Сенсорные датчики касания: Сенсорный датчик касания TTP223 купить в Москве — цены, характеристики, отзывы

Содержание

Современные интегральные микросхемы для построения ёмкостных сенсоров

Не секрет, что для успешной продажи новых изделий, в первую очередь бытовой электроники, они должны поступать на современный потребительский рынок, обладая новыми отличительными качествами, начиная c изящно изготовленного корпуса и заканчивая удобным, интуитивно понятным и функциональным пользовательским интерфейсом. Реализация востребованных рынком конечных приложений во многом зависит от двух основных компонентов: устройств ввода информации (кнопки, переключатели и т. д.) и устройств вывода информации (индикаторы, дисплеи). Основное внимание разработчиков и дизайнеров обычно уделяется именно дисплеям, в постоянное совершенствование которых вкладываются огромные ресурсы. Тем не менее, устройства ввода также развиваются, в том числе и в области технологии. Дизайнерам необходима простая и надежная реализация технологии, чувствительной к нажатию/касанию, которая обеспечивала бы свободу проектирования интерфейса «человек-машина» при конечной стоимости, приемлемой для бытовых приложений массового спроса. Стандартные механические кнопки и переключатели изнашиваются, слабо защищены от воздействий окружающей среды и диктуют оформление дизайна конечного продукта. Пленочные мембранные клавиатуры имеют относительно высокую стоимость и точно так же изнашиваются. Сенсорные переключатели представляют собой привлекательный компромисс стоимости, надежности и производительности.

Современные сенсорные технологии позволяют создавать клавиши, матрицы переключателей, слайдеры, панели управления разнообразной формы и даже сенсорные дисплеи, которые лишены традиционных проблем прошлого: сложности в разработке, низкой надежности и нестабильности в работе (рис. 1). Сегодня сенсоры являются зачастую более дешевыми и более надежными, чем их электромеханические конкуренты. Ушли в прошлое дни, когда выбор сенсорного переключателя или сенсорной панели требовал заказного производства или специального дизайна. Растущее разнообразие на рынке новых специализированных микросхем делает допустимым и экономически оправданным даже однократную разработку.

Рис. 1. Сенсорная панель управления современной варочной поверхности

Существует несколько популярных бесконтактных сенсорных технологий: резистивные пленки (наиболее популярна), генерация электрического поля, емкостная, акустическая, инфракрасная и некоторые другие, более экзотичные (см., например, [1]). Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, и необходимую можно выбрать, сообразуясь с конкретными нуждами будущего прибора и планируемого характера его использования. Если говорить в общем, то такие решения предлагают разработчикам практически неограниченную свободу действий для дифференциации их конечного оборудования на рынке. В предлагаемой статье рассматриваются емкостные сенсоры.

Емкостные сенсоры быстро вытесняют механические устройства ввода и способствуют повышению удобства работы и улучшению внешнего вида, в первую очередь, таких устройств массового потребления, как пульты дистанционного управления, сотовые телефоны, MP3-плееры, игровые консоли и цифровые камеры. В индустриальных и медицинских приложениях на базе емкостных сенсоров можно построить бесконтактную клавиатуру, способную продолжительное время работать в агрессивных средах. Применение в таких же условиях пленочных или контактных клавиатур зачастую может оказаться более дорогим и менее долговечным решением.

Несколько слов скажем о самом понятии «емкость». Электрическая емкость определяется как способность объекта или поверхности хранить электрический заряд и соотносится с физическим размером объекта. Но емкость объекта зависит и от его расположения относительно других предметов. В то время как одиночный объект в открытом пространстве будет иметь одно значение емкости (соотносящееся с его физическими размерами), то по мере приближения к нему другого объекта это значение емкости будет возрастать.

В 99% случаев под емкостью подразумевается взаимная емкость между двумя соседними объектами, которые отделены друг от друга посредством некоей непроводящей субстанции, или просто воздухом/вакуумом. Эта форма емкости гораздо более важна и обычно доминирует над простой емкостью в свободном пространстве, которая обычно либо очень мала, либо не так важна для рассмотрения. Футбольный мяч, летящий в воздухе, имеет взаимную емкость по отношению к Земле, точно так же, как Земля и Луна имеют взаимную емкость по отношению друг к другу. Каждый объект имеет способность для хранения заряда по отношению к другому объекту при условии, что они не соединены друг с другом чем-то хорошо проводящим электричество (иначе заряд мгновенно бы перераспределился между объектами).

Величина емкости между двумя объектами обратно пропорциональна расстоянию между ними и прямо пропорциональна их геометрическим размерам. Наличие промежуточной субстанции между двумя объектами также сильно влияет на величину взаимной емкости; в качестве численной оценки выступает диэлектрическая проницаемость материала. Чем больше ее значение, тем больше заряда можно «запасти» между объектами. Вакуум (и в большинстве случаев — воздух) имеет значение диэлектрической проницаемости 1, различные пластики — от 2 до 5, обычное стекло — около 8, чистая вода — 80, некоторые керамические материалы — до 1000.

Любой емкостный сенсорный переключатель имеет «плавающую» собственную фоновую емкость, которой соответствует определенный уровень выходного сигнала. При касании сенсора эта емкость изменяется, приводя к изменению выходного сигнала. Если оно превышает некоторый установленный порог, то сенсор регистрирует факт нажатия клавиши. Когда такой сенсор входит в состав носимого устройства, то для обеспечения устойчивой работы приходится решать ряд дополнительных проблем (под термином «устойчивость» будем понимать способность датчика надежно идентифицировать факт нажатия в зависимости от конструктивного и дизайнерского исполнения приборной панели, а также при различных внешних условиях работы). Например, устройство может находиться относительно далеко от окружающих предметов, а затем пользователь располагает его рядом с компьютером, сотовым телефоном или другим электронным оборудованием, которое излучает непредсказуемые (для сенсора) частотные компоненты при различных величинах напряженности поля. Добавим сюда электростатические разряды как потенциальные источники ложных срабатываний, капли и пленки воды и прочих загрязняющих веществ. Для того чтобы преодолеть эти и другие проблемы, например температурный и временной дрейф, микросхемы сенсорных переключателей часто имеют встроенные цифровые и аналоговые подсистемы, которые непрерывно калибруют сенсор. Путем периодического определения параметров индивидуальных каналов и регулярной калибровки подобные технологии помогают создавать разнообразные клавиатуры с бесчисленными сочетаниями формы и размеров клавиш, учитывать разницу в геометрии и емкости пальцев разных пользователей. Это помогает улучшать определение нажатия клавиш и расширять возможности разработчика конечного продукта.

Рассмотрим существующие решения, доступные на современном электронном рынке. Микросхемы емкостных сенсоров, выпускаемые сегодня компаниями Analog Devices, Cypress Semiconductor, Freescale Semiconductor и Quantum Research Group, демонстрируют различные подходы к созданию чувствительного элемента. Эти производители также предлагают отладочные наборы, что облегчает разработчикам сравнение простоты дизайна и устойчивости работы сенсоров.

Компанией Freescale по технологии Motorola SmartMOS серийно выпускается микросхема МС33794 — бесконтактный объемный датчик электрического поля (рис. 2). Кристалл был разработан компанией Motorola для рынка автоэлектроники. Основной задачей являлся трехмерный анализ внутреннего пространства салона автомобиля для оптимизации срабатывания и развертывания подушек безопасности в случаях, когда пассажиры значительно различаются по массогабаритным характеристикам, а также произвольно размещаются по внутреннему объему салона. Пространственное электрическое поле формировалось набором электродов, встроенных в переднюю панель автомобиля и в сидения. С технической точки зрения ничего революционного в решении Motorola нет, но ряд несомненных достоинств присутствует.

Рис. 2. Принцип работы объемного датчика электрического поля

Во-первых, для определения местоположения тела пассажира используется модифицированный емкостный датчик с повышенной чувствительностью. Во-вторых, сенсор позволяет определить не только факт присутствия/отсутствия пассажира, но также размеры и положение его в пространстве. И, наконец, использование MC33794 позволяет заменить несколько десятков дискретных электронных компонентов одной микросхемой при решении подобных задач. Над разработкой технологии, помогающей определять размеры и положение объекта в пространстве, совместно работали компания Motorola и Массачусетский технологический университет (MIT, США). В проекте также участвовала фирма Elesys North America, которая одной из первых применила данную технологию на практике.

Конечно, можно найти целый ряд других приложений, в которых может использоваться МС33794. В первую очередь — это охрана и безопасность: разнообразные охранные системы, системы оповещения, контроля доступа, автоматического управления освещением и т. п. Используя уникальную особенность микросхемы детектировать положение и размеры объекта в пространстве, можно конструировать различные бесконтактные выключатели силового электрооборудования и бытовых электроприборов, интеллектуальные бесконтактные клавиатуры для работы в агрессивных средах. Можно осуществлять контроль безопасного открывания/закрывания двери гаража, определять дисбаланс вращающихся деталей и узлов, например, барабанов в бытовых сушильных агрегатах и стиральных машинах и т. п. Системы автоматического оттаивания холодильников тоже являются потенциальным приложением, точно так же, как и построение разнообразных детекторов уровня вплоть до обнаружения лужицы пролитой жидкости на варочной поверхности кухонной плиты.

Микросхема MC33794 выпускается в корпусе SOIC54 и работает в диапазоне питающих напряжений от 9 до 18 В. Она имеет 9 выводов для подключения сенсорных электродов и 2 опорных входа для измерения внешней эталонной емкости известной величины (обычно 10 и 100 пФ). Данная калибровка необходима для устранения влияния нежелательных внешних воздействий — температуры, внешнего электромагнитного поля и пр. Сигнальные электроды возбуждаются внутренним генератором низкочастотного синусоидального сигнала с частотой 120 кГц. Это напряжение прикладывается к чувствительным электродам через резистор, который образует одну из половин делителя напряжения. Вторая половина делителя образуется соседней «земляной» поверхностью и сенсорным электродом. В качестве электродов могут использоваться металлические пластины или металлизированные участки поверхности. Типовая схема включения MC33794 приведена на рис. 3.

Рис. 3. Стандартная схема включения MC33794

Электроды могут подключаться к микросхеме МС33794 как непосредственно, так и с помощью коаксиального кабеля. В последнем случае для компенсации емкостных эффектов возбуждаемый электрод следует подключить к центральной жиле кабеля. Оплетка коаксиального кабеля присоединяется к специальному выводу Shield микросхемы. Благодаря тому, что этот вывод находится под тем же напряжением, что и вывод, к которому подключен сенсорный электрод, можно устранить погрешность, вызванную собственной емкостью коаксиального кабеля. Подачей напряжения на вывод Shield управляет дополнительный вывод Shield DIS. Это также позволяет осуществлять диагностику обрыва в линии электрода.

Выбор относительно низкой частоты для создания поля минимизирует проблемы электромагнитной совместимости, включая интерференцию с автомобильными радиоприемниками. В каждый момент времени только один электрод, заданный четырьмя внешними адресными входами, является источником генерируемого слабого электрического поля. Остальные сенсорные входы при помощи внутреннего мультиплексора соединяются с общим проводом. Ток утечки между излучающим и заземленными электродами является информационным сигналом для внутренней измерительной цепи, которая преобразует его в сигнал постоянного тока, а также выполняет фильтрацию и нормализацию выходного сигнала в диапазоне напряжений от 0 до 4 В.

Если в генерируемое поле поместить некоторый объект, то его емкость будет шунтировать измерительную цепь и детектируемый сигнал изменится. По изменению амплитуды детектируемого сигнала можно судить об удаленности объекта от электрода. Выходной сигнал постоянного тока МС33794 можно подавать на внешний АЦП или на микроконтроллер со встроенным АЦП. Последний вариант предпочтительнее, так как микроконтроллер может одновременно управлять работой MC33794 и осуществлять обработку сигнала по заданному алгоритму. При использовании типовых параметров АЦП для встраиваемых микроконтроллеров измерения емкости можно проводить с точностью до 0,4 пФ при 8-разрядном АЦП и до 0,1 пФ при 10-разрядном. Применение высокоточных АЦП дает возможность детектировать малые объекты на большем расстоянии [2].

MC33794 имеет ряд дополнительных узлов для выполнения сервисных функций: два встроенных регулятора напряжения, схему Power-On-Reset, сторожевой таймер и драйвер сигнальной лампы — встроенный ключ нижнего уровня с нагрузочной способностью до 1,7 А. Интерфейс физического уровня ISO-9141 (K-line) облегчает подключение микросхемы к внутренней информационной сети автомобиля. Шина K-line является одной из трех официально разрешенных в США к эксплуатации коммуникационных шин для автомобильных бортовых систем диагностики и связи.

Отладочный комплект KIT33794DWBEVM, предназначенный для работы с этим интересным датчиком, содержит микросхему МС33794 и 8-разрядный микроконтроллер 68HC908GR8 с заранее запрограммированной демонстрационной прикладной программой (рис. 4). На прилагаемом к набору CD имеется вся необходимая техническая информация, в том числе и программа для подключения к персональному компьютеру, реализующая интерфейс пользователя.

Рис. 4. Отладочный комплект для MC33794

Компания Freescale также выпускает «облегченную» модификацию датчика объемного электромагнитного поля — МС34940. Новая микросхема предназначена прежде всего для рынка бытовой электроники. Изделие выпускается в корпусе SOIC24, имеет 7 выводов для подключения сенсорных электродов и вывод Shield. Данная модификация позволяет реализовать до 28 емкостных сенсоров различной конфигурации. Функции слайдера, подавления нажатия соседних клавиш и периодической калибровки реализуются программно. Компания Freescale для работы с этой микросхемой предлагает драйверы на языке С, которые доступны из-под интегрированной среды разработки CodeWarrior для различных микроконтроллеров Freescale, включая перспективное семейство HCS08.

Демонстрационная плата DEMO1985MC34940E, разработанная на базе микроконтроллера 68HC908QY4, включает примеры готовых кодов и приложение для компьютера верхнего уровня, написанное на VisualBasic. Это позволяет программистам модифицировать код по собственному усмотрению.

Решение компании Analog Devices для целевого рынка мобильной электроники использует похожий принцип обнаружения: емкость объекта влияет на электромагнитное поле, которое генерирует микросхема сенсора. Кристалл AD7142 (пока единственный у Analog Devices) имеет 14 измерительных каналов, работает при напряжении питания от 2,7 до 3,3 В и опрессовывается в безвыводный корпус LFCSP размерами 5×5 мм, имеющий 32 контактные площадки.

Работа сенсора основана на генерации сигнала прямоугольной формы с частотой 240 кГц, который приложен к одному из электродов. Интенсивность создаваемого при этом электрического поля измеряется на соседнем электроде с помощью 16-разрядного сигма-дельта преобразователя емкости в цифровой код (CDC). Этот преобразователь в микросхеме единственный: входные сигналы от электродов-приемников последовательно коммутируются на его вход. Присутствие пальца или другого проводящего предмета шунтирует собственную емкость соответствующей клавиши, заставляя выходной код CDC изменяться (рис. 5). Когда это изменение превышает программно установленный порог срабатывания, сенсор регистрирует нажатие клавиши.

Рис. 5. Принцип работы микросхемы AD7142

Каждый из каналов преобразования AD7142 имеет свой собственный регистр результата, считываемый внешним процессором по последовательному интерфейсу. Тип интерфейса (SPI или I2C) определяется модификацией микросхемы. Блок синтезатора на кристалле поддерживает до 12 стадий преобразования на измерительную последовательность, поэтому можно оптимизировать производительность работы и энергопотребление микросхемы путем баланса между количеством преобразований и частотой дискретизации CDC. Компания Analog Devices рекомендует устанавливать общее время для измерительной последовательности от 35 до 40 миллисекунд.

Внутренняя процедура калибровки на кристалле выполняется после каждой измерительной последовательности «прозрачно» для пользователя. Это необходимо для определения изменений в собственной емкости сенсора, что позволяет исключить влияние на результат преобразования таких воздействий внешней среды, как температура, влажность и пр. Программируемые регистры позволяют разработчику подстраивать время задержки калибровки для режимов работы микросхемы на полной и пониженной мощности. Это помогает реализовать защиту против «зависания» пальца пользователя на кнопке на продолжительное время, запрещая тем самым процесс калибровки. Остающиеся на панели влага и жировая пленка от пальца пользователя тоже могут создавать эффект «зависания», поэтому форсирование калибровки помогает сенсору поддерживать оптимальную производительность определения. AD7142 имеет программируемый адаптивный порог срабатывания и алгоритм управления чувствительностью, что позволяет конечному изделию работать в руках у пользователей с разными размерами пальцев.

