صفحه لمسی خازنی یا تاچ گوشی چیست و چگونه کار می کند ؟

  • نویسنده: تاپ جی اس ام
  • تاریخ انتشار: 05 اردیبهشت 1398
  • بازدید: 511


امروزه گوشی های لمسی به عنوان رایج ترین و محبوب ترین نوع گوشی تلفن همراه در میان مصرف کنندگان شناخته شده هستند.اما آیا می دانید که صفحه لمسی گوشی یا به قول تعمیرکار ها تاچ گوشی چگونه کار می کند ؟ در این مقاله ساختنی به روش کار تاچ گوشی می پردازیم و سعی می کنیم با زبانی ساده توضیح دهیم که چگونه گوشی تلفن همراه شما با لمس شدن صفحه اش از خود عکس العمل نشان می دهد.

در دهه اخیر به مرور تصور کردن دستگاه های مختلف الکترونیکی بدون وجود صفحه لمسی سخت تر شده است. گوشی های تلفن هوشمند به عنوان بزرگ ترین و آشکار ترین مثال از این تغییر تقریبا در اختیار همه مردم قرار دارد.اما مطمئنا کاربرد صفحه لمسی به همین جا ختم نمی شود و بسیاری از دستگاه ها و سامانه ها هستند که از این سیستم بهره می برند. صفحه تاچ یا لمسی می تواند با دو نوع تکنولوژی طراحی شود.تاچ های مقاومتی که بر اساس تغییرات مقاومت نقطه فشار طراحی شده اند و صفحه لمسی خازنی .

تکنولوژی تاچ مقاومتی، همان فناوری است که در تاچ گوشی های لمسی قدیمی از آن استفاده می شد و امروزه جای خود را به صفحه لمسی خازنی داده است. ما در این مقاله به تاچ خازنی خواهیم پرداخت که امروزه کاربرد بسیار بیشتری دارد

خازن ها می توانند حساس باشند !

با اینکه که کاربرد های لمس خازنی می تواند بسیار خاص باشد، قوانین اساسی علمی این فناوری به اندازه کافی ساده است . اگر شما با پدیده خازن به حد کافی آشنا باشید و با عوامل مختلفی که روی ظرفیت یک خازن تاثیر گذار هستند تا حدودی آشنایی داشته باشید برای این که بدانید تاچ خازنی یک گوشی چگونه کار می کند آماده هستید !

تاچ گوشی های خازنی به دو دسته کلی تقسیم می شود : پیکربندی ظرفیت مشترک و پیکربندی ظرفیت انفرادی. مدل اول که در آن خازن حسگر به شکل دو پایه الکترود گیرنده و ارسال کننده ساخته می شود بیشتر برای نشانگر های حساس به لمس استفاده می شود.

اما مدل دیگر تاچ خازنی که در آن یکی از پایه های خازن به زمین متصل است،نوعی ساده از حسگر لمسی است که برای دکمه های لمسی ، اسلایدر ها و اسکرول های لمسی استفاده می شود. در این مقاله قرار است با پیکربندی انفرادی آشنا شوید

خازن های PCB

خازن ها انواع مختلفی دارند. همه کسانی که با مدار های الکترونیکی کار کرده اند انواع مختلفی از خازن را که روی تخته های PCB نصب می شوند را مشاهده کرده اند. به نظر می رسد خازن ها حتما باید در بسته های عجیب و حرفه ای تولید و به فروش برسند. اما واقعیت این نیست ! برای ساختن یک خازن کافی است دو رسانای جدا از همدیگر را با یک ماده عایق در میانشان کنار هم قرار دهید. به این عایق در اصلاح دی الکتریک (Dielectric) می گویند.

پس ساختن یک خازن ساده خیلی هم دشوار نیست. حتی می توانید از رسانا های روی یک تخته PCB برای این کار استفاده کنید. مثلا در عکس پایین منظره از بالا و برش از کنار یک خازن روی PCB را مشاهده می کنید که برای دکمه لمسی استفاده می شود.(دقت داشته باشید که در برش از کنار قسمت عایق روی رسانا ها حذف شده است).

 

صفحه لمسی خازنی با استفاده از برش رسانا های روی PCB

فاصله ایزوله کننده بین دکمه لمسی طراحی شده ما با بقیه صفحه مسی ، به معنای ساخته شدن یک خازن است. در این مورد ، ما قسمت مسی احاطه کننده دکمه را به زمین متصل کرده ایم و به همین دلیل می توانیم خازن ساخته شده را به شکل خازنی مدل کنیم که یکی از پایه هایش به زمین متصل دشه است و دیگری آماده برای دریافت بار الکتریکی است.

