5 кОм, сопротивление элемента экранирующего слоя Rэi = 100 Ом; емкость элемента панели Cпi = 1000 пФ, емкость оператора Cо = 100 пФ.

При использовании данных параметров коэффициент усиления (Кус) = 1.05

На основе результатов работы модели выявлены следующие зависимости:

- амплитуда выходного сигнала зависит от частоты нелинейно и по мере роста емкости панели коэффициент усиления падает.

- коэффициент усиления почти линейно зависит от емкости, вносимой в систему оператором. Большей эффективностью обладает диапазон емкостей от 50 пФ.

- увеличение поверхностного сопротивления слабо влияет на коэффициент усиления

- оптимальным частотным диапазоном установлен 10…80 КГц

- нелинейность системы увеличивается с ростом частоты.

Определены оптимальные параметры панели:

Сопротивление элемента резистивной панели Rрi > 2,5 КОм;

Емкость элемента панели Cпi < 500 пФ;

Емкость оператора Cо > 75 пФ.

Частота генератора - 10…80 КГц.

Для увеличения коэффициента линейности и для работы в оптимальном режиме разработана схема контроллера, подающая на экранирующий слой напряжение, совпадающее по фазе и амплитуде с напряжением генератора. Данное решение позволяет уменьшить паразитную емкость сенсорной панели не уменьшая при этом емкость вносимую оператором.

Учитывая изменение параметров панели, рабочей частотой выбрана частота F=100 кГц, при этом Кус = 1.11.

Новая схема позволяет получать значительно больший коэффициент усиления (при Cп = 1000 пФ Кус =5.8, а при Cп = 50 пФ Кус = 8). С ростом сопротивления уменьшается роль, как паразитной емкости, так и вносимой оператором. Можно выделить оптимальный диапазон сопротивления рабочей поверхности - от 200 до 1500 Ом/см².

Данная схема может работать на частотах до нескольких сотен килогерц, а оптимальной частотой является 100…310 КГц, при этом оригинальная схема показывает максимальный коэффициент усиления на частоте порядка 25…30 кГц

Оптимальные параметры для сенсорной панели с подачей напряжения на экранирующий слой:

Сопротивление элемента резистивной панели Rрi = 1 кОм;

Емкость элемента панели Cпi < 200 пФ;

Емкость оператора Cо > 75 пФ.

Частота генератора F= 100…310 кГц.

В пятой главе рассмотрен процесс практической реализации предложенных идей и результаты тестирования старого варианта емкостного сенсорного датчика и нового.

Рассмотрена элементная база, используемая в контроллере и ее параметры. Подробно описаны возможные варианты реализации программно-аппаратной части сенсорного экрана.

Рассчитано максимальное возможное число опросов экрана (опросов панели в секунду) и проведен анализ существующих моделей определения координат касания.

Описан созданный набор алгоритмов - алгоритм для обработки приходящего сигнала и расчета сигнала холостого хода (по 50 начальным отсчетам), алгоритм определения касания (по пороговому значению равному 15% от уровня касания), алгоритмы фильтрации информативных сигналов (динамическое усреднение от 3 до 8 отсчетов).

Разработана новая математическая модель расчета координаты прикосновения, обладающая в 3 раза большей скоростью работы.

В процессе создания датчика сенсорного экрана производилось тестирование сенсорной панели при помощи разработанных оптических методов. Разрешение снимка - 4800х2400 точек/дюйм, глубина цвета 48 бит, контрастность увеличивается в 30-35 раз. Помехи удаляются разностным методом. По полученной картине найдены участки с минимальным и максимальным сопротивлением, и проведено тестовое измерение разницы сопротивлений.

В датчике использовалась новая конфигурация электродов и применена подача напряжения с генератора на экранирующий слой.

На рисунке 9а представлено графической отображение значений сигнала с сенсорной панели до обработки (большая фигура) и после обработки математической моделью (меньшая фигура). Для получения картины оператор рисует пальцем прямоугольник на уровне 0.7 от длинны панели. На рисунке 9б представлена та же зависимость для разработанного варианта контроллера.

На рисунке 9а форма, образованная точками в значениях до обработки, напоминает эллипс. Погрешности определения реальных координат (элементы внутренней фигуры) достигают 4…6 %.

Оптимальной рабочей частотой нового варианта контроллера является частота F= 150 кГц. В случае использования новой схемы возбуждения на данной частоте погрешности определения реальных координат не превышают 1…2 %, что в 3 раза лучше, чем у панели с заземленным проводящим слоем. Время отклика не хуже 20 мс.

Рис. 9. Графическое отображение значений координаты касания до обработки и после использования аппроксиирующей математической модели для старого (а) и нового (б) вариантов контроллера

В заключении подведены итоги работы и выделены основные полученные результаты:

- Разработаны и применены оптические методы контроля емкостных сенсорных панелей.

- Получено однородное поле на поверхности сенсорной панели за счет применения новой конфигурации электродов.

- Модернизирован контроллер сенсорной панели.

- Предложенные нововведения реализованы в конечном устройстве.

Публикации по теме диссертации

1. Волков, А. Ю. Оптический метод контроля качества емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Cер. Физика твердого тела и электроника. - 2004. - Вып.1. - С. 54-59

2. Волков, А. Ю. Оптический метод определения основных параметров пленочных покрытий емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов //Вакуумная техника и технология. -2005. - Т. 15, №2. - С. 191-196

3. Волков, А. Ю. Определение дефектов пленочных покрытий сенсорных панелей с помощью сканера / А. Ю. Волков, В. А. Степанов //Вакуумная техника и технология. - 2006 - Т. 16, № 1. - С.65-72

4. Волков, А. Ю. Оптические методы контроля качества емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов // Юбилейная 60-я научно-техническая конференция, посвященная Дню радио: материалы конференции, г. Санкт-Петербург, апр. 2005 г. - СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. - С.185-186

Размещено на Allbest.ru

...