Данная микросхема создавалась фирмой Analog Devices, прежде всего, для применения в портативных устройствах с целью реализации современного и надежного интерфейса управления. За счет автоматической постоянной калибровки AD7142 обеспечивает высокую устойчивость работы в изменяющихся внешних условиях (температура, влажность), которые могут со временем ухудшить параметры емкостного сенсора. Имея 14 входов, микросхема может быть запрограммирована для работы с различными конфигурациями датчиков. ADI предлагает также образцы конструкций датчиков для различных применений вместе с соответствующим программным обеспечением, которое обеспечивает высокую точность и чувствительность сенсора.

AD7142 может работать в режимах полной и пониженной мощности и в спящем режиме. В основном режиме (полной мощности) кристалл непрерывно осуществляет преобразования и автокалибровку с постоянным темпом. Режим пониженной мощности позволяет программно выбирать различные значения частоты обновления сигнала на выходе и, соответственно, различные уровни энергопотребления. Например, частота измерительных последовательностей может быть снижена до 1 раза в 400 мс до тех пор, пока не определяется новый факт нажатия клавиши, после чего кристалл возвращается к рекомендованной производителем последовательности в 40 мс. Для приведенных значений времени режим пониженной мощности снижает ток общего энергопотребления кристалла приблизительно в 20 раз. В спящем режиме ток покоя снижается до 2 мкА.

Для демонстрации возможностей сенсора и оценки его возможностей Analog Devices выпускает отладочную плату EVAL-AD7142EB и демонстрационный набор Scrollwheel-3, знакомый многим посетителям выставок. Он поставляется в пластмассовом корпусе размерами 67×67×28 мм и содержит две печатные платы. Набор собран на базе микроконвертора ADuC841, который управляет микросхемой AD7142 по SPI-интерфейсу. Связь с внешним компьютером осуществляется по интерфейсу USB, реализованному на кристалле Cypress CY7C68013A. «Сердцем» системы является плата с сенсором. Гибкая подложка разделяет ее чувствительную зону на 8 радиальных секторов одинакового размера. ADI отмечает, что реализация джойстиковых панелей и слайдеров требует специальных обслуживающих программ для интерполяции между чувствительными зонами. Компания оценивает размер кода для обслуживания слайдера как 3 К памяти программ и 500 байт SRAM, а также рекомендует процессор с производительностью 1 MIPS и более.

Британская компания Quantum Research Group, не имеющая собственных производственных мощностей, использует другой подход при создании емкостных сенсоров. Quantum выпускает ряд микросхем на базе технологии переноса заряда — QT. В сущности, QT-сенсор представляет собой специализированный микроконтроллер, который запрограммирован на заряд чувствительной поверхности неизвестной емкости до известного потенциала с последующим измерением перенесенного заряда. Чувствительная поверхность может быть любой — от площадки на печатной плате до оптически прозрачного участка In-SnO2 на поверхности сенсорного дисплея. Измеряя заряд этой поверхности после одного или нескольких циклов заряда/переноса, микроконтроллер определяет емкость чувствительной поверхности. При определенном алгоритме следования циклов «заряд-измерение» и вариациях их длительности гарантируется надежное определение касания.

Сенсоры компании Quantum обычно используют частоту зондирования около 100 кГц, но некоторые из них могут работать на эффективных частотах до 10 МГц и более, используя выборки порядка 100 нс. Они постоянно измеряют собственную емкость объекта и принимают это измеренное значение как «тару», а затем следят за очень маленькими изменениями в измеряемом сигнале, которые вызываются присутствием вблизи сенсора другого объекта. Такой подход позволяет системе автоматически отстраиваться от значительных величин собственной емкости сенсорной панели. Это дает возможность превращать почти любой предмет в сенсор.

Данная технология хорошо подходит для проектирования и изготовления сенсорных экранов. Сенсоры Quantum могут различать объекты через стекло толщиной до 50 мм или через слой других материалов, толщина которого определяется значением диэлектрической проницаемости. Для того чтобы обезопасить систему от ложных срабатываний из-за мгновенных непреднамеренных касаний, случайного приближения объекта, электростатических разрядов и пр., в микросхемах Quantum аппаратно реализована мажоритарная система голосования, которая анализирует количество успешных выборок перед принятием решения о совершившемся нажатии, работая как противодребезговый фильтр. Обрабатывающие событие процедуры реализуют подавление нажатий соседних клавиш и итерационную калибровку сенсора. Имеется схема автоматической компенсации дрейфа, что необходимо для надежного распознавания нажатия, когда колебания температуры на поверхности управления могут достигать значительных величин (например, микроволновые печи). Алгоритм периодически оценивает уровень базового сигнала от каждого входа, когда никто не прикасается к сенсорам, подстраивая уровень определения так, чтобы обеспечить постоянную чувствительность. В зависимости от типа микросхемы разработчики устанавливают требуемый уровень срабатывания, используя опорные конденсаторы или программируя внутренние регистры.

Спектр выпускаемых Quantum микросхем покрывает многие потребности разработчиков конечной аппаратуры от одиночных/рядных клавиш до матричных клавиатур, однои двумерных слайдеров и сенсорных панелей. Так, кристалл QT118H для построения одиночной сенсорной клавиши чувствует прикосновение пальца через толстое стекло и потребляет при этом приблизительно 12 мкА от источника питания 3,3 В. Микросхема содержит 14-разрядный АЦП на переключаемых конденсаторах. Последовательно формируются импульсы накачки и измеряется уровень заряда сенсора, что обеспечивает калибровку «на лету». Единственный внешний компонент — недорогой конденсатор — определяет чувствительность устройства. Длительность цикла переноса заряда составляет 2 мкс, длительность измерительного пакета— от 0,5 до 7 мс. Типовое время между пакетами установлено как 95 мс. Но так как встроенные алгоритмы распознавания требуют как минимум четырех непрерывно следующих друг за другом активных измерительных выборок для регистрации нажатия клавиши, то после начального определения факта нажатия микросхема уменьшает время между выборками до 2 мс. Это сделано для того, чтобы не увеличивать среднее время отклика более 95 мс. Два вывода микросхемы используются для конфигурации типа выходного сигнала. Для контроля работоспособности микросхемы она постоянно вырабатывает специальный сигнал HeartBeat длительностью 350 мкс.

Еще один пример продукции компании Quantum — микросхема QT511, предназначенная для реализации кольцевых секторных панелей и слайдеров. Она использует трехэлектродные секционные площадки для формирования области, чувствительной к касанию (рис. 6). Интерполирующая логика на кристалле обеспечивает разрешение до 128 точек. Три опорных конденсатора, значения емкости которых зависят от толщины и диэлектрических свойств материала панели, определяют чувствительность сенсора. Выходные данные считываются из микросхемы по интерфейсу SPI. Внешний микроконтроллер устанавливает режимы работы QT511.

Рис. 6. Примеры кольцевых сенсорных площадок

Сенсоры Quantum для кнопочных панелей произвольного дизайна обеспечивают индивидуальную подстройку чувствительности для каждой клавиши, позволяя разработчикам максимально гибко подстраиваться под существующие кнопки различных размеров и формы. Для OEM-клиентов компания также может изготавливать заказные однокристальные решения под нужды малогабаритного и дешевого конечного изделия (например, кухонного блендера), используя наличие встроенного микроконтроллера.

Компания выпускает демонстрационные и отладочные средства разработчика для своих микросхем.

На рис. 7 показана отладочная плата Е160 для микросхемы QT160. Эта прочная конструкция определяет «нажатия» 6 клавиш через толстую пластиковую прозрачную панель. Питание платы осуществляется от батареи. E160 имеет функцию подстройки максимального времени автокалибровки, что необходимо для распознавания необычно длинных прикосновений.

Рис. 7. Отладочная плата для сенсора QT160

Подавление касания соседних клавиш является отличительной чертой этого отладочного средства: надежно определяется максимально «сильное» из трех конкурирующих касаний.

Продукция компании Cypress Semiconductor для создания емкостных сенсоров выпускается под торговой маркой CapSense. В основе решения от Cypress лежат PSoC — программируемые системы на кристалле CY8C21x34 и CY8C24x94, которые также можно назвать микроконтроллерами для совместной обработки аналоговых и цифровых сигналов. Микросхемы PSoC отличаются от обычных микроконтроллеров именно тем, что центральное процессорное ядро M8C обрамляют конфигурируемые цифровые и аналоговые блоки, а не законченные функциональные узлы, в которых можно менять некоторые параметры, но не назначение всего узла. В общем виде цифровой блок в PSoC представляет собой конечный автомат, на базе которого пользователь может создать различные функциональные узлы (UART, SPI, таймер, PWM и т. д.), просто изменяя содержимое конфигурационных регистров. Сходным образом технология Cypress PSoC поддерживает аналоговые функциональные блоки, которые включают в себя операционные усилители, компараторы, массивы резисторов, а также блоки на переключаемых конденсаторах, что позволяет строить блоки фильтров, АЦП и ЦАП (рис. 8). Каждый модуль PSoC имеет собственный DataSheet с электрическими параметрами и стратегией разработки проекта. Средство разводки проекта, входящее в программный пакет PSoC Designer, обеспечивает визуализацию необходимых соединений. Среда разработки PSoC Designer также обеспечивает драйверы и функции API, включающие установку регистров и функции вызова на языке С или ассемблере.

Рис. 8. Идеология микросхем PSoC

Наличие стандартного процессорного ядра в PSoC выгодно отличает данное техническое решение от описанных выше. Именно наличие процессора позволяет небольшому семейству CapSense работать с самыми разными типами сенсоров — от одиночных клавиш до круговых слайдеров и сенсорных панелей. Все это обеспечивает простоту навигации в каталогах файлов музыки, изображений или видеозаписей. Микросхемы Cypress доступны для заказа в 4 типах корпусов — от стандартного SOIC16 до малогабаритного MLF с размерами 5×5 мм — и работают в диапазоне питающих напряжений 2,4–5,25 В. CY8C21x34 имеют 8 К Flash-памяти, 512 байт SRAM, а также последовательные порты I2C/SPI/UART. Микросхемы CY8C24x94 выпускаются в корпусе с 56 выводами (минимальный — 8×8 мм MLF), имеют 16 К Flash-памяти, 1024 байта SRAM, а в качестве последовательных портов — I2C/SPI/UART и USB 2.0 (full-speed).

Основным конкурентом PSoC можно считать микросхему AD7142. Но она проигрывает по возможному количеству реализуемых сенсоров — 14 против 28 у СY8C21634 или 50 у CY8C24794. Причем, при реализации тех же 14 сенсоров остальные выводы у микросхем PSoC могут использоваться в качестве дополнительных линий ввода/вывода, а микросхемы CY8C24х94 имеют на кристалле отдельный аппаратный блок USB 2.0.

Архитектура PSoC позволяет разработчикам быстро и гибко объединять разнообразные элементы для построения сенсорных панелей в конечном приложении в рамках одного проекта. «Клавиши» CapSense способны чувствовать палец через стекло или пластик толщиной до 5 мм. Только часть микросхемы PSoC нужна для поддержки технологии CapSense, остальные аналоговые и цифровые ресурсы кристалла могут использоваться по другому назначению — управлять светодиодами, двигателями, реле, источниками звукового сигнала и т. п.

В основy решения Cypress положен релаксационный генератор, который состоит из источника тока, «чувствующей» емкости неизвестного заранее значения, компаратора и разряжающего ключа. Емкость между чувствительным электродом и общим проводом является времязадающим элементом в генераторе пилообразного напряжения. Источник постоянного тока заряжает конденсатор до тех пор, пока напряжение на нем не достигает порогового уровня. Срабатывает компаратор, замыкается ключ и конденсатор разряжается. После этого весь цикл повторяется. Этот процесс создает пилообразное напряжение, тактирующее модуль ШИМ, который в свою очередь разрешает или запрещает работу 16-битного таймера (рис. 9). Поскольку ток заряда и величина емкости определяют частоту генерации, устройство по такой схеме «чувствует» приближение емкости постороннего проводящего объекта, например, пальца пользователя. Когда палец подносится к чувствительному электроду, взаимная емкость увеличивается, и, следовательно, нужно больше времени для ее заряда. Это вызывает удлинение временного импульса блока ШИМ, а значит, увеличивается и количество импульсов основной тактовой частоты, которые считает 16-битный таймер. Если результаты подсчета при переходе от одного импульса к другому изменяются больше, чем на величину заранее установленного порога, то регистрируется присутствие проводящего объекта. Компания Cypress опубликовала целый ряд документов Application Note, которые раскрывают принцип действия CapSense и описывают подходящие формы контактных площадок, пригодных для сенсоров данного типа.

Рис. 9. Принцип работы технологии CapSense

Технология CapSense предоставляет отличные возможности в первую очередь для мобильных, носимых и портативных устройств именно из-за непредсказуемости их использования в различных внешних условиях. Программное обеспечение Cypress через функции API позволяет разработчикам компенсировать различные дрейфовые внешние воздействия. Можно периодически запускать корректирующий алгоритм, который обновляет конфигурационный регистр каждого электрода. Можно устанавливать как порог шума, так и уровни срабатывания сенсора, позволяя действующей программе подстраивать работу системы, испытывающей на себе частые изменения внешних условий. Можно также осуществлять баланс энергопотребления устройства и чувствительность определения нажатия путем настройки на конкретный тип и конфигурацию сенсорной панели, включая покрытие различными материалами. Использование слайдеров, например, обеспечивает высокий уровень функциональности конечного дизайна и значительно более высокое разрешение по сравнению с набором отдельных сенсорных клавиш. Увеличение разрешения достигается путем программной интерполяции. Изменение емкости при касании измеряется на всех чувствительных элементах слайдера, и значения емкости на соседних элементах используются для определения позиции.

Возможно также достижение еще большего разрешения или увеличения размеров слайдера путем диплексирования выводов (рис. 10). Каждый вход CapSense PSoC одновременно присоединяется к двум чувствительным элементам. Эти пары чувствительных элементов размещены в определенном геометрическом порядке друг относительно друга по длине слайдера, что исключает ошибки в определении, какая из сторон слайдера в настоящий момент является активной. Программный алгоритм, вызываемый в качестве API-функции, определяет случайные выбросы и место касания.

Рис. 10. Диплексирование для линейного слайдера

Компания Cypress постоянно работает над совершенствованием технологии CapSense. В первую очередь внимание уделяется температурной компенсации и стабильности источника тока. Новые версии кристаллов в этой серии имеют на борту линейный стабилизатор и обладают более низким энергопотреблением. Cypress также активно работает над снижением восприимчивости кристалла к различным электромагнитным помехам.

Отладочный набор CAPSense от Cypress содержит базовую печатную плату с размерами 127×77 мм, на которой расположена микросхема сенсора CY8C21001, линейный источник питания 5 В, пьезоизлучатель и чувствительные области для 7 кнопок и линейного слайдера (рис. 11). Кристалл CY8C21001 эмулирует все микросхемы CapSense PSoC. Посредством штыревых разъемов разработчику обеспечен доступ к порту I2C микросхемы и линиям для внутрисхемного программирования. К отладочному набору прилагается программатор MiniProg для PSoC вместе с mini-USB кабелем для связи с внешним компьютером. Двухрядный 16-символьный ЖКИ, расположенный на плате, отображает статус системы. Через дополнительный разъем RJ-45 можно подключить внешний внутрисхемный эмулятор ICE-Cube. Данный эмулятор является ключевым компонентом более дорогого и серьезного отладочного набора PSoC CY3215DK, в состав которого также входит лицензия на С-компилятор пакета PSoC Designer.

Рис. 11. Отладочный набор CY3212-CAPSense

В заключение отметим еще раз, что современные сенсорные переключатели являются реальными конкурентами для существующих электромеханических решений, в том числе и по стоимости. Разнообразие доступных сенсорных технологий действительно предоставляет разработчику широкие возможности для реализации интерфейса ввода информации в каждом конкретном приложении.

Литература
  1. Гармаев Б. Мануальное воздействие: технологии сенсорных экранов // www.terralab.ru/input/37214
  2. Иванов В. С., Чепурин И. Н. Новые решения Freescale Semiconductor для встраиваемых систем управления и сбора информации // www.freescale.com/files/abstract/global/RUSSIA_ART_3.doc
  3. Marsh D. Capacitive touch sensors gain fans // EDN. 2006. № 13.
  4. www.analog.com
  5. www.cypress.com
  6. www.qprox.com
  7. www.freescale.com

Датчик прикосновения TTP223B Сенсорная емкостная кнопка на микросхеме TTP223B

Описание

Принцип работы этой сенсорной кнопки основан на электрической ёмкости человеческого тела. Срабатывание модуля на коммутацию происходит от прикосновения пальцем к сенсорному датчику. В состоянии покоя — на выходе модуля низкий уровень напряжения, при касании сенсора — появляется высокий уровень напряжения. После 12 секунд бездействия модуль переходит в режим пониженного энергопотребления.

