الاستشعار السعوي

في الهندسة الكهربائية ، يُعدّ الاستشعار السعوي (أو استشعار السعة الكهربائية ) تقنيةً تعتمد على الاقتران السعوي ، وتُمكّن من الكشف عن أي مادة موصلة أو ذات ثابت عزل كهربائي مختلف عن الهواء ، وقياسها. تستخدم أنواع عديدة من أجهزة الاستشعار هذه التقنية ، بما في ذلك أجهزة استشعار القرب والضغط والموقع والإزاحة والقوة والرطوبة ومستوى السوائل والتسارع . يمكن استخدام أجهزة واجهة المستخدم القائمة على الاستشعار السعوي، مثل لوحات اللمس ، ^{[ 1 ]} بدلاً من فأرة الحاسوب . كما تستخدم مشغلات الصوت الرقمية والهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر اللوحية أحيانًا شاشات لمس تعمل بتقنية الاستشعار السعوي كأجهزة إدخال. ^{[ 2 ]} ويمكن لأجهزة الاستشعار السعوية أيضًا أن تحل محل الأزرار الميكانيكية.

تتكون شاشة اللمس السعوية عادةً من مستشعر لمس سعوي ، بالإضافة إلى شريحتين على الأقل من الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية ( CMOS ) ، ووحدة تحكم دارة متكاملة خاصة بالتطبيق (ASIC)، ومعالج إشارة رقمية (DSP). يُستخدم الاستشعار السعوي بشكل شائع في شاشات اللمس المتعددة للأجهزة المحمولة ، وقد شاع استخدامه مع هاتف آيفون من شركة آبل عام 2007. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تُصنع المستشعرات السعوية من مواد مختلفة، مثل النحاس وأكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) والحبر المطبوع. يمكن تركيب المستشعرات السعوية النحاسية على لوحات الدوائر المطبوعة FR4 القياسية ، وكذلك على مواد مرنة. يسمح أكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) للمستشعر السعوي بأن يكون شفافًا بنسبة تصل إلى 90% (للحلول أحادية الطبقة، مثل شاشات الهواتف التي تعمل باللمس). يُعد كل من حجم المستشعر السعوي والمسافة بين أجزائه عاملين مهمين للغاية في أدائه. بالإضافة إلى حجم المستشعر والمسافة بين أجزائه بالنسبة للسطح الأرضي ، يُعد نوع السطح الأرضي المستخدم بالغ الأهمية. نظرًا لأن السعة الطفيلية للمستشعر مرتبطة بمسار المجال الكهربائي إلى الأرض، فمن المهم اختيار سطح أرضي يحد من تركيز خطوط المجال الكهربائي في حال عدم وجود أي جسم موصل.

يتطلب تصميم نظام استشعار السعة الكهربائية أولاً اختيار نوع مادة الاستشعار (FR4، Flex، ITO، إلخ). كما يتطلب فهم بيئة تشغيل الجهاز، مثل نطاق درجة حرارة التشغيل الكامل ، والترددات اللاسلكية المتاحة، وكيفية تفاعل المستخدم مع واجهة المستخدم. يمكن استخدام أدوات مثل CapExt ^{[ 5 ]} و ANSYS Q3D Extractor ^{[ 6 ]} وحلول FastFieldSolvers ^{[ 7 ]} لتحسين التصميمات من خلال تعزيز الحساسية، ونمذجة المجالات الكهرومغناطيسية بدقة، وتحسين الأداء في مختلف الظروف البيئية.

يوجد نوعان من أنظمة الاستشعار السعوية:

1. السعة المتبادلة، ^{[ 8 ]} حيث يُغير الجسم (الإصبع، قلم اللمس السعوي ) الاقتران المتبادل بين أقطاب الصف والعمود، والتي يتم مسحها بالتتابع؛ ^{[ 9 ]} و
2. السعة الذاتية ، حيث يقوم الجسم (مثل الإصبع) بتحميل المستشعر أو يزيد من السعة الطفيلية إلى الأرض.