شاید از خودتان بپرسید که مگر چنین خازنی که با جدا کردن تکه ای از یک صفحه PCB درست می شود، چقدر ظرفیت خواهد داشت؟یا این که این مقدار را اصلا چگونه باید محاسبه کرد ؟ پاسخ اولین سوال شما این است ، ظرفیت بسیار پایین است. شاید چیزی کم تر از 10 پیکو فاراد (10pF) و در جواب سوال دوم شما باید بگوییم که اصلا نگران این مورد نباشید. در حقیقت اندازه خازن هیچ تاثیری در کار ما ندارد ! ما به دنبال تغییر در ظرفیت هستیم و یافتن تغییر در ظرفیت خازن نیازی به دانستن اندازه اولیه آن نخواهد داشت.

تاثیر لمس بر صفحه لمسی خازنی

حالا سوال اینجاست که دقیقا چه چیزی باعث می شود که خازن صفحه لمسی تغییر ظرفیت دهد ؟ در جواب باید بگوییم ، خوب معلوم است! انگشت انسان !

قبل از اینکه بگوییم چرا انگشت انسان باعث تغییر ظرفیت خازن در صفحه لمسی می شود، مهم است که یک نکته را خوب درک کنیم . در فرآیند لمس خازنی ، هیچ جریانی مستقیما هدایت و جاری نمی شود. انگشت شما به وسیله رنگ عایق روی PCB و احتمالا لایه ای از پلاستیک روی پنل دستگاه فرضی ما ، از ساختار خازن طراحی شده توسط شما جدا است . پس خیالتان راحت باشد . انگشت شما قرار نیست خازن را تخلیه کند ، راستش را بخواهید اندازه بار روی خازن در هر لحظه هم متغیر مهمی برای ما به شما نمی آید ! چیزی که برای ما مهم است “ظرفیت خازن” در هر لحظه است. همین و بس !

1- انگشت به عنوان یک دی الکتریک

ما معمولا خازن را به عنوان قطعه ای با ظرفیت مشخصی می دانیم که از در مجاورت هم قرار گرفتن دو صفحه رسانا با فاصله ای مشخص درست شده است و ماده دی الکتریک هم بین این دو صفحه تزریق شده است. مطمئنا با لمس کردن یک خازن نمی توانیم تغییری در ابعاد صفحات رسانای آن بدهیم . اما می توانیم ثابت دی الکتریک آن را به خوبی تغییر دهیم . چرا ؟ زیرا انگشت انسان ویژگی های دی االکتریکی دارد که با مواد دی الکتریک موجود در خازن (مثلا هوا) متفاوت است.

شاید بپرسید که مگر قرار است انگشت ما لای صفحات خازن قرار بگیرد ؟ در پاسخ باید گفت که حق با شماست ، قرار نیست انگشت خود را به جای دی الکتریک فعلی در میان صفحات قرار دهید . اما راستش را بخواهید “نفوذ” در ساختار خازن برای تغییر دی الکتریک آن ضروری نیست .

مکانیزم تاچ اسکرین به شکل تاثیر دی الکتریک
مکانیزم تاچ اسکرین به شکل تاثیر دی الکتریک

همان طور که در دیاگرام بالا هم می بینید ، نیازی نیست انگشت در میان صفحات رسانا قرار گیرد تا بتوانیم دی الکتریم خازن را عوض کنیم. چرا ؟ زیرا میدان های الکتریکی خازن به محیط پیرامونش هم گسترش می یابد و می توان مشخصات خازن را به همین دلیل به سادگی تغییر داد ! شاید از خوش شانسی ماست که بافت بدن انسان به دلیل ساختار آبی خود دی الکتریک خوبی به شمار می آید !

اگر بگوییم که ثابت دی الکتریک خلا کامل 1 است . ثابت دی الکتریک هوا چیزی در حدود همان خلا کامل (1.0006 در دمای معمولی) است. اما در مورد آب این عدد چیزی در حدود 80 است ! پس وقتی انگشت شما با میدان های الکتریکی اطراف خازن وارد تعامل می شود ، ثابت دی اکتریک خازن به شدت بالا خواهد رفت و در نتیجه ظرفیت خازن نیز افزایش قابل توجهی خواهد داشت !

2-انگشت به عنوان رسانا

هرکس که تجربه برق گرفتگی یا شوک الکتریکی را داشته باشد ، خوب می داند که بدن انسان رسانا است . البته همان طور که در بالا هم اشاره کردیم قرار نیست رسانایی مستقیمی بین انگشت کاربر و صفحه لمسی خازنی به وجود بیاید. مثلا قرار نیست انگشت کاربر بار روی خازن صفحه لمسی را تخلیه کند. با این حال ، این بدین معنی نیست که رسانایی انگشتان شما ربطی به موضوع ندارد. در واقع رسانایی انگشتان شما بسیار مهم است چون در زمان لمس صفحه در واقع انگشت شما به عنوان یک صفحه رسانا از یک خازن اضافی ایفای نقش می کند، عکس زیر را ببینید.

