Сенсорные панели и кнопки на квантовых эффектах. Решения от Peratech

Сенсорные экраны и клавиатуры давно стали неотъемлемой частью бытовой, автомобильной и даже промышленной электроники. В настоящее время наиболее широкое распространение получили емкостные сенсорные технологии. Однако, несмотря на высокую популярность, емкостные кнопки и экраны имеют определенные недостатки. По этой причине разработчики пытаются создать более продвинутые и совершенные сенсорные решения. Например, высоким потенциалом обладают материалы с использованием туннельного эффекта QTC (Quantum Tunnelling Composite) от компании Peratech. Они способны фиксировать не только наличие прикосновения, но и усилие нажатия, что позволяет использовать их для создания 3D-интерфейсов.

Рис. 1.	Сенсорные технологии от Peratech.

Исторически первые сенсорные компоненты использовали резистивную технологию. Резистивные кнопки и экраны состояли из двух проводящих слоев, разделенных микроизоляторами. При касании происходила деформация, и слои замыкались между собой. Измеряя сопротивление такой конструкции, можно было судить как о наличии касания (в случае сенсорной кнопки), так и о его координате (в случае сенсорного экрана). К сожалению, резистивная технология имела малую точность и чувствительность, к тому же наличие механической деформации плохо сказывалось на сроке службы сенсорного экрана. Технология емкостных датчиков оказалась более удачной.

Конструктивно емкостная кнопка представляет собой пространственный конденсатор, у которого диэлектриком выступают воздух и окружающие материалы. Так как воздух имеет малую диэлектрическую проницаемость, то собственная емкость такого конденсатора мала. При касании электрода (например, пальцем), общая емкость системы возрастает. Это изменение можно зафиксировать с помощью периодического процесса заряда-разряда – чем медленнее происходит заряд, тем больше емкость. Следовательно, с помощью измерения скорости периодического заряда-разряда можно судить о наличии касаний.

Емкостные решения отличаются длительным сроком службы, высокой чувствительностью и технологичностью, но вместе с тем они имеют и существенные недостатки:

• плохо работают при использовании перчаток и не позволяют эффективно применять стилусы;
• чувствительны к уровню загрязнения;
• чувствительны к попаданию влаги на поверхность;
• отличаются высокой потребляемой мощностью, которая связана с процессами заряда-разряда;
• требуют сложной вспомогательной электроники и алгоритмов обсчета;
• обладают высокой чувствительностью к помехам;
• не позволяют определять усилие нажатия и т. д.

К счастью, технологии не стоят на месте, и разработчики стараются предложить более совершенные решения, и это у них получается. Например, компания Peratech предлагает использовать материалы с квантово-туннельной проводимостью, созданные по технологии QTC (Quantum Tunnelling Composite).

Технология QTC предполагает использование особого материала – QTC-чернил, которые меняют величину своего сопротивления при приложении давления (Рис. 2). Чем больше давление – тем меньше сопротивление. Такая зависимость получена за счет особого туннельного механизма проводимости QTC-чернил.

Рис. 2.	Зависимость сопротивления от усилия нажатия для сенсорной кнопки SP200-10.

Если между двумя проводящими слоями (например, графита) поместить прокладку из QTC-чернил, то мы получим простейшую сенсорную кнопку. При этом ее сопротивление будет меняться в зависимости от давления. Примерно такую структуру имеют кнопки SP200 от Peratech (Рис. 3). На подложку из ПЭТ-пленки толщиной 100 мкм (1) наносится пара серебряных электродов толщиной 8-10 мкм (2). В непосредственном контакте со слоем серебра находится пара гребенчатых электродов первого графитового слоя 4-5 мкм (3). Далее следует разделительная прокладка 50 мкм с круглым окном (4). В этом окне размещается слой QTC-чернил в виде круга толщиной 8-10 мкм, а под ним помещен второй проводящий графитовый слой, также круглой формы (3). Снизу расположен еще один изолирующий слой полиэтилентерефталата толщиной 100 мкм (1) и разделительная прокладка 50 мкм (6). Электрическое подключение кнопки обеспечивается с помощью выводов (7), подключаемых к серебряным контактам.

Рис. 3.	Конструкция сенсорных кнопок серии SP200.

Принцип работы такой кнопки достаточно прост. При отсутствии касания слой QTC имеет высокое сопротивление и электрически разделяет верхний и нижний графитовые слои. Поэтому контакты верхнего гребенчатого графитового слоя оказываются изолированными друг от друга. При нажатии на кнопку сопротивление QTC-чернил падает, и нижний графитовый слой шунтирует электроды верхнего графитового слоя. Чем больше усилие нажатия, тем меньше электрическое сопротивление между контактами. Другими словами, мы получаем возможность не только обнаруживать само касание, но и измерять усилие нажатия, чего не могут обеспечить емкостные датчики.

Сенсорная технология QTC дает следующие преимущества:

• возможность обнаруживать не только касание, но и усилие нажатия;
• высокая чувствительность (от 10 г);
• возможность использования самых разнообразных поверхностей в качестве оснований (металл, стекло, пластик и т. д.);
• возможность работы в перчатках (в отличие от емкостных решений);
• высокая стойкость к запыленности и загрязнению поверхности (в отличие от емкостных решений);
• возможность работы с влажными предметами (в отличие от емкостных решений);
• высокая устойчивость к ЭМИ;
• длительный срок службы;
• малая толщина (до 200 мкм);
• сверхнизкое потребление;
• возможность работы на поверхностях сложной формы;
• возможность создания самых различных форм.