  Очень малый ток потребления совместно с режимом пониженного потребления позволяет использовать модуль в системах с автономным питанием.

  Модуль можно монтировать на пластиковые, стеклянные или любые другие неметаллические поверхности. Чувствительность датчика позволяет монтировать его за поверхностями небольшой толщины, что очень удобно для использования его в качестве скрытых кнопок. Сенсор уверенно срабатывает на расстоянии до 4 мм.

 
 Модуль имеет 3 контакта :
  • I/O (SIG) (выходной цифровой сигнал)
  • VCC (напряжение питания)
  • GND (общий контакт)
Питание модуля осуществляется от Arduino контроллера, другого микропроцессорного управляющего устройства, или от внешнего источника питания (блока питания, батареи).  Напряжение питания модуля 2,5 – 5,5 В.

На плате есть перемычки (А, В), с помощью которых можно изменять логику работы кнопки:

  • AB = 00: кнопка без фиксации, при срабатывании высокий уровень на выходе
  • AB = 01: кнопка с фиксацией, при включении высокий уровень на выходе
  • AB = 10: кнопка без фиксации,  при срабатывании низкий уровень на выходе
  • AB = 11: кнопка с фиксацией, при включении низкий уровень на выходе

Основные характеристики:

  • Напряжение питания: 2.5-5,5 В
  • Потребление в обычном режиме: < 8 мА
  • Потребление в режиме пониженного энергопотребления: < 3мкА
  • Время отклика в активном режиме:  60 мс
  • Время отклика в режиме пониженного энергопотребления: 220 мс
  • Чип: TTP223B
  • Чувствительность: 0 – 50 пФ
  • Размер: 13*10 мм

Введение в емкостные датчики прикосновения

Добавлено 5 ноября 2016 в 15:30

Сохранить или поделиться

В данной статье мы подробно (но не слишком) рассмотрим принципы электричества, которые позволяют нам обнаруживать прикосновение человеческого пальца, используя немного больше, чем просто конденсатор.

Конденсаторы могут быть сенсорными

В течение последнего десятилетия или около того стало действительно трудно представить себе мир с электроникой без сенсорных датчиков прикосновений. Смартфоны являются тому наиболее заметным и распространенным примером, но, конечно, существуют и другие многочисленные устройства и системы, которые обладают датчиками прикосновений. Для построения сенсорных датчиков прикосновений могут использоваться и емкость, и сопротивление; в данной статье мы будем обсуждать только емкостные датчики, которые более предпочтительны в реализации.

Хотя применения, основанные на емкостных датчиках, могут быть довольно сложными, фундаментальные принципы, лежащие в основе данной технологии, достаточно просты. На самом деле, если вы понимаете суть емкости и факторы, которые определяют емкость конкретного конденсатора, вы стоите на правильном пути в понимании работы емкостных сенсорных датчиков прикосновения.

Емкостные сенсорные датчики касания делятся на две основные категории: на основе взаимной емкости и на основе собственной емкости. Первый из них, в котором конденсатор датчика состоит из двух выводов, которые действуют как излучающий и приемный электроды, является более предпочтительным для сенсорных дисплеев. Последний, в котором один вывод конденсатора датчика подключен к земле, является прямым подходом, который подходит для сенсорной кнопки, слайдера или колеса. В данной статье мы рассмотрим датчики на основе собственной емкости.

Конденсатор на базе печатной платы

Конденсаторы могут быть различных типов. Мы все привыкли видеть емкость в виде компонентов с выводами или корпусов поверхностного монтажа, но на самом деле, всё, что вам действительно необходимо, это два проводника, разделенных изолирующим материалом (т.е. диэлектриком). Таким образом, довольно просто создать конденсатор, используя лишь электропроводные слои, разделенные печатной платой. Например, рассмотрим следующие вид сверху и вид сбоку печатного конденсатора, используемого в качестве сенсорной кнопки прикосновения (обратите внимание на переход на другой слой печатной платы на рисунке вида сбоку).

Сенсорная кнопка

Изолирующее разделение между сенсорной кнопкой и окружающей медью создает конденсатор. В этом случае, окружающая медь подключена к земле, и, следовательно, наша сенсорная кнопка может быть смоделирована, как конденсатор между сенсорной сигнальной площадкой и землей.

Возможно, сейчас вы захотите узнать, какую емкость реально обеспечивает такая разводка печатной платы. Кроме того, как мы рассчитаем ее точно? Ответ на первый вопрос: емкость очень мала, может составлять около 10 пФ. Что касается второго вопроса: не беспокойтесь, если забыли электростатику, потому что точное значение емкости конденсатора не имеет никакого значения. Мы ищем только изменения в емкости, и мы можем обнаружить эти изменения без знания номинального значения емкости печатного конденсатора.

Влияние пальца

Так что же вызывает эти изменения емкости, которые контроллер датчика прикосновений собирается обнаружить? Ну, конечно же, человеческий палец.

Влияние пальца на сенсорную кнопку

Прежде, чем мы обсудим, почему палец изменяет емкость, важно понимать, что здесь нет прямого электрического контакта; палец изолирован от конденсатора лаком на печатной плате и, как правило, слоем пластика, который отделяет электронику устройства от внешней среды. Так что палец не разряжает конденсатор, и, кроме того, количество заряда, хранимое в конденсаторе в определенный момент, не представляет интереса – скорее интерес представляет емкость в определенный момент.

Итак, почему же присутствие пальца изменяет емкость? Есть две причины: первая включает в себя диэлектрические свойства пальца, а вторая включает в себя его проводящие свойства.

Палец как диэлектрик

Обычно мы думаем о конденсаторе, как имеющем фиксированную величину, определяемую площадью двух проводящих пластин, расстоянием между ними и диэлектрической проницаемостью материала между пластинами. Мы, конечно, не можем изменить физические размеры конденсатора, просто прикоснувшись к нему, но мы можем изменить диэлектрическую проницаемость, так как палец человека обладает диэлектрическими характеристиками, отличающимися от материала (предположительно воздуха), который он вытесняет. Это правда, что палец не будет находиться в настоящей области диэлектрика, т.е. в изолирующем пространстве непосредственно между проводниками, но такое «вторжение» в конденсатор необязательно:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве диэлектрика

Как показано на рисунке, чтобы изменить диэлектрические характеристики, нет необходимости помещать палец между пластинами, поскольку электрическое поле конденсатора распространяется в окружающую среду.

Оказывается, что человеческая плоть является довольно хорошим диэлектриком, потому что наши тела состоят в основном из воды. Относительная диэлектрическая проницаемость вакуума равна 1, а относительная диэлектрическая проницаемость воздуха лишь немного выше (около 1,0006 на уровне моря при комнатной температуре). Относительная диэлектрическая проницаемость воды намного выше, около 80. Таким образом, взаимодействие пальца с электрическим полем конденсатора представляет собой увеличение относительной диэлектрической проницаемости, и, следовательно, приводит к увеличению емкости.

Палец как проводник

Любой, кто испытал на себе удар электрического тока, знает, что кожа человека проводит ток. Я уже упоминал выше, что прямого контакта между пальцем и сенсорной кнопкой (то есть ситуации, когда палец разряжает печатный конденсатор) нет. Тем не менее, это не означает, что проводимость пальца не имеет значения. Она на самом деле весьма важна, так как палец становится второй проводящей пластиной в дополнительном конденсаторе:

Влияние пальца на сенсорную кнопку в качестве проводника

На практике мы можем предположить, что этот новый конденсатор, созданный пальцем, подключен параллельно существующему печатному конденсатору. Эта ситуация немного сложнее, потому что человек, использующий сенсорное устройство, электрически не соединен с землей на печатной плате, и, таким образом, эти два конденсатора не включены параллельно в обычном для анализа цепей смысле.

Тем не менее, мы можем думать о человеческом теле, как об обеспечивающем виртуальную землю, поскольку оно имеет относительно большую емкость, чтобы поглощать электрический заряд. В любом случае, нам не нужно беспокоиться о точной электрической связи между конденсатором с пальцем и печатным конденсатором; важным моментом является то, что псевдопараллельное соединение этих двух конденсаторов означает, что палец будет увеличивать общую емкость, так как конденсатор добавляется параллельно.

Таким образом, мы можем увидеть, что оба механизма влияния при взаимодействии пальца и емкостного датчика касания способствуют увеличению емкости.

Близкое расстояние или контакт

Предыдущее обсуждение приводит нас к интересной особенности емкостных датчиков касаний: измеряемое изменение емкости может быть вызвано не только контактом между пальцем и датчиком, но и близким расстоянием между ними. Я обычно думаю о сенсорном устройстве, как о замене механического переключателя или кнопки, но емкостная технология датчиков касаний на самом деле представляет собой новый уровень функциональности, позволяя системе определять расстояние между датчиком и пальцем.

Оба механизма изменения емкости, описанные выше, оказывают влияние, которое зависит от расстояния. Для механизма на базе диэлектрической проницаемости количество «мясного» диэлектрика взаимодействие с электрическим полем конденсатора увеличивается при приближении пальца к проводящим частям печатного конденсатора. Для механизма на базе проводящих свойств емкость конденсатора с пальцем (как и любого другого конденсатора) обратно пропорциональна расстоянию между проводящими пластинами.

Имейте в виду, что этот метода не подходит для измерения абсолютного расстояния между датчиком и пальцем; емкостные датчики не предоставляют тех данных, которые необходимы для выполнения точных вычислений абсолютных расстояний. Я полагаю, что можно было бы откалибровать емкостную сенсорную систему для грубых измерений расстояний, но так как схема емкостных датчиков была разработана для обнаружения изменения емкостей, то отсюда следует, что эта технология особенно подходит для обнаружения изменения в расстояниях, т.е. когда палец приближается или удаляется от датчика.

Заключение

Теперь вы должны точно понимать фундаментальные основы, на базе которых строятся емкостные сенсорные системы. В следующей статье мы рассмотрим методы реализации этих основ, которые помогут вам перейти от теории к практике.

Следующая статья в серии: Схемы и методы реализации емкостных датчиков касаний

Надеюсь, статья оказалась полезной. Оставляйте комментарии!

Оригинал статьи:

Теги

ДатчикЕмкостной датчик касанияЕмкостьПаразитная емкостьПечатный конденсатор

Сохранить или поделиться

Новый датчик касания работает даже через сталь и стекло

Компания Peratech из Йоркшира предлагает купить лицензию на сенсорные датчики, работающие через сталь и стекло.

Названный QTC Ultra Sensor, датчик «определяет касание, получив деформацию величиной всего около одного микрона».

«Мы разработали такую чувствительную конструкцию датчика, что она может быть смонтирована под листом нержавеющей стали толщиной 0,1 мм или стекла толщиной 0,5 мм и все еще будет определять давление пальца на лист», – сказал Дэвид Ласси (David Lussey), технический директор Peratech.

Интеллектуальную собственность компании составляет ряд эластомеров, названных композитами с эффектом квантового туннелирования (QTC), которые изменяют сопротивление при деформации. Они состоят из наноразмерного проводящего материала, равномерно распределенного в непроводящем полимере. Применять можно слои толщиной до нескольких микрон.

«Установка традиционных выключателей в изделия, всегда привносит долю вероятности отказа, либо в самом выключателе, либо в его монтаже, — говорится в заявлении компании. — QTC Ultra Sensor решает эту проблему, так как его можно смонтировать в виде небольшого листа или экрана из QTC, напечатанного на обратной стороне стальной пластины там, где будет нужно конструктору изделия. Эта конструкция работает одинаково хорошо и с другими материалами, такими как пластик, стекло или дерево, обладающими достаточной гибкостью для приведения в действие QTC-выключателя».

Его можно применить в качестве секретных выключателей за полупрозрачным материалом.

«QTC Ultra Sensor уже вызвал интерес производителей автомобилей и бытовой техники, — сказал Ласси. — Оформив лицензию, они смогут применить эти материалы во всем ассортименте своей продукции».

Читайте также:
Жуки вдохновили инженеров на создание датчика прикосновений
Инженеры предложили рисовать газовые сенсоры
Миниатюрные дешёвые сенсоры для получения проб воздуха
«Электронный нос» зашьют в одежду
Гибкая электроника совершает прорыв

Источник: Electronics Weekly

Самый простой сенсорный датчик для медной поверхности

Существуют проблемы с предоставлением пользователю возможности непосредственно касаться контактов печатной платы. О: ОУР от касания и окружающей среды напрямую подключено к схеме, поэтому вам понадобится пара хороших подавителей TVS для высоких и низких скачков энергии на сенсорной панели. Вы также хотели бы добавить некоторое последовательное сопротивление в линиях, идущих к активным устройствам от площадок, чтобы поглотить часть оставшейся энергии перенапряжения. Добавление шунтирующей емкости через сенсорные панели также поможет ослабить скачок перенапряжения.

B: Влага, грязь, масла для кожи и др. и др. будет загрязнять поверхность печатной платы и приводить либо к прерывистым событиям «короткого замыкания», которые выглядят как прикосновения, когда их нет, либо к событиям разомкнутой цепи, когда есть прикосновения из-за окисления и других поверхностных загрязнений, которые не являются проводящими.

Хотя резистивный сенсорный датчик, показанный на рисунке, является дешевым и простым, на самом деле он не очень выгоден по сравнению с использованием куполообразного / эластомерного переключателя, который представляет собой контактную площадку того же типа, но с проводящей пластиной, которая косвенно прижимается для замыкания контактов. Проводящий верхний слой удобен тем, что он обеспечивает изоляцию от электростатического разряда, а также место для надписи на кнопке с надписью, а также защищает печатную плату от загрязнений, улучшая повторяемость и надежность сенсорного контакта.

Существует несколько «специально созданных» емкостных сенсорных ИС для обнаружения прикосновения от Analog Devices, MICROCHIP, ATMEL, MAXIM и др., И большинство недорогих линий MCU, таких как MSP430Gxxx, ATTiny и другие, имеют емкостное сенсорное решение, которое в значительной степени подключено и играй. Хотя использование MCU не обязательно является «самым простым» решением, это может быть решение с емкостным зондированием, которое является наиболее простым, относительно предсказуемым, надежным, настраиваемым (насколько чувствительным оно должно быть? Что делать при обнаружении касания?) ,

Другим простым способом обнаружения касания является использование JFET с плавающим затвором для определения наличия электрического заряда и изменений электростатического поля, когда палец находится рядом с датчиком или нет. Чувствительность может быть настроена путем изменения размера площадки, близости и уровня напряжения защитного / загрузочного кольца, окружающего подушку, и с помощью некоторого смещения с высоким импедансом. Ищите сенсорный выключатель JFET и электрометр JFET для выбора цепи и детали. Вход JFET или операционный усилитель CMOS может быть настроен на аналогичную работу благодаря высокой чувствительности и высокому сопротивлению.

Один из простых и надежных способов, но не с наименьшими затратами, заключается в простом использовании устройства бесконтактного переключения отражательного типа или типа прерывателя луча для определения того, находится ли палец рядом или на плоскости, где устройство отслеживает. Если он расположен за сквозным отверстием на печатной плате, обращенным вверх, он может обнаружить прикосновение к верхней поверхности меди.

Итак, короче говоря, я согласен с тем, что резистивный датчик проводимости может быть одним из более простых подходов. Вам также следует учитывать аспекты настройки чувствительности, надежности и надежности. Когда они рассматриваются, вы можете добавить защитный слой к плате и защите от электростатических разрядов, независимо от того, является ли полученная технология коммутации резистивной или емкостной в этот момент, по вашему выбору.