في كلتا الحالتين، يُحدد الفرق بين الوضع المطلق السابق والوضع المطلق الحالي الحركة النسبية للجسم أو الإصبع خلال تلك الفترة. وسيتم شرح هذه التقنيات بالتفصيل في القسم التالي.

السعة المتوقعة

تقنية اللمس السعوي المُسقط (PCT) هي تقنية سعوية تتيح تشغيلًا أكثر دقة ومرونة، وذلك عن طريق حفر الطبقة الموصلة. تتشكل شبكة XY إما بحفر طبقة واحدة لتكوين نمط شبكي من الأقطاب الكهربائية ، أو بحفر طبقتين منفصلتين متوازيتين من مادة موصلة بخطوط أو مسارات متعامدة لتكوين الشبكة؛ وهي مشابهة لشبكة البكسل الموجودة في العديد من شاشات الكريستال السائل (LCD). ^{[ 12 ]}

تتيح الدقة العالية لتقنية اللمس الموصل (PCT) التشغيل دون تلامس مباشر، مما يسمح بتغطية الطبقات الموصلة بطبقات عازلة إضافية، والعمل حتى تحت واقيات الشاشة، أو خلف زجاج مقاوم للعوامل الجوية والتخريب. ولأن الطبقة العلوية من تقنية اللمس الموصل مصنوعة من الزجاج، فإنها تُعد حلاً أكثر متانة من تقنية اللمس المقاوم. وبحسب التطبيق، يمكن استخدام قلم إلكتروني نشط أو سلبي بدلاً من الإصبع أو بالإضافة إليه. وهذا شائع في أجهزة نقاط البيع التي تتطلب التقاط التوقيع. وقد لا يتم استشعار الأصابع المرتدية للقفازات، وذلك بحسب التطبيق وإعدادات الكسب. كما يمكن أن تؤثر البقع الموصلة وما شابهها من تداخلات على سطح اللوحة على الأداء. وتنتج هذه البقع الموصلة في الغالب عن أطراف الأصابع اللزجة أو المتعرقة، خاصة في البيئات عالية الرطوبة. كما يمكن أن يُشكل الغبار المتراكم على الشاشة بسبب رطوبة أطراف الأصابع مشكلة أيضاً.

يوجد نوعان من المكثفات ذات السعة الذاتية، والمكثفات المتبادلة.

تحتوي المستشعرات السعوية المتبادلة على مكثف عند كل تقاطع بين كل صف وكل عمود. فعلى سبيل المثال، تحتوي مصفوفة 12×16 على 192 مكثفًا مستقلًا. يُطبَّق جهد كهربائي على الصفوف أو الأعمدة. يؤدي تقريب إصبع أو قلم موصل من سطح المستشعر إلى تغيير المجال الكهربائي المحلي، مما يقلل السعة المتبادلة. يمكن قياس تغير السعة عند كل نقطة على الشبكة لتحديد موقع اللمس بدقة عن طريق قياس الجهد الكهربائي على المحور الآخر. تتيح السعة المتبادلة إمكانية التشغيل متعدد اللمس ، حيث يمكن تتبع عدة أصابع أو راحة يد أو أقلام بدقة في الوقت نفسه. ^{[ 13 ]}

يمكن أن تحتوي مستشعرات السعة الذاتية على نفس شبكة XY مثل مستشعرات السعة المتبادلة، ولكن الأعمدة والصفوف تعمل بشكل مستقل. في حالة السعة الذاتية، يستشعر التيار الحمل السعوي لإصبع على كل عمود أو صف. ينتج عن ذلك إشارة أقوى من استشعار السعة المتبادلة، ولكنه غير قادر على تحديد موقع أكثر من إصبع بدقة، مما يؤدي إلى ظاهرة "الظلال" أو تحديد الموقع بشكل خاطئ. ^{[ 14 ]}

عادةً ما تُقاس السعة الكهربائية بشكل غير مباشر، وذلك باستخدامها للتحكم في تردد المذبذب، أو لتغيير مستوى اقتران (أو توهين) إشارة التيار المتردد. وتعتمد هذه التقنية أساسًا على شحن مكثف ذي سعة غير معروفة بتيار معلوم، حيث أن إعادة ترتيب علاقة التيار بالجهد للمكثف ...

