Prototipazione rapida di sensori capacitivi

Prototipazione rapida di sensori capacitivi
Mark Lee, Senior Application Engineer Cypress Semiconductor
Sommario
Alcune linee guida per effettuare in tempi brevissimi la prototipazione di sensori capacitivi su qualsiasi superficie di natura non
conduttiva
Introduzione
Il rilevamento di tipo capacitivo si propone come una modalità innovativa per interagire con dispositivi quali telefoni mobili o
lettori MP3. I sensori di tipo tattile sono celati al di sotto della superficie, ragioni per cui l’area solitamente occupata dai tasti
meccanici appare liscia e uniforme. Con un semplice tocco delle dita è possibile accedere alle funzioni che solitamente
vengono gestite pigiando tasti meccanici. In questo articolo vengono proposte alcune linee guida che permettono ai progettisti
di effettuare in tempi brevissimi la prototipazione di sensori capacitivi su qualsiasi superficie di natura non conduttiva.
Alternative ai PCB e ai circuiti flessibili
Si immagini di aver ideato un prodotto innovativo che preveda l’utilizzo di un contenitore plastico stampato a iniezione o un
pannello di vetro e si voglia valutare la possibilità di sostituire i tradizionali tasti meccanici con sensori capacitivi “nascosti”
sotto la superficie. Il primo passo da compiere per realizzare un sistema capacitivo è disporre un insieme di conduttori su una
superficie non conduttiva. Il tradizionale approccio utilizzato per implementare i sensori è la creazione di un circuito stampato o
flessibile: si tratta di un’operazione che richiede tempo e potrebbe risultare troppo costosa per un’operazione di prototipazione.
In questa sede si mostrerà come sia possibile evitare i lunghi tempi e i costi associati ai tradizionali metodi di prototipazione.
Penne caricate con inchiostro a base d’argento e nastri di rame si propongono come una soluzione di prototipazione rapida ed
economica per il rilevamento capacitivo. Nella figura 1 viene schematizzato questo concetto. I pattern conduttivi vengono
applicati a mano direttamente al materiale di rivestimento non conduttivo. I ponticelli che collegano il microcontrollore alle
piazzole del sensore sostituiscono le piste del PCB utilizzate nei tradizionali approcci alla prototipazione.
Fig. 1 – In questa sezione trasversale viene schematizzata la tecnica di prototipazione per i sensori capacitivi
Prototipazione rapida di sensori capacitive
Published in Elettronica Oggi
Page 1 of 6
February 2008
[+] Feedback
Sensori applicati a un foglio acrilico
Per effettuare una dimostrazione pratica di questa tecnica, sono stati applicati due sensori capacitivi a un foglio acrilico di
spessore pari a 3 mm. Il primo sensore è costituito da un nastro di rame, mentre il secondo è realizzato mediante inchiostro a
base d’argento (figg. 2 e 3). L’applicazione manuale di questi percorsi conduttivi sul lato posteriore del foglio acrilico è
un’operazione che richiede pochi minuti.
Fig. 2 – Esempio di due sensori capacitivi applicati direttamente a un foglio acrilico dello spessore di 3 mm: quello a
sinistra è realizzato con inchiostro a base d’argento, quello a destra con un nastro di rame.
Fig. 3 – Vista ravvicinata della realizzazione mediante nastro di rame. L’anello esterno è la massa, mentre il quadrato
interno è la piazzola del sensore. Il filo è un ponticello verso il dispositivo PSoC
Il tempo necessario per questo progetto è circa 60 minuti. La gran parte del tempo viene spesa nella saldatura dei
collegamenti al circuito integrato di controllo che è stato incollato al foglio. Un connettore, incollato sul bordo della lamina,
fornisce l’accesso al dispositivo PSoC e viene utilizzato sia la programmazione sia per il collegamento seriale per
l’acquisizione dati a un PC host.
Penna con inchiostro a base d’argento
Una penna di questo tipo viene ampiamente utilizzata per effettuare riparazioni elettriche. Le particelle d’argento a elevata
conduttività sono sospese in un sistema epossidico acrilico che viene sottoposto a un’operazione di curing (trattamenti termici
che mediante un agente indurente promuovono reazioni di reticolazione) dando vita a una connessione elettrica flessibile.
Esso forma un ottimo legame con molte superfici, tra cui vetro e materiale acrilico. Penne di questo tipo sono disponibili da
parecchie società: in questo caso è stata utilizzata la penna CircuitWorks MicroTip di Chemtronics.