Мне нравится использовать функцию «PINOSC» для частей строки значений MSP430Gxxx и их емкостную библиотеку чувствительности к касанию, и есть аналогичные решения от ATMEL для некоторых из их частей ATTiny, поскольку один из них легко контролирует устранение неполадок, чувствительность, адаптивное использование пороговых значений и т. Д. и др. Легче и более повторяемый / динамически автоматически настраиваемый, чем настройка аналогов.

http://www.ti.com/tool/capsenselibrary http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=SLAA363&track=no http://processors.wiki.ti.com/ index.php / MSP430_Low_Cost_PinOsc_Capacitive_Touch_Overview http://www.ti.com/430touch http://www.eecs.berkeley.edu/~boser/courses/40/labs/docs/MSP430%20touch%20pad%20experiment.pdf http: //www.eecs.berkeley.edu/~boser/courses/40/labs/docs/MSP430%20touch%20pad%20slap105.pdf

Датчики касания | PNEDA

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

17 340

В корзинуОбновить в корзину

FSR™400

Resistive

3µs

Analog

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

22 932

В корзинуОбновить в корзину

FSR™400

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

12 954

В корзинуОбновить в корзину

FSR™400

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE SENS RES 0-2.2LBS

15 972

В корзинуОбновить в корзину

FSR™400

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Ohmite

FORCE SENSING RESISTOR

10 140

В корзинуОбновить в корзину

FSR

Resistive

Analog

Connector

-20°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

8 664

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 404

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Ohmite

FORCE SENSING RESISTOR

7 362

В корзинуОбновить в корзину

FSR

Resistive

Analog

Connector

-20°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

7 434

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 408

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

7 560

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 408

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

6 696

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

8 226

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

7 074

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE SENS RES 0-2.2LBS

7 104

В корзинуОбновить в корзину

Resistive

3µs

Analog

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE SENS RES 0-2.2LBS

8 172

В корзинуОбновить в корзину

Resistive

3µs

Analog

-25°C ~ 70°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

6 696

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 408

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

7 866

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

6 432

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

8 160

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

8 280

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

8 928

В корзинуОбновить в корзину

FSR™400

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

5 940

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 408

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Ohmite

FORCE SENSING RESISTOR

4 842

В корзинуОбновить в корзину

FSR

Resistive

Analog

Connector

-20°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

7 326

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 408

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Interlink Electronics

SENSOR FORCE RES 0.04-4.5LBS

7 326

В корзинуОбновить в корзину

FSR™ 408

Resistive

3µs

Analog

Solder Tab

-40°C ~ 85°C

Omron Electronics Inc-EMC Div

TOUCH SENSOR

8 694

В корзинуОбновить в корзину

W7ED

Capacitive

Open Collector

Connector

5V ~ 15V

-10°C ~ 60°C

Omron Electronics Inc-EMC Div

TOUCH SENSOR

6 156

В корзинуОбновить в корзину

W7ED

Capacitive

Open Collector

Connector

5V ~ 15V

-10°C ~ 60°C

Omron Electronics Inc-EMC Div

TOUCH SENSOR

7 434

В корзинуОбновить в корзину

W7ED

Capacitive

Open Collector

Connector

5V ~ 15V

-10°C ~ 60°C

Omron Electronics Inc-EMC Div

TOUCH SENSOR

8 334

В корзинуОбновить в корзину

W7ED

Capacitive

Open Collector

Connector

5V ~ 15V

-10°C ~ 60°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

6 312

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

Neonode Inc.

INFRARED TOUCH SENSOR

5 994

В корзинуОбновить в корзину

zForce AIR Touch Sensor

Infrared

10ms

I²C, USB

Card Edge/Solder Pad

4.75V ~ 5.25V

-20°C ~ 65°C

сенсорная кнопка (с фиксацией/без фиксации) —

Описание:

Сенсорная кнопка “TTP223”  выполнена на базе микросхемы “TTP223-BA6” в виде бескорпусной платы на емкостном принципе, и может работать в режиме с фиксацией и без фиксации включения при касании рукой или поднесении руки на небольшое расстояние (до 5 мм).

Датчик касания модуля “TTP223” имеет площадку в виде металлизированной поверхности печатной платы с надписью “touch”, при поднесении или касании его рукой, происходит включение светодиода на плате и на выходе “Q”  появляется напряжение. На плате имеются две перемычки для настройки режимов выхода “Q” (перемычка A (AHLB) – настройка 0 или 1 на выходе и перемычка B – вкл./выкл. фиксации переключения)

Сенсорная кнопка – модуль “TTP223” с фиксацией/без фиксации – вид сверхуСенсорная кнопка – модуль “TTP223” с фиксацией/без фиксации – вид снизуПринципиальная схема сенсорного модуля “TTP223”

Подключение емкостной кнопки:

VCC: “+”  2  – 5.5 В пост.тока

OUT: выход высокий / низкий уровень

GND: общий

Технические характеристики “TTP223”:

  • Напряжение питания постоянного тока, В: 2  – 5.5
  • Потребляемый ток (в покое, при VCC= 3 В), мкА: 70
  • Потребляемый ток (при срабатывании, при VCC= 3 В), мА:  5
  • Потребляемый ток (в покое, при VCC= 5 В), мкА: 130
  • Потребляемый ток (при срабатывании, при VCC= 5 В), мА:  16
  • Выходной уровень (при VCC= 3 В), В:  2.6 (высокий)  /  0 (низкий)
  • Выходной уровень (при VCC= 5 В), В:  4 (высокий)  /  0 (низкий)
  • максимальное время срабатывания (при VCC= 3 В), мС: 220
  • Размеры платы, мм: 11*15

Выводы микросхемы “TTP223-BA6”:

№ вывода назв. вывода тип описание
1 Q OS push-pull output CMOS выход
2 VSS Ground “-”  источ. пит.
3 I CMOS I/O вход сенсора
4 AHLB CMOS input and pull-low resister При подаче на этот вход лог.единицы, на выходе – Q будет лог. ноль при касании датчика. Если нет касания, то на выходе – Q будет “1”.
5 VDD Power “+”  источ. пит.
6 TOG CMOS input and pull-low resister При подаче на этот вход лог.единицы выход – Q работает в режиме переключателя (switch).

При подаче “0” (по умолчанию) работает в режиме “касание – вкл.” – “нет касания – выкл.”

Настройка выхода модуля:

подача на вход “TOG” 0 или 1 подача на вход “AHLB” 0 или 1 Режимы выхода “Q”
0 0 прямой режим,
при касании на выходе “1”
0 1 прямой режим,
при касании на выходе “0”
1 0 режим триггера,
состояние выхода после включения питания – “0”
1 1 режим триггера,
состояние выхода после включения питания – “1”

Регулировка чувствительности емкостного датчика:

Чувствительность модуля “TTP223” зависит от размера сенсора и конденсатора – C3 (на плате не припаян), место под который расположено на плате между выводом 3 микросхемы и общим проводом (GND).

Для настройки чувствительности “TTP223” можно использовать несколько методов:

  1. для ее увеличения надо увеличить размер контактной площадки сенсора, для этого с помощью отверстия на площадке, к ней припаивается короткий провод, который соединяется с новой увеличенной контактной площадкой.
  2. также для увеличения чувствительности можно уменьшить толщину  стенки корпуса, за которой будет находиться датчик
  3. еще один способ увеличения чувствительности – не использовать конденсатор C3 (когда его нет чувствительность максимальная, когда установлен C3 = 50 пикофарад – минимальная). С3 можно использовать в диапазоне от 0 до 50 пФ.

Применение сенсорного датчика “TTP223”:

замена обычных кнопок и выключателей
сенсорный выключатель (touch switch)
выключатель для водонепроницаемых приборов
датчик касания

Полезные ссылки:

datasheet на модуль “TTP223”

Датчики — Сенсорные датчики | элемент14

AT42QT1011-ТШР

1841594

Емкостный сенсорный датчик, 1 провод, 1,8 В, 5,5 В, SOT-23, 6 контактов, -40 °C

МИКРОЧИП

ДАТЧИК СЕНСОРНЫЙ, КОЛПАЧОК, 1-КАНАЛЬНЫЙ, 6SOT-23; Тип интерфейса IC: 1 провод; Минимальное напряжение питания: 1,8 В; Максимальное напряжение питания: 5.5В; Стиль корпуса датчика: SOT-23; Количество контактов: 6 контактов; Минимальная рабочая температура: -40°C; Максимальная рабочая температура: 85°C; Ассортимент продукции:QTouch; RoHS Фтала

Доступно для заказа

+ Проверьте запасы и сроки выполнения заказов

Каждый (поставляется на отрезной ленте)

Варианты упаковки
Запрещенный предмет

Минимальный заказ 1 шт. Только кратные 1 Пожалуйста, введите действительное количество

Добавлять

Мин: 1 Мульт: 1

AT42QT1010-ТШР

1841593

Емкостный сенсорный датчик, 1 провод, 1.8 В, 5,5 В, SOT-23, 6 контактов, -40 °C

МИКРОЧИП

ДАТЧИК СЕНСОРНЫЙ, КОЛПАЧОК, 1-КАНАЛЬНЫЙ, 6SOT-23; Тип интерфейса IC: 1 провод; Минимальное напряжение питания: 1,8 В; Максимальное напряжение питания: 5,5 В; Стиль корпуса датчика: SOT-23; Количество контактов: 6 контактов; Минимальная рабочая температура: -40°C; Максимальная рабочая температура: 85°C;

Доступно для заказа

+ Проверьте запасы и сроки выполнения заказов

Каждый (поставляется на отрезной ленте)

Варианты упаковки
Запрещенный предмет

Минимальный заказ 1 шт. Только кратные 1 Пожалуйста, введите действительное количество

Добавлять

Мин: 1 Мульт: 1

410-221

22

Оценочная плата, PmodTMP2, ADT7420 16-битный цифровой датчик температуры I2C, Pmod I/O

ДИГИЛЕНТ

ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ, 16 БИТ, PMOD; Тип применения комплекта: Датчик; Кремний Производитель: Analog Devices; Номер кремниевого сердечника: ADT7420; Подтип приложения: датчик температуры; Комплектация: модуль датчика температуры PmodTMP2, кабель MTE; Ассортимент продукции:-; SVHC: Нет SVHC (1

Доступно для заказа

+ Проверьте запасы и сроки выполнения заказов

Каждый

Запрещенный предмет

Минимальный заказ 1 шт. Только кратные 1 Пожалуйста, введите действительное количество

Добавлять

Мин: 1 Мульт: 1

БРКТ-STBC-AGM01

2473788

Платформа разработки

, 9-осевое решение FXAS21002C и FXOS8700C, экран датчика и коммутационная плата

НСП

РАЗЪЕМНАЯ ПЛАТА, ИНЕРЦИАЛЬНЫЙ ДАТЧИК СВОБОДЫ; Производитель кремния: NXP; Основная архитектура: ARM; Основная подархитектура: Cortex-M4; Номер кремниевого сердечника: FXAS21002C, FXOS8700CQ; Фамилия кремния:-; Для использования с демонстрационным комплектом NXP FRDM-K64F-AGM01; Комплектация

  • 5 доставка в течение 5-8 рабочих дней
+ Проверьте запасы и сроки выполнения заказов

Каждый

Запрещенный предмет

Минимальный заказ 1 шт. Только кратные 1 Пожалуйста, введите действительное количество

Добавлять

Мин: 1 Мульт: 1

ДАТЧИК-ШАЙБА

2473524

Оценочный модуль, оптический датчик Si1147-M01, микроконтроллер EFM32G210, датчик температуры Si7021

СИЛИКОН ЛАБС

DEMO BRD, ДАТЧИК ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ/БИОМЕТРИЧЕСКИЙ; Тип применения комплекта: Датчик; Производитель кремния: Silicon Laboratories; Номер кремниевого сердечника: EFM32G210F128, Si7021, Si1147-M01; Подтип приложения: оптический датчик; Комплектация: демонстрационная плата EFM32G210F128, CR2032 B

Больше не производится

Каждый

CY3280-MBR3

2422247

Оценочный комплект, CY8CMBR3116 Конфигурируемый регистр CapSense®, Arduino-совместимый экран

КИПАРИС — INFINEON TECHNOLOGIES

ОЦЕНОЧНАЯ ПЛАТА, MBR3 CAPSENSE; Тип применения комплекта: Сенсорный — Touch, Proximity; Кремний Производитель:Cypress; Номер кремниевого сердечника: CY8CMBR3116; Подтип приложения: емкостный сенсорный; Содержимое набора: Eval Board CY8CMBR3116, USB-кабель от A до Mini-B, капля воды

  • 6 доставка в течение 5-8 рабочих дней
+ Проверьте запасы и сроки выполнения заказов

Каждый

Запрещенный предмет

Минимальный заказ 1 шт. Только кратные 1 Пожалуйста, введите действительное количество

Добавлять

Мин: 1 Мульт: 1

СТЭВАЛЬ-STLKT01V1

2664520

Комплект разработчика

, модуль SensorTile IoT, микроконтроллер STM32L476JGY, миниатюрный квадратный

СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

РАЗРАБОТОЧНАЯ ПЛАТА, ВСТРОЕННЫЙ ДАТЧИК; Тип применения комплекта: Датчик; Кремний Производитель: STMicroelectronics; Номер кремниевого сердечника: STLCS01V1, STLCX01V1, STLCR01V1; Подтип приложения: встроенный; Содержимое комплекта: плата разработки STLCS01V1, узел датчика STLCX01V1 и ST

  • 141 доставка в течение 5-8 рабочих дней
+ Проверьте запасы и сроки выполнения заказов

Каждый

Запрещенный предмет

Минимальный заказ 1 шт. Только кратные 1 Пожалуйста, введите действительное количество

Добавлять

Мин: 1 Мульт: 1

Полное руководство по сенсорным датчикам

Спрос на интеллектуальные приложения IoT растет, и датчики являются неотъемлемой частью процесса.Многие приложения в современном мире IoT учитывают несколько типов сенсорных датчиков, которые можно найти в дисплеях и панелях управления. Поскольку мы видим, что на рынке появилось много мощного оборудования, сочетание этих сенсорных датчиков с высокопроизводительным процессором экспоненциально повышает эффективность конечного продукта.

Сенсорные датчики

обычно используются в робототехнических приложениях, где емкостное или резистивное прикосновение обеспечивает несколько функций для движения робота.Интеграция этих датчиков была замечена в нескольких приложениях от смартфонов, автомобилей и промышленных устройств до игровых консолей и музыкальных инструментов. Перед покупкой сенсорных датчиков важно проверить совместимость датчика с аппаратной платой. Иногда производитель имеет хорошо зарекомендовавшую себя экосистему для дополнительных датчиков, которую можно легко интегрировать и с которой можно поэкспериментировать.

За последние несколько лет стало ясно, что пользовательский интерфейс для любого конечного продукта является наиболее важной частью процесса разработки.Умные лампы и роботы с сенсорным вводом предлагают множество возможностей для новых методов взаимодействия, заменяющих традиционные кнопки и переключатели. В этой статье мы поймем необходимость сенсорных датчиков в вашем приложении и продемонстрируем наши 5 лучших датчиков, которые должны быть на вашем радаре для вашего следующего проекта.

Что такое сенсорные датчики?

Датчик касания — это электронное устройство, используемое для захвата и обнаружения физического прикосновения пользователя. Это недорогие датчики с улучшенным пользовательским интерфейсом, заменяющие механические переключатели.Некоторые датчики также способны обнаруживать приближение без прямого контакта оператора с датчиком. Проще говоря, прикосновение замыкает цепь, обеспечивающую движение электрона. Разомкнутая цепь замыкается, когда пользователь прикасается к датчику, позволяя течь току. Эти типы датчиков также называются активными датчиками .

Существует две основные категории сенсорных датчиков:

1. Емкостный сенсорный датчик:

Как следует из названия, емкостные датчики прикосновения основаны на емкостной связи, которая обнаруживает все, что проводит электричество или имеет диэлектрик, отличный от воздуха.В нашем случае человеческое тело выступает проводником тока. Эта технология используется в сенсорных дисплеях, используемых в смартфонах или носимых устройствах, где человеческое прикосновение дополняет схему, предлагая определенную функцию.

Купить сейчас

2. Резистивный датчик касания:

В случае с резистивными сенсорными датчиками аппаратное обеспечение состоит из нескольких слоев, в отличие от емкостных сенсорных сенсоров, которые имеют только стеклянный слой. Для резистивных сенсорных датчиков есть два проводящих слоя и непроводящий разделитель, который работает от давления, прилагаемого оператором.При приложении давления внешний слой давит на внутренний слой, что приводит к изменению напряжения. Этот тип сенсора не поддерживает мультисенсорную совместимость и может работать даже в перчатках или стилусом.

Купить сейчас

5 лучших сенсорных датчиков для проектов IoT

1. Датчик касания Grove:

 

Если вы планируете использовать что-то из хорошо управляемой экосистемы наборов для разработки Seeed Studio, то этот сенсорный датчик Grove — лучший выбор.Как следует из названия, датчик Touch Sensor совместим с Grove для всех продуктов Seeed Studio, но также может использоваться с одноплатными компьютерами Arduino и Raspberry Pi. Датчик касания Grove основан на интегральной схеме датчика касания TTP223-B.