مکانیزم تاچ اسکرین به شکل تاثیر خازن شبه موازی
مکانیزم تاچ اسکرین به شکل تاثیر خازن شبه موازی

به دلایل کاربردی ، می توانیم فرض کنیم خازن جدیدی که به وسیله انگشت به وجود می آید (بگذارید به این خازن ، خازن انگشتی بگوییم !) به شکل موازی به خازن طراحی شده صفحه لمسی وصل شده است. اینجا کمی مسئله پیچیده می شود ، کسی که در حال استفاده از تاچ گوشی همراه خود هست به شکل الکتریکی به صفحه تاچ گوشی متصل نیست. پس در حقیقت،خازن انگشتی با خازن لمسی موازی نیستند !

با این حال ما می توانیم فرض کنیم که بدن انسان یک “زمین مجازی” است. در واقع بدن انسان خازنی با ظرفیت بالاست که می تواند بدون تغییر بار الکتریکی خازن را جذب کند.در هر صورت ما نباید نگران چگونگی ارتباط الکتریکی بین خازن انگشتی و خازن لمسی باشیم. نکته مهم این است که آرایش “شبه موازی” این دو خازن ایجاد شده در کل باعث بالا رفتن ظرفیت کلی می شود.حالا می توانیم مکانیزم های حاکم بر تاثیر تماس انگشت با صفحه لمسی خازنی یا همان تاچ گوشی را بفهمیم. به زبان ساده ، با لمس صفحه لمسی خازنی،خازن بزرگ تری در آن منطقه تماس وجود می آید.

مجاورت یا برخورد ، مسئله این است !

در نوشته های بالا در مورد امکان جالب خازن در زمان “لمس” صحبت کردیم. اما این تغییر در ظرفیت خازن تنها با لمس صفحه خازنی نیست که به وجود می آید. حتی نزدیک کردن انگشت به یک صفحه لمسی هم باعث تغییر در ظرفیت خواهد شد.

شما می توانید یک دستگاه لمسی را به عنوان یک جایگزین برای دکمه و سوییچ مکانیکی ببینید. اما فناوری لمس خازنی گونه ای کاملا جدید از کاربرد هایش را نشان داده است. سامانه ای که می تواند فاصله بین صفحه لمسی و انگشت را اندازه گیری کند!

هر دو مکانیزم تغییر ظرفیت خازنی که در بالا توضیح داده شد ، تغییرات روی ظرفیت خازن را به شکل مرتبط با فاصله انگشت با صفحه لمسی ایجاد می کنند. برای سیستم بر مبنای ثابت دی الکتریک ، مقداری از بافت بدن که در میدان خازن قرار می گیرد تعیین کننده تغییر ثابت دی الکتریک است و با نزدیک شدن انگشت به صفحه لمسی خازنی ، این مقدار افزایش خواهد یافت.

در مکانیزم هدایت و رسانایی (ایجاد خازن انگشتی) میز ، ظرفیت خازن انگشتی به شکلی مستقیم به فاصله دو صفحه رسانا (انگشت و سطح صفحه لمسی) بستگی دارد. در نظر داشته باشید ، هیچ روشی برای اندازه گیری فاصله دقیق بین صفحه لمسی و نوک انگشت لمس کننده صفحه وجود ندارد. لمس خازنی داده های مورد نیاز برای انجام محاسبات دقیق فاصله سنجی را به دست نمی دهد.

البته می توان با روش های کالیبره سازی سیستم لمس خارنی به اندازه گیری نه چندان دقیق فاصله دست یافت ، اما به دلیل این که مدار لمس خازنی برای یافتن تغییرات در خازن بهینه سازی شده است ، این تکنولوژی بیشتر به درد حس کردن “تغییرات در فاصله” می خورد تا پیدا کردن فاصله درست و دقیق.

نتیجه گیری

با خواندن این مقاله باید دانشی مفهومی و پایه ای از صفحه لمسی یافته باشید که البته اولین آجر از مهارت و تخصص در فناوری های لمسی خازنی است. حالا بهتر می دانید که تاچ گوشی تلفن شما چگونه کار می کند. حتی می توانید با این دانش یک کلید لمسی خازنی با تخته PCB بسازید و آن را در کاربرد های مختلف استفاده کنید.

  • دسته بندی ها:
  • دیدگاه ها

    دیدگاه بگذارید

    avatar
      Subscribe  
    Notify of