Исследование и разработка координатных датчиков для емкостных сенсорных экранов

Первые сенсорные экраны появились в середине 70-хх годов. В последующие годы ведущие европейские и американские фирмы развернули исследования и разработки сенсорных экранов, основанных на различных технологиях и принципах действия. К середине восьмидесятых годов наблюдается устойчивый рост производства сенсорных экранов и расширение сфер их применения. Сенсорные экраны в это время рассматриваются как новое, весьма эффективное средство ввода информации в компьютерные системы, способные во многих применениях заменить традиционные средства ввода, такие как клавиатура, мышь, трекбол, джойстик, световое перо.

По мере технического совершенствования сенсорных экранов растет интерес к их использованию в различных областях применения: в информационно-справочных системах, автоматизированном обучении, в системах управления производственными процессами, в военной электронике. В одних применениях сенсорные экраны могут полностью заменить традиционную клавиатуру, в других — служат дополнительным средством, обеспечивающим пользователю удобный интерфейс [1,2].

В системах с сенсорными экранами пользователь имеет возможность инициировать задачи управляющей ЭВМ, дотрагиваясь кончиком пальца до элементов изображения на экране дисплея. С помощью программных средств на экране сенсорного дисплея могут формироваться любые нестандартные клавиатуры, отличные от физической клавиатуры компьютера. Благодаря перепрограммированию сенсорных зон на экране в соответствии с прикладной задачей, можно использовать сравнительно небольшой набор функциональных клавиш для задания практически неограниченного числа действий оператора [3,4,5].

При достаточной разрешающей способности сенсорного экрана пользователь может манипулировать элементами графических изображений на экране дисплея, реализуя задачи, предусмотренные прикладной программой, без использования манипуляторов (управляющие рукоятки, трек-болл, мышь).

Для современного этапа развития сенсорных экранов характерно использование различных физических принципов и технических средств для целей сенсорного ввода информации. К основным методам сенсорного ввода, получившим наибольшее развитие, относятся оптический, резистивно-мембранный, емкостной и акустический. Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостаткипредпочтение тому или иному типу сенсорного устройства зависит от специфики применения и требуемых технических характеристик [1,6,7].

Уровень развития техники сенсорного экранного ввода за рубежом достаточно высок. Сенсорные экраны выпускаются применительно к различным типам дисплеев (ЭЛТ, ЖКИ, ЭЛИ, ГРИ) и для решения разных задач. Сенсорный экран может поставляться как дополнительное комплектующее изделие для конкретного дисплея или в виде интегрированного элемента дисплейного комплекса. В настоящее время сенсорные экраны выпускают такие известные фирмы как Micro Touch, Elo TouchSystems, AT&T, Diqitel Equipment, Carroll Touch Inc, Hewlett-Packard и многие другие.

Co времени появления первых образцов и организации промышленного производства сенсорных экранов они прошли несколько этапов в своем развитии. Начало 80-хх годов — это этап становление базовых конструкций, создание необходимых аппаратных и программных средств и подтверждение эффективности применения сенсорных экранов в различных областях. К началу 90-хх годов появились изделия второго поколения, для которых были характерны улучшенные технико-экономические показатели, высокая надежность и наличие программных средств, позволяющих использовать сенсорные экраны в разных операционных средах, в том числе и в операционной системе Windows. Это не только обеспечило возможность использования существующего программного обеспечения, но и открыло доступ к компьютерным и информационным ресурсам в развлекательной, художественной и музыкальной областях.

Прогнозы зарубежных аналитиков, относящиеся к середине 80-хх годов [8], о том, что сенсорные экраны находятся на пороге широкого внедрения в аппаратуру массового применения, не оправдались. Основной причиной можно считать высокую стоимость сенсорных экранов, особенно высококачественных, которая составляла на рубеже 90-хх годов примерно половину стоимости среднего по качеству компьютера. Тем не менее, можно говорить о третьем этапе в развитии сенсорных экранов, который можно датировать началом текущего столетия. К этому времени достигнуты почти предельные технические параметры выпускаемых моделей сенсорных экранов, созданы специализированные микроконтроллеры сенсорных экранов, благодаря совершенствованию технологии изготовления и увеличения выпуска изделий начинается заметное снижение розничных цен.