Характеристики:

  • Интерфейс, совместимый с Grove 
  • Входное напряжение: 2,0–5,5 В пост. тока
  • Максимальное время отклика = 60 мс в быстром режиме, 220 мс в режиме низкого энергопотребления, когда VDD = 3 В
  • Низкое энергопотребление
  • 2.Модуль из веток 0 см x 2,0 см 
  • Светодиодный индикатор питания

2. Емкостной сенсорный датчик CAP1188:

 

Как вы можете видеть на изображении выше, эта коммутационная плата емкостного сенсорного датчика CAP1188 от Adafruit может работать с 8 отдельными сенсорными панелями. Аппаратное обеспечение основано на интегральной схеме Microchip CAP1188, которая представляет собой емкостной сенсорный контроллер, обеспечивающий широкий спектр функций кнопок и приближения. Разделительная плата поддерживает как I2C, так и SPI, что упрощает ее использование с любым микроконтроллером на рынке.Ниже приведены характеристики этого сенсорного сенсора B/O за 7,95 долларов.

Особенности: 

  • Тип интерфейса: SPI, I2C
  • Рабочее напряжение питания: 3,3 В
  • Размер: 42 мм x 18 мм
  • Вес: 2,5 г
  • Поставляется с стержнем 0,1-дюймовой жатки
  • Доступны библиотека и учебник для Arduino

3. Датчик жестов и касаний:


Наряду с сенсорным датчиком это оборудование также поддерживает распознавание жестов.В обоих случаях функции в одной аппаратной конструкции обеспечивают экономичность и эффективность использования пространства всего за 9,90 долл. США. При подключении к вашему микроконтроллеру он может обнаруживать 5-сторонний сенсорный сигнал и 7 видов жестов: движение влево, движение вправо, движение вперед, движение назад, потяните вверх, потяните вниз, потяните и удалите. Датчики такого типа можно использовать в умных лампах и интерактивных проектах, связанных с распознаванием жестов.

Характеристики:

  • Интеграция с Arduino и Raspberry Pis.
  • Рабочее напряжение: 3,3–5 В
  • Рабочий ток: 56,3 мА
  • Ток в спящем режиме: 40 мкА
  • Связь: UART
  • Размеры: 36×32 мм/1,42*1,26 дюйма

4. Датчик касания с цифровым колпачком Gravity:


Цифровой датчик касания крышки гравитации DFRobot — это дополнительный модуль с цифровым интерфейсом для плат Arduino. Это обеспечивает переключатель в одно касание для ваших проектов на основе Arduino.Поскольку это один из лучших сенсорных датчиков для Arduino, производитель также предложил набор из 27 датчиков для Arduino по цене 79,90 долларов США.

Характеристики:

  • Входное напряжение от 3,3 В до 5 В
  • Стандартная сборочная конструкция (два отверстия диаметром 3 мм с интервалом, кратным 5 см)
  • Легко распознавать интерфейсы датчиков («A» для аналоговых и «D» для цифровых)
  • Значки, просто иллюстрирующие работу датчика 
  • Высококачественный разъем
  • Иммерсионная золотая поверхность

5.5-дюймовый емкостный сенсорный дисплей с разрешением 800×480:

Это оборудование представляет собой емкостный сенсорный USB-дисплей с портом HDMI, успешно протестированный на Raspberry Pi, BeagleBone и даже на Windows 10 и MacBook Pro. Простой в использовании модуль plug-n-play поставляется с разрешением 800×480 и 5-дюймовым дисплеем для различных интеллектуальных приложений IoT. Для отображения прогноза погоды или портативной игровой консоли можно использовать этот высококачественный сенсорный дисплей.

Характеристики:

  • Разрешение до 800 x 480
  • Емкостное сенсорное управление USB
  • Бесплатный драйвер, Plug and Play
  • Поддерживает Raspbian, Ubuntu Mate, NOOBS с Raspberry Pi
  • Поддерживает Debian, Angstrom с Beagle Bone
  • Поддерживает Windows/Ubuntu/Mac с ПК
  • Поддерживает базовый процессор Intel MiniPC
  • Подсветка потребления ULP (Ultra Low Power)

 

Заключительные мысли об интеграции сенсорных датчиков

Интеграция сенсорных датчиков теперь проще, чем когда-либо прежде.С широким распространением интеллектуальных продуктов приоритет отдается пользовательскому опыту; а с недорогими сенсорными датчиками предполагаемое приложение со временем развивается. От промышленной автоматизации до умных городов и даже автомобильных приложений сенсорные датчики были неотъемлемой частью экосистемы.

Теперь ваша очередь включить эти новые аппаратные датчики в свои проекты и сделать их максимально удобными для пользователей. Мы рады видеть некоторые интересные проекты и обновления от сообщества производителей, чтобы ускорить эру вычислений с открытым исходным кодом.


Ваша очередь: Знакомы ли вы с каким-либо из датчиков, упомянутых выше? Дайте нам знать о своем опыте в разделе комментариев ниже!

Абхишек Джадхав — студент инженерного факультета, внештатный технический писатель, представитель RISC-V и лидер сообщества разработчиков открытого оборудования.

Следовать

Емкостные сенсорные датчики Мисти | Мисти Роботикс

Misty имеет более 25 датчиков, шесть из которых являются емкостными сенсорными датчиками.Адам Читарелла, старший инженер-программист Misty Robotics, описывает их как датчики «наименее специфического предполагаемого использования», но это не значит, что они не важны. Мы поговорили с Адамом о том, что такое емкостные сенсорные датчики, почему они есть у Мисти, как их можно использовать в навыках Мисти и как включить их в свой код.

Что такое емкостные датчики и как работают Мисти?

Емкостный датчик — это датчик приближения, который обнаруживает близлежащие объекты по их влиянию на электрическое поле, создаваемое датчиком.Емкостные сенсорные датчики Misty используют шесть кусочков тонкой фольги под пластиковой оболочкой, соединенной с сенсорным контроллером. Когда проводящий объект (например, палец) приближается к фольге, между фольгой и объектом возникает емкостная связь, которая обнаруживается контроллером датчика.

Зачем они Мисти?

На мой взгляд, емкостные датчики — это датчики Мисти с наименее конкретным назначением. Датчик SLAM создает карты и треки. Датчики времени полета сообщают Мисти, что она вот-вот упадет, когда она приближается к краю.Емкостные сенсорные датчики Мисти — это простой способ позволить людям делать милые, умные и более интимные вещи. Они маломощны, но предоставляют ей полезный механизм, чтобы реагировать на человеческий контакт забавно, по-человечески или по-звериному.

Где находятся емкостные датчики Мисти и почему они там расположены?

Мисти имеет в общей сложности шесть емкостных датчиков. Их четыре на голове, один под подбородком и один в ручке для переноски на затылке. Наличие четырех емкостных датчиков на ее голове дает ей больше возможностей по-разному реагировать в зависимости от того, где к ней прикоснулись.

Хотя точное расположение емкостных сенсорных датчиков довольно произвольно, макушка ее головы или под ее подбородком являются удобными местами для прикосновения при взаимодействии с ней лицом к лицу. Например, это видео, которым недавно поделился библиотекарь библиотеки города Пало-Альто Дэн Лу на конференции интернет-библиотекарей, показывает, как Мисти была запрограммирована так, чтобы она слушала запрос, извлекала информацию и отвечала, когда емкостный сенсорный датчик под ее подбородком активирован.

Нужно ли запрограммировать их, чтобы они реагировали на прикосновения, или каждый из них будет автоматически выполнять определенные действия?

Как правило, емкостные датчики касания не делают ничего, кроме генерации события. То есть они генерируют одно событие при контакте и другое событие при завершении контакта. Навыки могут подписаться на это контактное событие и активировать определенный тип ответа.

В настоящее время нет поведения по умолчанию, основанного на пяти из шести емкостных сенсорных датчиков.Исключением является датчик «загривок» (т.е. ручка на затылке). Предстоящий выпуск программного обеспечения будет включать поведение по умолчанию для датчика загривка, с которым связываются, останавливая все движения и навыки Мисти. Идея состоит в том, что когда пользователь возьмет Мисти за шкирку, она обмякнет, как кошка. Пользователи смогут отключить это поведение, если захотят.

Как пользователи Мисти могут использовать ее емкостные сенсорные датчики в навыках, которые они развивают?

Пользователи могут зарегистрироваться для получения событий емкостного датчика касания, которые будут происходить всякий раз, когда датчик переключается между состоянием контакта и отсутствием контакта. Наш инженер-прототип CP собрал несколько шаблонных навыков Misty на Github, и этот находится здесь, в папке «Навыки для начинающих».


Спасибо Адаму за то, что поделился своими знаниями со всеми нами!

Независимо от того, используете ли вы емкостные сенсорные датчики Мисти в качестве основного механизма взаимодействия с Мисти или в качестве дополнительного преимущества к ее основному заданию, нет сомнений, что эти сенсоры улучшат ваше взаимодействие с Мисти. Как бы вы использовали емкостные сенсорные датчики Мисти? Поделитесь с нами своими идеями на форуме сообщества или сообщите нам об этом в Твиттере @MistyRobotics!

Гибкие носимые датчики – обновление с точки зрения сенсорного восприятия

Sci Technol Adv Mater.2021; 22(1): 26–36.

Chi Cuong Vu

Кафедра разработки органических материалов и волокон, Университет Сунгсил, Сеул, Республика Корея

Санг Джин Ким

Кафедра разработки органических материалов и волокон, Университет Сунсил, Сеул, Республика Корея

Джуён Ким

Кафедра инженерии органических материалов и волокон, Университет Сунсил, Сеул, Республика Корея

Кафедра инженерии органических материалов и волокон, Университет Сунсил, Сеул, Республика Корея

КОНТАКТЫ Jooyong Kim [email protected] Факультет органических материалов и волокон, Университет Сунсил, Сеул, Тонджак-гу, 06978, Корея (Республика)Авторское право © 2021 Автор(ы). Опубликовано Национальным институтом материаловедения в партнерстве с Taylor & Francis Group. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

РЕФЕРАТ

В настоящее время большая часть пользовательского интерфейса основана на сенсорном управлении, а сенсорные датчики широко используются в дисплеях, проектах Интернета вещей (IoT) или робототехнике. Их можно найти в лампах, сенсорных экранах смартфонов или других разнообразных приложениях. Однако обычные сенсорные датчики, изготовленные из жестких материалов, являются громоздкими, негибкими, твердыми и износостойкими устройствами. Текущая тенденция IoT сделала эти сенсорные датчики все более важными, когда они добавляются к коже или одежде, чтобы гибко и комфортно влиять на различные аспекты человеческой жизни.В статье представлен обзор последних достижений в этой области. Мы обсуждаем захватывающие достижения в области материалов, изготовления, усовершенствований и приложений гибких носимых датчиков с точки зрения сенсорного восприятия. В нем в обзоре описаны теоретические принципы сенсорных датчиков, в том числе резистивного, емкостного и пьезоэлектрического типов. Далее рассматриваются традиционные и новые материалы, а также технологии изготовления гибких датчиков. В частности, в этом обзоре освещаются междисциплинарные подходы, такие как e — кожа, e — текстиль, e — здравоохранение и e — управление гибкими сенсорными датчиками.Наконец, мы суммируем проблемы и возможности, использование которых является ключом к широкому развитию и принятию для будущих исследований.

ключевые слова: Гибкие носимые датчики, сенсорные чувства, наноматериалы, E -Skins, E -Textiles, E -Healthcare, E -kealthcare, E -Control

Классификация: 10 Инженерные и структурные материалы , 208 Датчики и приводы, 212 Поверхность и интерфейсы

Графический реферат

1.Введение

Четвертая промышленная революция приносит новые этапы развития с множеством возможностей и проблем, когда будет собираться и анализироваться множество данных для создания новых ценностей из аспектов жизни. Следуя этой тенденции, носимые датчики также становятся популярными. Среди них есть устройства, способные отслеживать движения человека, проектировать человеко-машинные интерфейсы, обнаруживать токсичные вещества в окружающей среде или применяться в здравоохранении/терапии [1–3].

Обычно изготавливаемые из жестких материалов (металлов или полупроводников), традиционные датчики представляют собой твердые, негибкие и износостойкие устройства.Между тем, гибкие датчики демонстрируют преимущества, которые превосходят традиционные жесткие устройства. Эти датчики легкие, гипоаллергенные и удобные для тела [4–6].

Гибкие сенсорные датчики, как один из аспектов гибких носимых датчиков, недавно привлекли внимание исследователей всего мира. Существует множество исследований о гибких датчиках в распознавании движений человека [7,8], мониторинге здоровья пациента [9,10] или электронных кожных покровах [11,12].

В этом кратком обзоре мы сосредоточимся только на гибких датчиках с точки зрения восприятия прикосновения, уделяя особое внимание датчикам, встроенным в одежду, или непосредственно на коже для междисциплинарных приложений с последними достижениями последних лет, как описано в .Некоторые основные принципы сенсорных датчиков представлены в разделах 1–2, включая емкостное прикосновение, резистивное прикосновение, пьезоэлектрическое прикосновение и трибоэлектрическое прикосновение. В разделе 3 рассматриваются сенсорные материалы, при этом особое внимание уделяется некоторым типам наноматериалов, обладающих многими выдающимися преимуществами. Технологии производства рассмотрены в разделе 4 с ключевыми методами текущих исследований. Важные подходы показаны в разделе 5. Это также самая важная часть, которая обновляет области исследований и применения гибких сенсорных датчиков в аспектах жизни.На основе этих достижений мы представим обсуждение следующих шагов, чтобы вывести датчики из лаборатории в промышленное производство (раздел 6).

Гибкие сенсорные датчики, состоящие из принципов, материалов, технологий и приложений в и -оболочках. Воспроизведено с разрешения из ссылки [6]. Copyright 2019 Elsevier B.V., e -текстиль. Адаптировано с разрешения ссылки [11]. Copyright 2018 Springer Nature, e – здравоохранение. Адаптировано с разрешения ссылки [7].авторское право Американского химического общества, 2017 г., e -control. Адаптировано с разрешения ссылки [5]. Copyright 2020 IEEE

2. Принципы работы сенсорных датчиков

Сенсорное распознавание, распознавание движения и распознавание давления — это три различных типа сенсорных действий. Их можно отличить по расстоянию между пальцем и датчиками, а также по уровню давления. Для обычного прикосновения это расстояние равно 0, и к датчикам не применяется сила. Уровень силы будет увеличиваться с давлением (измерение давления).Датчики движения могут работать с комбинацией множества точек обнаружения или датчиков приближения (текущее расстояние будет больше 0). Здесь мы сосредоточимся на касательных движениях, где расстояние равно нулю, а давление относительно невелико (< 10 кПа). Мы суммируем некоторые различные сенсорные датчики в зависимости от материалов, принципов работы, электрических/механических характеристик и толщины ().

Таблица 1.