Prototipazione rapida di sensori capacitive
Published in Elettronica Oggi
Page 2 of 6
February 2008
[+] Feedback
Con questa penna, il pattern conduttivo del sensore viene tracciato direttamente sulla superficie. Dopo una o due ore di
indurimento, è possibile l’utilizzo in qualità di sensore. Per questa dimostrazione, l’inchiostro è stato sottoposto all’indurimento
per una notte a temperatura ambiente. In base alla descrizione fornita del prodotto, l’inchiostro indurito può essere saldato con
una saldatrice a bassa temperatura. Sulla base di precedenti esperienze, è stato deciso di attaccare il ponticello alla piazzola
del sensore utilizzando uno strato aggiuntivo di inchiostro. Dopo l’indurimento di questo inchiostro, il ponticello diventa
incollato alla piazzola del sensore. Sebbene il pattern conduttivo può essere realizzato mediante un tracciamento a mano
libera, quello riportato in figura 2 è caratterizzati da bordi nettamente definiti ottenuti mediante la mascheratura del pattern con
del nastro prima dell’applicazione dell’inchiostro. Dopo l’indurimento, la maschera è stata rimossa.
Nastro di rame
Il nastro di rame è formato da un foglio di rame sottile ed è più frequentemente utilizzato per compiti di schermatura. Il nastro
conduttivo utilizzato per questa dimostrazione, il mod. 1181 di 3M, è dotato di uno speciale adesivo conduttivo che semplifica
la connessione elettrica di sezioni del nastro sovrapposte. A differenza dell’inchiostro a base d’argento, il nastro di rame può
essere impiegato immediatamente per il rilevamento una volta applicato il nastro stesso. La saldatura del ponticello al sensore
non dà problemi di sorta con il nastro conduttivo. Anche se in questo caso è stato deciso di utilizzare il rame, può andare bene
un nastro realizzato con altri tipi di metallo come ad esempio l’alluminio.
Dettagli circuitali
Con l’applicazione manuale delle tracce conduttive, le prestazioni del sensore sono tutt’altro che ottimali rispetto a quelle
ottenibili con sensori realizzati in maniera tradizionale – mediante PCB o circuiti flessibili. Per tale motivo è necessario
adottare un metodo di rilevamento contraddistinto da un elevato rapporto tra segnale e rumore (SNR Signal-to-Noise Ratio). In
questo particolare caso è stato deciso di utilizzare la configurazione CSD (dove SD sta per Sigma-Delta) dei dispositivi PSoC
di Cypress Semiconductor [1]. Questo nuovo metodo di rilevamento può essere implementato nelle versioni CY8C21x34 e
CY8C24x94 delle matrici PSoC.
Fig. 4 – Configurazione CSD di PSoC CapSense per i dispositivi CY8C21x34
Nella figura 4 sono riportati i blocchi funzionali della configurazione CSD, mentre nella successiva figura 5 è rappresentato un
circuito equivalente di questa configurazione. I commutatori sul front end del circuito hanno trasformato la capacità del
sensore in una resistenza equivalente modulata dalla presenza di un dito. Il cambiamento della resistenza si traduce in una
variazione del flusso di bit sull’uscita del modulatore sigma-delta.
Prototipazione rapida di sensori capacitive
Published in Elettronica Oggi
Page 3 of 6
February 2008
[+] Feedback
Fig. 5 – Schema a blocchi della configurazione CSD con la resistenza equivalente del condensatore di rilevamento
commutato
Il modulo utente CSD è un blocco funzionale standard presente nella libreria di PSoC Designer. Esso contiene routine API che
eseguono tutte le funzioni di basso e alto livello richieste per la realizzazione di un sistema effettivo di rilevamento capacitivo.
La selezione del dispositivo PSoC avviene mediante operazioni di drag-and-drop condotte sul modulo utente CSD. Il
funzionamento a livello di sistema dei sensori è definito in linguaggio C.
Al progetto è stato aggiunto un blocco funzionale che fornisce un link di comunicazione a un computer host. Il modulo utente
TX8 implementa un blocco di sola trasmissione preposto all’invio di dati seriali a una velocità di 115.200 baud. In questo modo
il sistema si trasforma in un data logger programmabile per il rilevamento capacitivo.
Nella figura 6 viene riportato lo schema circuitale di questo progetto. Il circuito contiene solamente il chip PSoC per il
rilevamento capacitivo e la comunicazione seriale, oltre a un altro chip per la traslazione di livello RS232. Nella tabella della
figura 6 sono riportate le assegnazioni dei pin per i due tasti CapSense. Il dispositivo PSoC è programmato attraverso una
testa ISSP (In-System Serial Programming) che contiene i pin di programmazione SCL e SDA, di alimentazione e di massa. Il
PC host si collega alla scheda di rilevamento capacitivo attraverso un connettore DB9.
Fig. 6 – Schema circuitale del circuito di rilevamento capacitivo realizzato con il modulo utente CSD
Misura delle prestazioni
Nelle figure 7 e 8 sono riportate le prestazioni misurate relative al sistema di rilevamento capacitivo. I conteggi del sensore
sono stati acquisiti sul PC host attraverso un programma di emulazione del terminale ed elaborati mediante uno spreadsheet.