На отечественном рынке сенсорные технологии практически появились к началу 2000 года. В основном это были сенсорные информационные киоски на базе зарубежной техники, предназначенные для установки на вокзалах, в гостиницах, музеях, банкоматах и т. п.

В нашей стране также ведутся работы в области создания сенсорных устройств ввода информации. В отечественной практике предпочтение отдается оптическим системам на ИК-лучах, в меньшей степени емкостным и резистивным системам. Известны отдельные разработки сенсорных многофункциональных клавиатур и экранов [4, 9−14]. Однако отечественные разработки в области сенсорного экранного ввода заметно отстают от зарубежного уровня. Одной из причин является отставание в развитии компьютерной техники. «Отверточная технология» не способствует разработке собственных периферийных изделий, к которым относятся сенсорные экраны.

Тем не менее, определенные успехи в этой области есть. Выше указывалось на создание отечественных экранных клавиатур на различных принципах действия. В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» был разработан оптический сенсорный экран ИФК- 9004. На кафедре электронных приборов и устройств ГЭТУ в течение ряда лет проводились научно исследовательские работы в области емкостных координатно-чувствительных датчиков, предназначенных для построения функциональных клавиатур, манипуляторов и сенсорных экранов. Были разработаны аппаратно-программные средства датчиков, а также образцы устройств сенсорного управления и ввода информации. Была достигнута разрешающая способность 100 точек на кв.см., скорость отклика на тактильное воздействие оператора 50 мс, координатная ошибка до 5% в активной области сенсорного экрана.

Эти результаты можно считать вполне приемлемыми для сенсорных функциональных клавиатур, но не достаточными для высокоточного графического интерфейса с сенсорным экраном.

Цель данной работы — экспериментально-теоретическое исследование и разработка емкостных координатно-чувствительных датчиков с улучшенными характеристиками для сенсорных устройств ввода информации и управления. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

• исследование особенностей тактильного очувствления сенсорных панелей емкостного типа,.

• экспериментально-теоретический анализ факторов, влияющих на разрешающую способность и точность определения координат прикосновения,.

• исследование и разработка экспресс-методов контроля качества пленочных покрытий сенсорных панелей,.

• экспериментально-теоретическое исследование емкостных координатных датчиков и чувствительных элементов предэкранных сенсорных панелей.

Реализация этих задач определяет практическую ценность работы, которая заключается в следующем.

• Разработка экспресс-метода контроля пленочных покрытий сенсорных панелей с помощью сканирующей системы, позволяющего на больших площадях определять распределение поверхностного сопротивления и нарушение стехиометрического состава слоя оксида олова (индия).

• 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.

Научная новизна работы можно характеризовать следующим образом:

Разработана оригинальная математическая модель, позволяющая проводить поиск оптимальной конфигурации электродных систем, обеспечивающей однородность электрического поля на поверхности предэкранной сенсорной панели.

Исследован и реализован оптический метод контроля качества пленочных покрытий окислов олова-индия с помощью сканера.

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

Научные положения, выносимые на защиту.

— разностная картина оптического пропускания слоя SnCb, 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 позволяют увеличить точность определения координат касания в 4.6 раз, за счет линеаризации поля на поверхности сенсорной панели.

Струюура 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.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Волков, А. Ю. Оптический метод контроля качества емкостных сенсорных панелей / А. Ю. Волков, В. А. Степанов // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Сер. 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.

5. Патент на полезную модель № 57 011 — устройство контроля качества емкостных сенсорных панелей.

Заключение

.

В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на создание современного емкостного сенсорного экрана. Обнаружены факторы, влияющие на параметры сенсорного экрана, и разработаны методы для повышения его характеристик. Разработаны и опробованы оптические методы контроля сенсорных панелей, произведена принципиальная модернизация схемы контроллера и рассчитана оптимальная конфигурация электродов. Основываясь на полученных результатах, создан емкостной сенсорный экран, включающий предложенные решения, обладающий лучшими параметрами, чем предыдущие версии. В составе драйвера сенсорного экрана создана оптимизированная модель определения точки касания, которая позволила продемонстрировать преимущества разработанного варианта.