Краткая информация об электрических и механических характеристиках различных датчиков и сенсорных технологий, где ПДМС представляет собой полидиметилсилоксан, УНТ представляют собой углеродные нанотрубки, ОУНТ представляют собой одностенные углеродные нанотрубки, ITO представляют собой оксид индия и олова, УНВ представляют собой углеродные нановолокна, PPy — полипиррол, BCZT — (Ba 0.85 Ca 0,15 )(Ti 0,90 Zr 0,10 )O 3 , AgNW – серебряные нанопроволоки

[7] 6 100 мкм 6> 1,5 мм

6

66 100 мВ, 23,54- 94.18 KPA 6 —
Ref. Материал Принцип Принцип Чувствительность Время отклика Рабочий диапазон Толщина
PDMS, SWNTS, SI, PET резистивные 1 KPA -1 20 мс 0,1–100 кПа ~ 900 мкм
[13] Однослойный ионный гель, медные электроды Емкостный 5 9.266 KPA -1 <1S 1-25 KPA > 200 мкМ
[14] AU / PET, PDMS емкостный 0,42 кПа -1 70 мс 1-9 KPA 100 мкм
[18] [18] бумага, серебряная паста, CNT резистивный 2.56-5.67 KPA -1 30 мс 0-20 кПа > 1 мм
[20] [20] Полусферические микроструктуры, PDMS, AU, AG PAPE Rizeive 196 KPA -1 26 мс 0-100 KPA
21] Микроструктуры, PDMS, ITO-PET, CNF Резистивные 3.6 KPA -1 20-50 мс 0-2 KPA > 1,5 мм
[22] микроструктуры пирамиды, PDMS, PPY / PDMS, AU / CR резистивные > 200 кПа -1 50 US 0,1-1000 PA
[23] PDMS, частицы BCZT пьезоэлектрические 0,55 кПа -1 28,8 В мощность, 50–1000 кПа 0.5 мм
[24] [24] Графеновый экзэтерийный транзистор (GFET), металл-изолятор-металл (MIM) пьезоэлектрический 0.00455 KPA -1
[25] Silk Fibroin, AGNWS, PDMS TriboElectric 7 MS ~ 90 V, 8-22 KPA 0,12 мм
27] PDMS, бумага, графит (карандаш) Multi-Touch/емкостный 0.62 кПа -1 > 200 мс 0.5-10 кПа > 250 мкм
[28] NI-покрытый текстиль, CNT, акрилатные полимеры Multi-touch / резистивный 14.4 кПа −1 24 мс 0–15 кПа

2.1. Емкостные сенсорные датчики

Существует два основных типа технологии емкостных датчиков [13,14], состоящих из самоемкостных и взаимно-емкостных датчиков.Самоемкостная система измеряет изменения емкости (относительно заземления). В модели с параллельными слоями электрод образует один слой конденсатора, а другой слой представляет собой либо землю, либо палец пользователя. Прикосновение вызывает увеличение емкости электрода, поскольку человеческое тело «добавляет» емкость к емкости системы [15]. Взаимная емкость — это преднамеренная или непреднамеренная емкость между двумя «объектами, удерживающими заряд» [16]. Датчики касания с проекционной емкостью намеренно создают взаимную емкость между элементами столбцов и строк в непосредственной близости от места пересечения одного с другим.Такая структура позволяет электронике системы измерять каждый узел (пересечение) по отдельности, чтобы обнаруживать множественные касания во время одного сканирования. Некоторые сенсорные устройства используют измерение поверхностной емкости для определения человеческого тела (пальца). На датчик подается небольшое напряжение. Когда палец соприкасается с датчиком, динамически образуется конденсатор [2].

Емкостный элемент механически прост и надежен. Таким образом, емкостные сенсорные датчики могут работать в широком диапазоне температуры/давления.Поскольку через конденсатор не протекает постоянный ток, они по своей природе имеют малое энергопотребление, малый гистерезис и подходят для беспроводных приложений. Однако недостатком этого типа датчика является нелинейность и паразитная емкость при наличии электронных устройств рядом с датчиком [17].

2.2. Резистивные сенсоры

Резистивные сенсоры работают как сенсоры, чувствительные к давлению [18]. Он состоит из нескольких слоев, наиболее важными из которых являются два электродных слоя, разделенных тонким слоем с низкой проводимостью.При этом сопротивление изменяется преимущественно за счет изменения контактного сопротивления при легком нажатии. Резистивный сенсорный датчик также может обнаруживать прикосновение к объектам, отличным от пальца, например к стилусу. Это самый ранний используемый тип с линейным выходом, быстрым временем отклика, низкой стоимостью и высокой надежностью. Однако для резистивного датчика требуется питание; тем самым он непригоден для маломощных систем (носимых систем) [7].

Один тип этих датчиков основан на пьезорезистивных материалах, таких как металлы или полупроводники.Эти материалы демонстрируют изменение электрического сопротивления (расстояния между заряженными частицами) при приложении механического напряжения [19]. Конструкции геометрической микроструктуры могут значительно повысить производительность датчиков, таких как столбы, полусферы и пирамиды [14,20–22]. Пирамидальная микроструктура широко используется из-за неравномерного распределения напряжений. При заданном приложенном давлении вершины пирамидальных форм будут сжиматься больше, чем другие структуры, что приводит к более высоким механическим деформациям и чувствительности.

2.3. Пьезоэлектрические и трибоэлектрические датчики прикосновения

Пьезоэлектрический датчик изготовлен из пьезоэлектрических материалов, преобразующих деформацию в электрическую энергию [23,24]. Когда небольшое механическое давление (легкое прикосновение) применяется к некоторым так называемым пьезоэлектрическим материалам, электрические заряды могут быть разделены из-за электрических дипольных моментов, и тогда генерируется электрическое напряжение. Трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ) использует трибоэлектрификацию (или контактную электрификацию) [25] для генерации сигнала электрического потенциала в ответ на физический контакт (прикосновение) без зависимости от внешнего источника питания.Пьезоэлектрические и трибоэлектрические эффекты часто используются в -кожных или -текстильных датчиках. На сегодняшний день проведено множество исследований схемотехники и материалов для увеличения выходной электрической мощности, минимизации потерь мощности, вызванных неравномерностью сигнала, или оптимизации контактных поверхностей. Однако практическое применение ограничено из-за низкой гибкости, растяжимости и плохих динамических характеристик. В этих типах сенсорные элементы имеют автономный источник питания. Итак, основными преимуществами пьезоэлектрических датчиков прикосновения являются надежность и малое энергопотребление.Между тем, недостатки сложны и трудно интегрируются в систему.

Multi-touch — это технология, позволяющая поверхности одновременно распознавать наличие более чем одной точки касания. Функциональность мультитач, в основном основанная на массивах датчиков, позволяет выполнять несколько жестов пальцами, таких как смахивание, прокрутка, выбор, увеличение и уменьшение масштаба. Эти массивы датчиков могут быть изготовлены по емкостным, резистивным, трибоэлектрическим или оптическим принципам. Однако многие исследования показали, что емкостные или резистивные сенсорные матрицы лучше всего подходят для мультитач-поверхностей [26–28].

3. Нанокомпозитные материалы

Материалы гибких датчиков должны быть легкими, удобными, биосовместимыми, не вызывать раздражения. Нанокомпозитные материалы чаще всего состоят из тонких металлических пленок [29–31], металлических нанопроволок (ННК) [32,33], углеродных нанотрубок (УНТ) [34–36], проводящих полимеров [37–39] и металлических наночастиц. (НП) [40–42]. В последнее время предпочтение отдается ННК, УНТ и проводящим полимерам из-за их способности иметь большую активную площадь, высокую электропроводность и хорошую электрохимическую активность.Среди них композиты NW/CNT могут непосредственно покрывать или печатать на слоях подложки [40,43] для создания высокочувствительных, растягиваемых и долговечных датчиков. Кроме того, проводящие полимеры могут быть синтезированы химическим или электрохимическим осаждением. Поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) и особенно его комплекс с поли(стиролсульфонатом) (PEDOT:PSS) [39] проявляют высокую электропроводность, в значительной степени пропускают свет, перерабатываются в воде и обладают высокой гибкостью.

Почти все детали датчика могут быть изготовлены методом печати.Таким образом, пригодные для печати проводящие материалы особенно выгодны для массового производства. Среди исследованных исследований металлические проводящие чернила демонстрируют многообещающую перспективу, поскольку они могут диспергироваться в растворителях для совместимости с различными технологиями печати. Чернила на основе наночастиц и нанопроволок Ag наиболее подробно изучаются в качестве эластичных электродов/проводников для полиэтилена (ПЭ) [44,45]. Чернила на основе наночастиц Cu, которые дешевы и обладают высокой проводимостью, также привлекли большое внимание [46,47].Кроме того, чернила на основе углеродных наноматериалов (УНТ, графен) пригодны для печати и растягивания для гибких сенсоров [48–51].

Некоторые сенсорные дисплеи и фотоэлектрические приложения требуют использования высокопрозрачных растягиваемых электродов, которые могут быть созданы путем интеграции оксида индия-олова (ITO) [52], AgNW [53,54], CNTs [55,56], графена [57 ] и PDMS [55], PEDOT:PSS [58]. Основной проблемой изготовления прозрачных электродов/проводников является компромисс между проводимостью или гибкостью и прозрачностью, который зависит от концентрации проводящего наполнителя [59].Особенно это касается сенсорных датчиков, таких как датчики отпечатков пальцев, сенсорные экраны.

Материалы с внутренней гибкостью включают ионные материалы и жидкие металлы. Благодаря электрохимическим технологиям ионные добавки могут улучшить растяжимость и проводимость PEDOT:PSS (до 4100 См·см −1 при 100% деформации) [37], обнаруживать как положительное, так и отрицательное давление от −60 до 20 кПа мягких датчиков. [60]. Жидкие металлы, особенно эвтектические сплавы галлия и индия (EGaln), обладают собственной растяжимостью, высокой проводимостью и очень малым пьезосопротивлением.Таким образом, их можно использовать для изготовления гибких схем путем интеграции жидких металлов комнатной температуры (RTLM) и водорастворимого поливинилового спирта (ПВС) [61], асимметричных датчиков силы с помощью гидрофильных полимерных сетей [62], мягкие датчики с помощью напечатанного на 3D-принтере жесткого микроудара [63]. Присутствие жидких компонентов создаст проблемы с надежностью в динамических приложениях. Хорошим решением будет заливка жидких металлов в эластомеры (ПВА, гидрофильный полимер).

4. Технологии производства

Электромеханические свойства и гибкость сенсорных датчиков будут различаться в зависимости от материалов и производственных процессов.При этом нанесение покрытия [64,65], печать [66,67], прядение [68,69] и перенос [70,71] являются ключевыми методами текущих исследований.

Токопроводящие покрытия наносят на пряжу или поверхности. Например, благодаря покрытию углеродными нановолокнами/графеновыми нанопластинками (CnFs/GnPs) с обеих сторон резиновой детали растягиваемые емкостные датчики прикосновения демонстрируют низкое значение поверхностного сопротивления (≈ 10 Ом кв. −1 ) и тонкий слой нитрилового каучука. (60 мкм) [72]. Кроме того, Чен и соавт. [4] создали гибкие сенсорные датчики с помощью индуцированных электронами перпендикулярных листов графена (20 x 20 мм 2 ), встроенных в пористую углеродную пленку ().Эти датчики имеют быстрое время отклика (66 мс), высокую чувствительность (0,13 кПа -1 ниже 0,1 кПа и 4,41 МПа -1 выше 10 кПа). Кремниевая подложка найдена до 0,5 мм.

Схематические иллюстрации: (a) Гибкий электрод с использованием спинового покрытия с электронно-индуцированным перпендикулярным графеном (EIPG), анодным оксидом алюминия (AAO) и полидиметилсилоксаном (PDMS). Воспроизведено с разрешения из ссылки [4]. авторское право 2020 Springer Nature. (b) Контролируемый процесс струйной печати для самосборки конвективных частиц за счет испарения на линии контакта.Адаптировано с разрешения ссылки [73]. авторское право 2020 Wiley-VCH. ( c ) Процессы электропрядения и электрораспыления гибридного электрода AgNF-AgNW. Адаптировано с разрешения ссылки [53]. Copyright 2018 Springer Nature

Кондуктивная печать (CP) относится к типу гибких сенсорных датчиков, которые изготавливаются с помощью технологий печати. Как показано в , метод струйной печати, создающий сверхтонкие полидофаминовые (PDA) линейные массивы наночастиц (NPLA) с контролируемым расстоянием между строками (размером шага), предлагается для прозрачных емкостных сенсорных датчиков [73].Зона восприятия составляет 10 × 10 мм 2 при толщине 380 мкм (подложка из ПЭТФ). Между тем, интересное применение сенсорного датчика с автономным питанием способно зажечь некоторые диоды, подавать питание на электронные устройства или заряжать конденсаторы. Этот сборщик энергии на бумажной основе (толщиной ~ 120 мкм) напечатан методом трафаретной печати с использованием сетки (углерод/серебро) [74]. В частности, технология 3D-печати привлекает большое внимание в недавних исследованиях благодаря высокой способности коммерциализации, а также крупномасштабности и относительной простоте интеграции.Инь и др. [75] предложили высокочувствительные носимые датчики на основе 3D-печати ионных проводников. Материалы представляют собой полиакриламид/гидратируемые соли и полиэтиленгликоль (PEGDA). Эти датчики обладают высокой чувствительностью (0,84 кПа -1 ) при давлении от 0,5 до 3 кПа. Структурированные пленки имеют общую толщину 400 мкм.

Электропрядение — это метод производства ультратонких волокон, в котором используются электрические поля, особенно подходящий для изготовления мягких прозрачных металлических электродов.Например, прозрачная и гибкая матрица датчиков отпечатков пальцев () может определять тактильное давление и температуру кожи [53]. При таком подходе толщина полиимидной подложки составляет 25 мкм. Здесь многофункциональная сенсорная матрица включает в себя сети гибридных наноструктур, объединенных сверхдлинными металлическими нановолокнами и более тонкими нанопроволоками. Квеон и др. [76] представили датчик давления на полимерной основе. Здесь проводящие полимерные нановолокна сердцевина/оболочка, состоящие из поли(винилиденфторида-со-гексафторпропилена) (PVDF-HFP)/поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) (1 мм), изготавливаются трехмерным (3D) методы электропрядения и полимеризации методом осаждения из паровой фазы.Принцип работы основан на резистивном датчике с высокой чувствительностью (13,5 кПа −1 ).

Гибкие сенсорные электроды также изготавливаются путем переноса проводящих материалов на эластомер (текстиль или силикон). В принципе, это не значительный технологический процесс. Однако этот подход прост в использовании или становится вспомогательным шагом для других методов [71].

Кроме того, контролируемый синтез материалов в виде тонких пленок, такой как испарение, является фундаментальным шагом во многих гибких устройствах.Испарение часто включает два основных процесса: горячий исходный материал испаряется и конденсируется на подложке. Например, Виейра и др. [77] предложили высокочувствительный термоэлектрический датчик прикосновения на основе тонкой пленки SnO p-типа x . Пленки термического оксидирования (толщина 60–160 нм, скорость осаждения 2 Å с -1 , давление 2 × 10 -5 мбар), нанесенные на подложку из боросиликатного стекла, проводили в воздушно-атмосферной среде при 250°C в течение 3 ч. В результате сенсор касания (из тонких пленок SnO 60 нм 90 538 x 90 539) достигает высокой чувствительности (Vsignal/Vnoise ≈ 20) со временем нарастания < 1 с.

5. Обновления в сенсорном распознавании

Значительный прогресс в разработке гибких материалов для механически растягиваемых и сгибаемых сенсоров расширит область применения сенсорных датчиков в новую эру. Морфологические и механические свойства проводящих элементов сильно влияют не только на их собственные электрические характеристики, но также на производительность и область применения сенсорных типов. Здесь мы обобщаем исследования и достижения за последние два года в разработке гибких датчиков для e — кожи, e — текстиля, e — здравоохранения и e — контроля.

5.1. Подход на основе электронной кожи

Сенсорные системы, которые имитируют свойства растяжимости и тактильной чувствительности человеческой кожи наряду с дополнительными функциями, называются e -кожами. Ключевыми областями применения кожи и являются прикрепляемые к коже устройства, протезы и робототехника. Для небольших устойчивых деформаций хорошим выбором являются ультратонкие покрытия на основе материалов и , таких как полиэтиленнафталат или полиэтилентерефталат (ПЭТФ).Тем не менее, эластомерные подложки, такие как поли(полидиметилсилоксан) (ПДМС), латекс и полиуретан (ПУ), предпочтительнее для приложений с требованиями к растяжению [78]. Асгар и др. [79] продемонстрировали пьезоемкостный гибкий датчик давления с использованием микроструктур, выращенных с помощью магнитного поля (MPs/PDMS). Окончательный размер каждого датчика составлял 250 мм × 250 мм × 1,5 мм. Устройство было способно измерять давление в широком диапазоне (0–145 кПа) со сверхбыстрым временем отклика (50 мс) и высокой циклической стабильностью (> 9000 циклов).

Парк и др. [80] разработали трехмерное устройство искусственной кожи в форме кончика пальца (), которое имеет большой электронный сигнальный контакт при прикосновении с помощью емкостной сенсорной технологии. Он может определять точное место прикосновения и спонтанно лечить механические повреждения. Сенсорное устройство демонстрирует удачное сочетание 3D-печати (размер сопла 0,6 мм) и ионопроводящего гидрогеля. Помимо синтетических материалов, в качестве диэлектрического материала в гибких емкостных и -кожах могут непосредственно использоваться натуральные растительные материалы, которые состоят просто из высушенного цветочного лепестка или листа (81).Кожи e на основе природного материала (толщиной ~ 207 мкм) работали в широком диапазоне давлений от 0,6 Па до 115 кПа с максимальной чувствительностью 1,54 кПа -1 и высокой стабильностью в течение 5000 циклических нажатий, или изгибается. Это интересный метод для зеленого, рентабельного и масштабируемого подхода.