Prototipazione rapida di sensori capacitive
Published in Elettronica Oggi
Page 4 of 6
February 2008
[+] Feedback
Fig. 7 – Dati non elaborati relativi ai due sensori con rivestimento acrilico dello spessore di 3 mm. Le tracce superiori
sono inerenti al sensore realizzato con inchiostro a base d’argento, mentre quelle inferiori sono relative al sensore
realizzato mediante mastro di rame
Per la misura delle prestazioni è sufficiente accostare un dito al foglio acrilico. La superficie di tocco è separata dai pattern del
sensore conduttivi da uno strato acrilico non conduttivo. Il dito prima è posto dapprima sopra il pattern di inchiostro a base
d’argento, quindi viene sollevato e posto sul pattern formato dal nastro di rame. La sequenza di test è ripetuta una seconda
volta. I dati relativi al sensore non sottoposti a elaborazione sono visibili in figura 7, mentre gli stati di ON/OFF del sensore
sono riportati in figura 8.
Fig. 8 – Stati digitali per i due sensori con rivestimento acrilico dello spessore di 3 mm. Le tracce superiori sono
inerenti al sensore realizzato con inchiostro a base d’argento, mentre quelle inferiori sono relative al sensore
realizzato mediante mastro di rame
Bibliografia
La risposta del sistema passa in maniera ben definita tra gli stati senza richiedere l’eliminazione del rimbalzo.
Sia il nastro di rame sia l’inchiostro a base d’argento hanno fornito ottimi risultati. Il sistema di rilevamento prototipale ha
conseguito un elevato valore del rapporto segnale/rumore grazie alle prestazioni del modulo utente CSD. Se si vuole
modificare il piazzamento o la dimensione dei sensori, le variazioni possono essere apportate in tempi brevi e con estrema
facilità. E’ sufficiente rimuovere il nastro o l’inchiostro che si desidera cambiare e successivamente riapplicare i nuovi pattern
conduttivi. Questa tecnica relativa all’applicazione dei sensori a una superficie è adatta alla realizzazione di dispositivi
prototipali, spesso richiesti nelle fasi iniziali dello sviluppo di un prodotto.
Prototipazione rapida di sensori capacitive
Published in Elettronica Oggi
Page 5 of 6
February 2008
[+] Feedback
References
Mark Lee, "The art of capacitive touch sensing", Planet Analog supplement to EE Times, December 28,2006, pages 4-6
Application Note AN2394, "CapSense Best Practices", Cypress Semiconductor
Cypress Semiconductor
198 Champion Court
San Jose, CA 95134-1709
Phone: 408-943-2600
Fax: 408-943-4730
http://www.cypress.com
© Cypress Semiconductor Corporation, 2007. The information contained herein is subject to change without notice. Cypress Semiconductor Corporation assumes no responsibility for the
use of any circuitry other than circuitry embodied in a Cypress product. Nor does it convey or imply any license under patent or other rights. Cypress products are not warranted nor intended
to be used for medical, life support, life saving, critical control or safety applications, unless pursuant to an express written agreement with Cypress. Furthermore, Cypress does not authorize
its products for use as critical components in life-support systems where a malfunction or failure may reasonably be expected to result in significant injury to the user. The inclusion of
Cypress products in life-support systems application implies that the manufacturer assumes all risk of such use and in doing so indemnifies Cypress against all charges.
PSoC Designer™, Programmable System-on-Chip™, and PSoC Express™ are trademarks and PSoC® is a registered trademark of Cypress Semiconductor Corp. All other trademarks or
registered trademarks referenced herein are property of the respective corporations.
This Source Code (software and/or firmware) is owned by Cypress Semiconductor Corporation (Cypress) and is protected by and subject to worldwide patent protection (United States and
foreign), United States copyright laws and international treaty provisions. Cypress hereby grants to licensee a personal, non-exclusive, non-transferable license to copy, use, modify, create
derivative works of, and compile the Cypress Source Code and derivative works for the sole purpose of creating custom software and or firmware in support of licensee product to be used
only in conjunction with a Cypress integrated circuit as specified in the applicable agreement. Any reproduction, modification, translation, compilation, or representation of this Source Code
except as specified above is prohibited without the express written permission of Cypress.
Disclaimer: CYPRESS MAKES NO WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR IMPLIED, WITH REGARD TO THIS MATERIAL, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE IMPLIED
WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. Cypress reserves the right to make changes without further notice to the materials described
herein. Cypress does not assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit described herein. Cypress does not authorize its products for use as critical
components in life-support systems where a malfunction or failure may reasonably be expected to result in significant injury to the user. The inclusion of Cypress’ product in a life-support
systems application implies that the manufacturer assumes all risk of such use and in doing so indemnifies Cypress against all charges.
Use may be limited by and subject to the applicable Cypress software license agreement.
Prototipazione rapida di sensori capacitive
Published in Elettronica Oggi
Page 6 of 6
February 2008
[+] Feedback