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

يسمح بتحديد السعة من خلال قسمة التيار اللحظي على معدل تغير الجهد عبر المكثف:

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

يمكن دمج ذلك خلال فترة الشحن من${\displaystyle t_{0}}$ل${\displaystyle t_{1}}$يُعبَّر عنه في شكل تكاملي كما يلي:$${\displaystyle C={\frac {\int _{t_{0}}^{t_{1}}I(t)\,\mathrm {d} t}{(V(t_{1})-V(t_{0}))}}\,.}$$

تتميز شاشات اللمس السعوية باستجابة أسرع من شاشات اللمس المقاومة (التي تتفاعل مع أي جسم لعدم حاجتها إلى سعة كهربائية). ومع ذلك، فإن السعة الإسقاطية تُحسّن دقة شاشة اللمس لأنها تُشكّل شبكة مثلثة حول نقطة اللمس ^{[ 21 ]} .

لا يمكن استخدام قلم اللمس العادي للاستشعار السعوي، ولكن توجد أقلام لمس سعوية خاصة موصلة للكهرباء لهذا الغرض. كانت هذه الأقلام الخاصة أغلى ثمناً في السابق، ولكن انخفضت تكلفة هذه التقنية بشكل كبير، وأصبحت أقلام اللمس السعوية متوفرة الآن على نطاق واسع بسعر رمزي، بل وتُقدم أحياناً مجاناً مع ملحقات الهواتف المحمولة. تتكون هذه الأقلام من ساق موصلة للكهرباء مزودة بطرف مطاطي موصل ناعم، مما يؤدي إلى توصيل الأصابع بطرف القلم عن طريق المقاومة الكهربائية. ويمكن أيضاً صنع قلم لمس سعوي عن طريق لف مادة موصلة، مثل غشاء موصل مضاد للكهرباء الساكنة، حول قلم لمس عادي أو عن طريق لف الغشاء على شكل أنبوب. ^{[ 22 ]}

بعض شاشات اللمس السعوية لا يمكن استخدامها مع القفازات وقد تفشل في الاستشعار بشكل صحيح حتى مع وجود كمية صغيرة من الماء على الشاشة.

كانت شاشات اللمس السعوية أغلى تكلفة في التصنيع من شاشات اللمس المقاومة .

تُتيح المستشعرات السعوية المتبادلة الحصول على صورة ثنائية الأبعاد للتغيرات في المجال الكهربائي. وباستخدام هذه الصورة، طُرحت مجموعة من التطبيقات، منها التحقق من هوية المستخدمين ^{[ 23 ] [ 24 ]} ، وتقدير اتجاه الأصابع التي تلمس الشاشة ^{[ 25 ] [ 26 ]} ، والتمييز بين الأصابع وراحة اليد ^{[ 27 ]} . وعلى الرغم من استخدام المستشعرات السعوية في شاشات اللمس لمعظم الهواتف الذكية، إلا أن الصورة السعوية لا تُعرض عادةً لطبقة التطبيق.

يمكن أن تؤدي مصادر الطاقة ذات المستوى العالي من الضوضاء الإلكترونية إلى تقليل الدقة.

لا تستجيب العديد من تصميمات الأقلام المستخدمة في شاشات اللمس المقاومة للمستشعرات السعوية لأنها غير موصلة للكهرباء. لذا، تتطلب الأقلام المصممة خصيصًا للأصابع والتي تعمل على شاشات اللمس السعوية محاكاة الفرق في العازلية الكهربائية التي يوفرها إصبع الإنسان. ^{[ 28 ]}

• قائمة مصنعي حلول اللمس
• ثيرمين

• الجزء الأول: أساسيات تقنية اللمس السعوي الإسقاطي، جيف ووكر، يونيو 2014. مؤرشف بتاريخ 1 ديسمبر 2023 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• قائمة المراجع المشروحة في الحوسبة اللمسية/القلمية والتعرف على الكتابة اليدوية، خدمات رويترز-وارد، 2016