(a) Трехмерное устройство искусственной кожи в форме кончика пальца с помощью 3D-печати, которое может определять точное местоположение прикосновения и спонтанно лечить механические повреждения. Воспроизведено с разрешения из ссылки [80].авторское право 2019 Американское химическое общество. (b) Схематическое изображение электронной кожи, состоящей из двух электродов и природного материала (цветок и лист) в качестве диэлектрического слоя между ними. Кроме того, на графиках показано изменение емкости и чувствительности при приложении давления к трем типам и -кожи на основе критической точки высушенного лепестка розы, листа розы и листа акации. Адаптировано с разрешения ссылки [81]. авторское право 2018 Wiley-VCH. (c) Текстильные датчики мягкого прикосновения в тесте TASER высокого напряжения на короткое замыкание при поражении электрическим током.Адаптировано с разрешения ссылки [86]. авторское право 2020 Американское химическое общество. (г) Омнифобные трибоэлектрические наногенераторы (РЧ-ТЭНы) из и – текстиль в форме кошки, приводящий в действие два светодиода, вышитых как глаза (при прикосновении). Адаптировано с разрешения ссылки [88]. Copyright 2019 Wiley-VCH

В процессе эксплуатации e — обшивки со временем могут изнашиваться. Одним из решений этой проблемы является использование самовосстанавливающихся материалов. Энергетическая самодостаточность может быть создана за счет включения фототрансдукции и фотосенсорных функций, упомянутых в фотосинтезе растений [82].Биоэлектронное устройство собрано с использованием гибкого верхнего электрода, состоящего из полиэтилентерефталатной пленки с покрытием из оксида индия и олова (ITO-PET) и покрытой золотом ПЭТ-пленки, разделенных смесью фотосинтетического белка и медиатора переноса электронов в зазоре, поддерживаемом двойным односторонняя клейкая прокладка (250 мкм). Пленки ITO (200 нм) и золота (20 нм) наносят методом магнетронного распыления. Здесь фотосинтетические биоэлектронные датчики на коже и демонстрируют способность воспринимать сенсорный стимул (снижение до 3000 Па), низкоинтенсивное ультрафиолетовое излучение (снижение до 0.01 мВт см 90 577 ‐2 90 578 ) и генерировать электрическую энергию (≈ 260 нВт см 90 577 ‐2 90 578 ). В другом исследовании Zhao et al. [83] предложили гибкие двухсторонние электронные оболочки, основанные на пьезорезистивном эффекте. Датчик на основе губки УНТ (толщиной 2 мм) обеспечивает обнаружение направления силы благодаря сверхвысокой чувствительности в широком диапазоне давлений 0–4 кПа для 4015,8 кПа (–1) и быстрому времени отклика 120 мс.

5.2. Подход на основе электронного текстиля

E -текстиль является новым направлением исследований и имеет большие перспективы в будущем благодаря простоте подхода и применения.Благодаря добавлению электронных элементов и -текстиль, такой как проводящие волокна или ткани, можно использовать в носимых устройствах, человеко-машинном интерфейсе или приложениях для управления/мониторинга [84,85]. Один вид многофункционального текстиля с покрытием погружением был выполнен за счет равномерного осаждения кластеров поли(3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) и сложенного слоя PEDOT/rGO-PEDOT/PEDOT на поверхности шерсти/нейлона [86]. . В результате мягкие на ощупь текстильные датчики () обладают высокой электропроводностью (90.5 См см-1), гибкая способность экранировать электромагнитные помехи (73,8 дБ) и высокая теплопроводность в плоскости (0,81 Вт/м·К) при минимальной толщине (0,84 мм). Графен является популярным материалом для текстильных датчиков и благодаря его преимуществам по сравнению с технологиями на основе металлов. Однако и — текстиль из оксида графена (rGO) имеют высокое энергопотребление и плохую электропроводность. Чтобы решить эти проблемы, Afroj et al. [87] применили метод набивки (сухого отверждения) для покрытия полихлопковых тканей графеновыми хлопьями.Эти сенсоры и для текстиля обеспечивают низкое поверхностное сопротивление (≈ 11,92 Ом кв. -1 ) и потенциально могут создавать 150 м проводящего текстиля всего за 1 минуту. Конечная толщина покрытых графеном (5 проходов) и сжатых тканей из полихлопка составляет 300 мкм.

Некоторые e -текстильные материалы легко сгибаются, растягиваются и моются, сохраняя при этом хорошую электропроводность. Как показано в , интеграция омнифобных трибоэлектрических наногенераторов (RF-TENG) в ткани и демонстрирует превосходную устойчивость к деформации, устойчивость к стирке, высокую чувствительность к прикосновению и экономичность производства [88].Благодаря натуральным и искусственным волокнам/тканям, таким как хлопок, шелк или полиакрилаты, которые являются стандартными материалами для жизни, текстиль и обладает большим преимуществом, заключающимся в удобстве ношения. Алонсо и др. [89] продемонстрировали функциональные устройства на основе графена, изготовленные непосредственно из текстильных волокон (толщиной 0,03 мм и шириной 2,4 мм). Эти емкостные сенсорные датчики были изготовлены с использованием технологии формирования рисунка, совместимой с рулоном, что открывает новые возможности для тканой текстильной электроники.

5.3. Подход, основанный на электронном здравоохранении

Для применения в здравоохранении устройства должны иметь низкое энергопотребление и хорошую биосовместимость, чтобы избежать раздражения кожи. Некоторыми примерами гибких сенсорных датчиков и для здравоохранения являются носимые химические и биохимические датчики. Их самой большой проблемой является точность в гибкой рабочей среде со многими воздействиями влажности, температуры [90]. Эти химические/биосенсоры обычно прикрепляются к коже человека или к одежде/тканям для обнаружения внешних опасных агентов или контроля концентрации специфических веществ (крови) [91,92].

Сюй и др. [93] предложили гибридный датчик фотоплетизмограммы ближнего инфракрасного диапазона (NIR-PPG) для сердечно-сосудистого мониторинга. Структура NIR-PPG представляет собой комбинацию высокочувствительного органического фототранзистора (OPT) и высокоэффективного неорганического светоизлучающего диода. Продемонстрировано, что этот датчик способен непрерывно отслеживать вариабельность сердечного ритма (в режиме реального времени) при малой мощности (1,2 × 10 90 577 — 15 90 578 Вт·Гц 90 577 — 1/2 90 578 ). Благодаря сверхтонкой структуре инкапсуляции (1.8 мкм), устройство очень гибкое и позволяет переносить печать прямо на палец (). В другом примере дышащее электронное устройство может определять температуру ткани в месте раны [94]. Как показано на рисунке , устройство собрано из сшитой электроформованной термочувствительной полимерной наносетчатой ​​пленки, наполненной гидрохлоридом моксифлоксацина, с проводящим рисунком. Сенсорная область имеет размер 3 × 3,5 см 2 и толщину ~ 500 мкм. Примечательно, что эта наносетчатая пленка также может работать как высокоэффективный нагреватель, вызывающий высвобождение антибиотиков для устранения бактериальной колонизации в месте раны при инфицировании.

а) Датчик фотоплетизмограммы (ФПГ) представляет собой гибрид органического фототранзистора (ОПТ) с неорганическим светоизлучающим диодом для сердечно-сосудистого мониторинга, состоящий из процесса изготовления, реального изображения датчика и структуры ОПТ-светодиода, непосредственно ламинированных на палец. Воспроизведено с разрешения из ссылки [93]. авторское право 2017 Wiley-VCH. б) Пальцы руки прикреплены к наносетчатым пленочным устройствам для измерения температуры ткани и схематической иллюстрации удаленного мониторинга характеристик восприятия собранных пленочных устройств посредством беспроводной связи с мобильным телефоном.Адаптировано с разрешения ссылки [94]. авторское право 2019 Wiley-VCH

5.4. Подход, основанный на электронном управлении

Электронное управление с помощью сенсорного управления сегодня стало популярным устройством. Благодаря мягким структурам и материалам эти устройства могут сгибаться или складываться, чтобы их можно было легко интегрировать в различные системы. Интерактивная электронная кожа пользователя (SUE-skin) [95], основанная на трибоэлектрооптической модели, может преобразовывать сенсорный стимул в электрические сигналы при низком давлении (20 кПа) без внешнего источника питания () .Сочетая SUE-скин с микроконтроллером, эта сенсорная платформа распознает более 156 логик взаимодействия для легкого управления потребительскими электронными устройствами. SUE-кожу можно складывать, скручивать или гнуть без каких-либо механических повреждений, с максимальным усилием складывания 2 МПа и минимальным радиусом изгиба 2 мм. В биофотоемкостном приложении для слабовидящих Sai et al. [96] продемонстрировали испытательный шестипиксельный тактильный датчик, который создавал слуховой выход на основе сенсорных стимулов из кодов Брайля.Первичная структура устройства состояла из шести лунок на полидиметилсилоксановой (ПДМС) подложке (толщиной 0,5 мм) для шести капель ионной жидкости. Этот сенсорный брайлевский ридер содержит фотосинтетические пигменты-белки с окислительно-восстановительным электролитом в жидком мостике для усиления сенсорной реакции. Кроме того, Канг и соавт. [97] сообщил о емкостном сенсорном датчике с хорошими характеристиками как в контактном, так и в бесконтактном режимах, что стало возможным благодаря использованию графена и тонкой геометрии устройства. Этот 3D-сенсор работает по принципу емкостного восприятия поверхности толщиной 40 мкм и быстрым временем отклика 60 мс.

Применение программируемой сенсорной операционной платформы на основе интерактивной с пользователем кожи e (SUE-skin) для распознавания дорожек: (a) Оптическая фотография и четырехэлектродная схема кожи SUE. (b) Интенсивность света и выходное напряжение SUE-кожи при различных давлениях и различных предварительных напряжениях. (c) Демонстрация сенсорного управления для управления звуком и отображения символов. Адаптировано с разрешения ссылки [95]. авторское право 2018 Wiley-VCH

6.Резюме и перспективы

Мы обновили последние исследования гибких носимых датчиков с точки зрения сенсорного восприятия. Как описано выше, разработка новых материалов и технологий расширила возможности, а также концепцию сенсорных датчиков во многих различных приложениях. Важные исследования в областях e — кожа, e — текстиль, e — здравоохранение и e — контроль являются ключевыми областями с огромным потенциалом.

Помимо вдохновляющих достижений, будущие работы или усилия по коммерциализации по-прежнему сталкиваются с множеством проблем.Мы можем перечислить три основных типа сложных вопросов, включая материал, технологию и рабочую среду. Например, металлические наноматериалы обладают относительно плохой долговременной стабильностью, легко поддаются окислению или десульфурации. Графен и углеродные нанотрубки (УНТ) влияют на иммунологию и вызывают воспаление легких или интерстициальный фиброз при астме [98]. Наночастицы металлов/оксидов металлов вызывают генотоксичность, данный тип многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) классифицируется как возможный канцероген [99].Инкапсуляция области сенсора — это решение; однако это также повлияет на производительность [100]. Очевидно, что инкапсуляция увеличивает толщину, что снижает гибкость. Это также увеличивает необходимое давление касания, чтобы произошло изменение внутри датчиков. Интеграция гибких датчиков с другими гибкими электронными устройствами или системами непроста [101]. Одной из проблем является источник питания, который может поддерживать непрерывную и полнофункциональную систему датчиков. Предпринимаются некоторые попытки улучшить их гибкость и возможности интеграции в систему [102,103].Еще одной проблемой является схема обработки сигнала. Большинство деталей заключено в капсулу (силикон или ПДМС). Такой подход может привести к нежелательным шумам или горячим точкам при контакте с кожей человека [104]. Кроме того, рабочая среда с наличием шума, паров, масел/пота от тела человека может вызывать ложные срабатывания. Технологии сбора или анализа данных сенсорного восприятия должны быть оптимизированы, например, различимые намеренные и ложные прикосновения. Вышеупомянутые проблемы требуют междисциплинарных исследований для поиска решений, направленных на разработку полной сенсорной системы и доведение продуктов из лабораторий до промышленного производства.

Благодарности

Это исследование было частично поддержано грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF-2019R1A2C2005933), финансируемым правительством Кореи (MSIT), и грантом Корейского института развития технологий (KIAT), финансируемым правительством Кореи (MOTIE). (P0012770).

Биографии

• 

Чи Куонг Ву получил степень бакалавра наук. в области электроники и телекоммуникаций в 2014 году, Вьетнам. Он закончил М.С. программа по разработке органических материалов и волокон в Университете Сунсил, Сеул, Корея.В настоящее время он является доктором философии. кандидат в области органических материалов и волоконной инженерии в Центре исследований и разработок Университета Сунгсил, Сеул, Корея. Его исследовательский интерес включает гибкие носимые датчики и их применение в мониторинге активности человека или личном здравоохранении.

• 

Санг Джин Ким получил степень бакалавра. получил степень бакалавра в области органических материалов и волоконной инженерии в Университете Сунгсил, Сеул, Корея, в 2019 году. В настоящее время он является интегрированным кандидатом на степень магистра в области разработки интеллектуальных носимых устройств в лаборатории интеллектуальных носимых устройств Университета Сунгсил, Сеул, Корея.Его исследовательские интересы включают носимые текстильные датчики и датчики из проводящего полимера.

• 

Джуён Ким получил степень бакалавра. и М.С. получил степень в области науки и инженерии волокон и полимеров в Сеульском национальном университете, Сеул, Корея, в 1990 и 1992 годах соответственно. В настоящее время он работает профессором кафедры органических материалов и волоконной инженерии Университета Сунсиль, Сеул, Корея, с 1999 года после получения докторской степени. в Государственном университете Северной Каролины, Роли, США.С 1998 по 1999 год он был постдокторантом отдела машиностроения и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Калифорния, США. Его исследовательский интерес включает разработку интеллектуальных текстильных изделий на основе электронных волокон.

Заявление о финансировании

Это исследование было поддержано грантом Национального исследовательского фонда Кореи (NRF-2019R1A2C2005933), финансируемым правительством Кореи (MSIT), и грантом Корейского института развития технологий (KIAT), финансируемым правительством Кореи (MOTIE) ( P0012770).

Заявление о раскрытии информации

Авторы не сообщали о потенциальном конфликте интересов.

Ссылки

[2] Kweon OY, Samanta SK, Won Y, et al. Растягивающиеся и самовосстанавливающиеся проводящие гидрогели для носимых мультимодальных сенсорных датчиков с термочувствительным поведением. Интерфейсы приложений ACS. 2019;11(29):26134–26143. [PubMed] [Google Scholar][3] Валия С., Мондал И., Кулкарни Г.У.. Узорчатая прозрачная и удобная сенсорная панель на основе Cu-Mesh для тактильного восприятия, измерения близости, давления и температуры.ACS Appl Электрон Матер. 2019;1(8):1597–1604. [Google Scholar][4] Чен С., Ван И, Ян Л. и др. Электронно-индуцированные перпендикулярные листы графена, залитые пористой углеродной пленкой, для гибких сенсорных датчиков. Нано-Микро Летт. 2020;12(1):136. [Google Scholar][5] Озиоко О., Карипот П., Херш М. и др. Носимый вспомогательный тактильный коммуникационный интерфейс на основе встроенных сенсорных датчиков и приводов. IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2020;28(6):1344–1352. [PubMed] [Google Scholar][6] Lee Y, Kim J, Jang B и др.Растяжимый / носимый датчик касания с автономным питанием на основе графена. Нано Энергия. 2019;62:259–267. [Google Scholar][7] Chang H, Kim S, Jin S и др. Сверхчувствительные и высокостабильные резистивные датчики давления с межфазными слоями из биоматериала для носимых устройств мониторинга состояния здоровья и человеко-машинных интерфейсов. Интерфейсы приложений ACS. 2018;10(1):1067–1076. [PubMed] [Google Scholar][8] Guo Y, Guo Z, Zhong M, et al. Гибкий носимый датчик давления с микротрещинами, вдохновленными биотехнологиями, и блокировкой для полного взаимодействия человека и машины.Небольшой. 2018;14(44):1803018. [PubMed] [Google Scholar][9] Yin F, Lu H, Pan H и др. Высокочувствительные и прозрачные датчики деформации с упорядоченной структурой массива AgNW для носимого мониторинга движения и здоровья. Научный доклад 2019; 9 (1): 2403. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][10] Huynh T-P HH. Автономные гибкие датчики для мониторинга здоровья. Adv Mater. 2018;30(50):1802337. [PubMed] [Google Scholar][11] Xiong J, Cui P, Chen X и др. Трибоэлектрический наногенератор на тканевой основе, приводимый в действие от прикосновения к коже, с черным фосфором для прочного биомеханического сбора энергии.Нац коммун. 2018;9(1):4280. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][12] Liang G, Ruan Z, Liu Z и др. На пути к многофункциональным и носимым смарт-скинам с возможностями сбора энергии, сенсорного восприятия и экстероцепции-визуализации благодаря полностью полимерному дизайну. Adv Электрон Матер. 2019;5(10):1