Последние два пункта являются следствием того, что QTC-чернила в действительности представляют собой своего рода чернила и при печати могут образовывать самые различные формы. Более того, они могут быть прозрачными, что дает возможность создания не только кнопок, но и кнопок с подсветкой и целых сенсорных экранов.

В настоящий момент Peratech предлагает семейство сенсорных кнопок SP200 и сенсорные экраны M2450 и M2436.

Семейство сенсорных кнопок SP200 объединяет двух представителей (Рис. 4). SP200-10 – сенсорные кнопки с диаметром чувствительной части 10 мм. SP200-05 – сенсорные кнопки с диаметром чувствительной части 5 мм.

Рис. 4.	Внешний вид сенсорных кнопок серии SP200 от Peratech.

Представители серии SP200 отличаются значительным диапазоном усилий нажатия 0.1…20 Н и высоким механическим ресурсом более 1 миллионов нажатий. Для подключения сенсорных кнопок используются двухконтактные разъемы (Рис. 5).

Рис. 5.	Подключение сенсорных кнопок серии SP200.

Важным достоинством SP200 является высокая стойкость к изменениям внешней среды. В рабочем состоянии при температуре 100 °C сопротивление уменьшится не более чем на 10% за 1 час испытания. При температуре −40 °C рост сопротивления не превысит 5% при той же временной выдержке.

Еще больший интерес у разработчиков могут вызвать сенсорные панели QTC Multi-touch, которые представляют собой матрицу кнопок QTC (Рис. 6).

M2450-154361-ZF – трехмерная сенсорная панель с размерами 154 × 361 мм с плоским шлейфом для подключения к модулю обсчета MT-TPU-V2R2 (Multi-TouchTouch Processing Unit).

M2436-100148-ZF – трехмерная сенсорная панель с размерами 100 × 148 мм с плоским шлейфом для подключения к модулю обсчета MT-TPU-020 (Multi-Touch Touch Processing Unit).

Рис. 6.	Внешний вид сенсорных панелей M2450 и M2436 от Peratech.

Конструкция данных сенсорных экранов не отличается от конструкции рассмотренных выше кнопок. По сути, она представляет собой матрицу из кнопок с мультиплексированием для сокращения числа выводов (Рис. 7). Общее число контактов в плоском шлейфе при этом удалось снизить до 50.

Рис. 7.	Структура сенсорных панелей M2450 и M2436.

Преимуществами новых сенсорных панелей над емкостными аналогами являются:

• возможность определения касания и усилия нажатия;
• простая поддержка многоточечного прикосновения;
• минимальные затраты мощности;
• простая реализация элементов управления (полосы прокрутки и т. д.);
• минимальная чувствительность к помехам;
• возможность использования поверхностей изогнутой формы;
• возможность работы в перчатках;
• высокая стойкость к запыленности и загрязнению;
• возможность работы с влажными предметами.

Работу с новыми сенсорными решениями можно начать уже сейчас при заказе отладочного набора Touch Development Kit (Рис. 8). В его состав входят 10 кнопок SP200-5, 10 кнопок SP200-10, 7-дюймовый сенсорный экран; драйвер сенсорных продуктов, драйвер для Arduino. В дополнение к аппаратной части разработчики получат доступ к вспомогательному фирменному ПОPT Suite Demonstration GUI.

Рис. 8.	Отладочный набор Touch Development Kit.

В качестве заключения хотелось бы отметить, что новая сенсорная QTC технология от Peratech будет востребована не только в традиционных коммерческих приложениях (смартфоны, планшеты), но и в тех областях, в которых ранее применение емкостных сенсорных технологий было затруднено: в промышленном оборудовании (пульты операторов ЧПУ, пульты управления и т. д.), автомобильной электронике, медицинской технике и т. д. При этом даже в коммерческой электронике QTC представляют большой интерес, особенно с учетом возможности использования поверхностей сложной формы (Рис. 9).

Рис. 9.	Области применения новых сенсорных панелей.

Характеристики сенсорных кнопок SP200-05:

• диапазон допустимых усилий: 0.1…20 Н;
• устойчивость к усилиям: 100 Н;
• погрешность сопротивления: ±4.5%;
• срок службы: 1 млн. нажатий;
• диапазон рабочих температур: 0…80 °C;
• диапазон температур хранения: –40…100°C;
• размер кнопки: 5 мм.

Состав отладочного набора Touch Development Kit:

• количество датчиков SP200-5: 10;
• количество датчиков SP200-10: 10;
• сенсорный экран: 7";
• драйвер сенсорных клавиш для Arduino (2-4 провода): 1;
• драйвер сенсорной панели: 1.

О компании:

Peratech - компания, специализирующаяся на разработке и производстве сенсорных материалов нового поколения QTC® (Quantum Tunnelling Composites).

Посмотреть более подробно технические характеристики сенсорных кнопок компании Peratech