3. [Google Scholar][13] B J P, Oh S, Kim FS и др. Емкостный сенсорный датчик без пикселей, использующий однослойный ионный гель. J Mater Chem C. 2019;7:10264–10272. [Google Scholar][14] Луо И, Шао Дж, Чен С и др.Гибкий емкостный датчик давления с наклонными массивами микростолбиков. Интерфейсы приложений ACS. 2019;11(19):17796–17803. [PubMed] [Google Scholar][15] Jeon GJ, Lee SH, Lee SH и др. Высокочувствительный емкостной датчик отпечатков пальцев с активной матрицей на основе оксидного тонкопленочного транзистора. Научный доклад 2019;9(1):3216. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][16] Heo S, Park K, Choi EH и др. Метод дифференциальной кодированной множественной сигнализации с полностью дифференциальным приемником для взаимного емкостного TSP отпечатков пальцев.IEEE Trans Circuits Syst I Regul Pap. 2019;67(1):74–85. [Google Scholar][17] Chen W, Yan X. Прогресс в создании высокопроизводительных пьезорезистивных и емкостных гибких датчиков давления: обзор. J Mater Sci Technol. 2020; 43: 175–188. [Google Scholar][18] Chen S, Song Y, Flexible XF. Высокочувствительный резистивный датчик давления на основе карбонизированной крепированной бумаги с гофрированной структурой. Интерфейсы приложений ACS. 2018;10(40):34646–34654. [PubMed] [Google Scholar][19] Моррис А.С., Глава LR. 13 — Сенсорные технологии.В: Моррис А.С., Лангари Р., редакторы. Измерение и приборостроение. Массачусетс: Академическое издательство; 2016. с. 375–405. [Google Scholar][20] Wang Z, Zhang L, Liu J и др. Гибкие полусферические микроматрицы высокочувствительных к давлению датчиков на основе метода фигуры дыхания. Наномасштаб. 2018;10:10691–10698. [PubMed] [Google Scholar][21] Peng S, Blanloeuil P, Wu S, et al. Рациональный дизайн сверхчувствительных датчиков давления путем адаптации микроскопических характеристик. Adv Mater Интерфейсы. 2018;5(18):1800403. [Google Scholar][22] Li H, Wu K, Xu Z и др.Ультравысокочувствительные пьезорезистивные датчики давления для обнаружения очень малых давлений. Интерфейсы приложений ACS. 2018;10(24):20826–20834. [PubMed] [Google Scholar][23] Gao X, Zheng M, Yan X и др. Выравнивание частиц BCZT в PDMS повышает чувствительность и циклическую надежность гибкого пьезоэлектрического сенсорного датчика. J Mater Chem C. 2019;7:961–967. [Google Scholar][24] Йогесваран Н., Наварадж В.Т., Гупта С. и др. Датчики давления на пьезоэлектрических графеновых полевых транзисторах для тактильного восприятия.Appl Phys Lett. 2018;113:014102. [Google Scholar][25] Gogurla N, Roy B, Park JY и др. Одноэлектродный белковый трибоэлектрический наногенератор с контактом с кожей и датчик деформации для биомеханического сбора энергии и обнаружения движения. Нано Энергия. 2019; 62: 674–681. [Google Scholar][26] Чжон Х., Пак С., Ли Дж. и др. Изготовление прозрачной проводящей пленки с гибкими серебряными нанопроволоками с использованием рулонного щелевого покрытия и каландрирования и ее нанесение на резистивную сенсорную панель. Adv Электрон Матер.2018;4(11):1800243. [Google Scholar][27] Ли К., Ли Дж., Ким Г. и др. Емкостные датчики давления с шероховатой поверхностью и функцией трехмерного касания. Небольшой. 2017;13(43):1700368. [PubMed] [Google Scholar][28] Liu M, Pu X, Jiang C и др. Полностью текстильные датчики давления большой площади для мониторинга движения человека и физиологических сигналов. Adv Mater. 2017;29(41):1703700. [PubMed] [Google Scholar][29] Kim KJ, Lu P, Culp JT и др. Оптоволоконные датчики с тонкопленочным покрытием на металлоорганическом каркасе: новая платформа для химических датчиков на основе волновода.ACS Sens. 2018;3(2):386–394. [PubMed] [Google Scholar][30] Нур Р., Мацухиса Н., Цзян З. и др. Высокочувствительный тензометрический датчик емкостного типа, использующий морщинистую ультратонкую золотую пленку. Нано Летт. 2018;18(9):5610–5617. [PubMed] [Google Scholar][31] Sertel BC, Sonmez NA, Kaya MD, et al. Разработка тонких пленок MgO:TiO2 для датчиков газа. Керам Инт. 2019;45(3):2917–2921. [Google Scholar][32] Kim MJ, Alvarez S, Chen Z и др. Электрохимия монокристаллов объясняет, почему растут металлические нанопроволоки. J Am Chem Soc.2018;140(44):14740–14746. [PubMed] [Google Scholar][33] Duan S, Wang Z, Zhang L и др. Растяжимый, чувствительный и прозрачный датчик деформации на основе бинарной гибридной сети, состоящей из иерархических многоуровневых металлических нанопроволок. Adv Mater Technol. 2018;3(6):1800020. [Google Scholar][34] Lee J, Pyo S, Kwon D-S и др. Сверхчувствительный тензодатчик на основе разделения перекрывающихся углеродных нанотрубок. Небольшой. 2019;15(12):1805120. [PubMed] [Google Scholar][35] Sun X, Qin Z, Ye L и др. Углеродные нанотрубки армировали гидрогель в качестве гибкого датчика деформации с высокой растяжимостью и механической прочностью.Chem Eng J. 2020; 382:122832. [Google Scholar][36] Yu S, Wang X, Xiang H и др. Превосходные пьезорезистивные характеристики углеродных нанотрубок в одномерной структуре полимерного волокна при измерении деформации. Углерод. 2018; 140:1–9. [Google Scholar][38] Кайзер Л.В., Липоми Д.Дж. Растягивающиеся проводящие полимеры и композиты на основе PEDOT и PEDOT:PSS. Adv Mater. 2019;31(10):1806133. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][39] Wang Y, Ding Y, Guo X и др. Проводящие полимеры для растяжимых суперконденсаторов. Нано Рез.2019;12(9):1978–1987. [Google Scholar][40] Мин С-Х, Ли Г-Ю, Ан С-Х. Прямая печать высокочувствительного, растяжимого и прочного датчика деформации на основе композитов наночастиц серебра/многослойных углеродных нанотрубок. Compos B Eng. 2019; 161: 395–401. [Google Scholar][41] Цао П., Ян З., Навале С.Т. и др. Хеморезистивные газовые сенсоры на основе наностержней ZnO, украшенные наночастицами Pd, реагируют на этанол. Sens Actuators B. 2019; 298:126850. [Google Scholar][42] Чжао И, Ян И, Цуй Л и др. Электрохимический датчик, управляемый электрохимическими частицами [email protected], для обнаружения эндогенного h3S.Биосенс ​​Биоэлектрон. 2018;117:53–59. [PubMed] [Google Scholar][43] Ван И, Цзя И, Чжоу И и др. Сверхрастяжимые, чувствительные и долговечные датчики деформации на основе углеродных нанотрубок/эластичных лент, инкапсулированных полидофамином. J Mater Chem C. 2018;6(30):8160–8170. [Google Scholar][44] Chu T-Y, Zhang Z, Tao Y. Печать серебряными проводящими чернилами с высоким разрешением и высоким соотношением сторон. Adv Mater Technol. 2018;3(5):1700321. [Google Scholar][45] Чжоу П., Ю Х., Цзоу В. и др. Наночастицы Ag с высоким разрешением и контролируемым методом электрогидродинамической струйной печати в сочетании с эффектом кофейного кольца.Adv Mater Интерфейсы. 2019;6(20):12. [Google Scholar][46] Чжун З., Ли Х., Кан Д. и др. Непрерывное формирование рисунка прозрачных проводящих электродов на основе медных нанопроволок для использования в гибких электронных приложениях. АКС Нано. 2016;10(8):7847–7854. [PubMed] [Google Scholar][47] Siebert L, Lupan O, Mirabelli M, et al. Напечатанная на 3D-принтере массив хемирезистивных датчиков на гетеропереходных сетках CuO/Cu2O/Cu из нанопроволоки. Интерфейсы приложений ACS. 2019;11(28):25508–25515. [PubMed] [Google Scholar][48] Liang X, Li H, Dou J и др.Стабильные и биосовместимые чернила из углеродных нанотрубок с протеином шелка для печатной электроники. Adv Mater. 2020;32(31):2000165. [PubMed] [Google Scholar][49] Llinas JP, Hekmaty MA, Talin AA, et al. Терагерцовые детекторы Origami, реализованные путем струйной печати чернилами из углеродных нанотрубок. ACS Appl Nano Mater. 2020;3(3):2920–2927. [Google Scholar][50] Секор Э.Б., Гао Т.З., Ислам А.Е. и др. Повышенная проводимость, адгезия и устойчивость к окружающей среде печатных графеновых красок с нитроцеллюлозой. Хим Матер. 2017;29(5):2332–2340.[Google Scholar][51] Беллани С., Петрони Э., Кастильо AEDR и др. Масштабируемое производство графеновых чернил путем расслаивания мокрой струйной мельницы для трафаретных микросуперконденсаторов. Adv Funct Mater. 2019;29(14):1807659. [Google Scholar][52] Юань З., Чжоу Т., Инь И. и др. Прозрачная и гибкая трибоэлектрическая сенсорная матрица для сенсорных приложений безопасности. АКС Нано. 2017;11(8):8364–8369. [PubMed] [Google Scholar][53] An BW, Heo S, Ji S и др. Прозрачная и гибкая матрица датчиков отпечатков пальцев с мультиплексным определением тактильного давления и температуры кожи.Нац коммун. 2018;9(1):2458. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][54] Jo HS, An S, Park C-W и др. Носимый, эластичный, прозрачный мягкий датчик «все в одном», образованный из сверхзвуковых напыленных серебряных нанопроволок. Интерфейсы приложений ACS. 2019;11(43):40232–40242. [PubMed] [Google Scholar][55] Chen J, Zhu Y, Jiang W. Растяжимый и прозрачный датчик деформации на основе многослойного композита PDMS/CNT/PDMS, содержащего ультратонкий проводящий слой CNT. Compos Sci Technol. 2020;186:107938. [Google Scholar][56] Pyo S, Choi J, Kim J и др.Видимо-слепой ультрафиолетовый датчик на основе гибрида углеродных нанотрубок и графена. Adv Электрон Матер. 2019;5(2):1800737. [Google Scholar][58] Тео М.Ю., Ким Н., Ки С. и др. Высокоэластичные и высокопроводящие композитные прозрачные электроды PEDOT:PSS/ионная жидкость для растяжимой электроники, обрабатываемой в растворе. Интерфейсы приложений ACS. 2017;9(1):819–826. [PubMed] [Google Scholar][59] Ли В., Ян С., Шамим А. Трафаретная печать серебряных нанопроволок: баланс проводимости с прозрачностью при сохранении гибкости и растяжимости.Npj гибкий электрон. 2019;3(1):1–8. [Google Scholar][60] Shi H, Al-Rubaiai M, Holbrook CM, et al. Мягкие емкостные датчики с трафаретной печатью для пространственного картирования как положительного, так и отрицательного давления. Adv Funct Mater. 2019;29(23):1809116. [Google Scholar][61] Teng L, Ye S, Handschuh-Wang S, et al. Переходные цепи на основе жидких металлов для гибкой и перерабатываемой электроники. Adv Funct Mater. 2019;29(11):1808739. [Google Scholar][62] Peng H, Xin Y, Xu J и др. Сверхрастяжимые гидрогели с реактивными жидкими металлами в качестве асимметричных датчиков силы.Матер Гориз. 2019;6(3):618–625. [Google Scholar][63] Kim K, Choi J, Jeong Y и др. Высокочувствительный и удобный для носки датчик давления на основе жидкого металла для приложений мониторинга здоровья: интеграция массива микробугорков, напечатанного на 3D-принтере, с микроканалом. Adv Healthcare Mater. 2019;8(22):18. [PubMed] [Google Scholar][64] Zhang D, Zhang Y, Lu W и др. Бумага / ткань с флуоресцентным гидрогелевым покрытием в качестве гибкого хемосенсора для визуального и переносного обнаружения ртути (II). Adv Mater Technol. 2019;4(1):1800201.[Google Scholar][65] Hassan G, Sajid M, Highly Sensitive CC. Полнодиапазонный обнаруживаемый датчик влажности с использованием материалов PEDOT:PSS, метилового красного и оксида графена. Научный доклад 2019;9(1):15227. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][66] Ling H, Chen R, Huang Q и др. Прозрачные, гибкие и пригодные для повторного использования сенсорные датчики на основе нанобумаги, изготовленные с помощью струйной печати. Зеленый хим. 2020;22(10):3208–3215. [Google Scholar][67] Рахман М.Т., Ченг С.И., Карагоз Б. и др. Высокопроизводительные гибкие датчики температуры с помощью печати наночастиц.ACS Appl Nano Mater. 2019;2(5):3280–3291. [Google Scholar][68] Дикулеску В.К., Берегой М., Евангелидис А. и др. Электропряденные волокна с покрытием из палладия/оксида палладия для носимых датчиков pH пота. Научный доклад 2019;9(1):8902. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][69] You X, He J, Nan N и др. Электронная кожа из эластичной емкостной ткани, сотканная из нитей, покрытых электропрядением из нановолокна, для обнаружения тактильных и мультимодальных механических раздражителей. J Mater Chem C. 2018;6(47):12981–12991. [Google Scholar][70] Noh S, Song Y.Макроориентированная углеродная нанотрубка-полимерная матрица методом диэлектрофореза и процесса переноса. J Mater Res Technol. 2020;9(3):4550–4557. [Google Scholar][71] Яо С., Рен П., Сонг Р. и др. Гибкие и растягиваемые сенсорные системы на основе наноматериалов: обработка, интеграция и приложения. Adv Mater. 2020;32(15):13. [PubMed] [Google Scholar][72] Cataldi P, Dussoni S, Ceseracciu L, et al. Углеродное нановолокно против растяжимых емкостных сенсорных датчиков на основе графена для искусственной электронной кожи.Adv Sci. 2018;5(2):1700587. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][73] Liu L, Pei Y, Ma S и др. Струйная печать управляемого линейного массива наночастиц полидофамина для прозрачных и гибких сенсорных приложений. Adv Eng Mater. 2020;22(4):11. [Google Scholar][74] Феррейра Г., Госвами С., Нанди С. и др. Сенсорно-интерактивный гибкий экологически чистый сборщик энергии и смарт-карта с автономным питанием. Adv Funct Mater. 2020;30(5):14. [Google Scholar][75] Yin X-Y, Zhang Y, Cai X и др. 3D-печать ионных проводников для высокочувствительных носимых датчиков.Матер Гориз. 2019;6(4):767–780. [Google Scholar][76] Kweon OY, Lee SJ, Oh JH. Носимые высокопроизводительные датчики давления на основе трехмерных электроформованных проводящих нановолокон. NPG Азия Матер. 2018;10(6):540–551. [Google Scholar][77] Vieira EMF, Silva JPB, Veltruská K, et al. Высокочувствительный термоэлектрический датчик прикосновения на основе тонкой пленки SnO p-типа x . Нанотехнологии. 2019;30(43):435502. [PubMed] [Google Scholar][78] Yang JC, Mun J, Kwon SY и др. Электронная кожа: недавний прогресс и будущие перспективы для устройств, прикрепляемых к коже, для мониторинга здоровья, робототехники и протезирования.Adv Mater. 2019;31(48):15. [PubMed] [Google Scholar][79] Асгар В., Ли Ф., Чжоу Ю. и др. Пьезоемкостные гибкие датчики давления E-skin с микроструктурами, выращенными с помощью магнитов. Adv Mater Technol. 2020;5(2):1

4. [Google Scholar][80] Пак С., Шин Б.Г., Джанг С. и др. Трехмерное самовосстанавливающееся устройство искусственной кожи с сенсорным датчиком. Интерфейсы приложений ACS. 2020;12(3):3953–3960. [PubMed] [Google Scholar][81] Wan Y, Qiu Z, Huang J и др. Натуральные растительные материалы в качестве диэлектрического слоя для высокочувствительной гибкой электронной кожи.Небольшой. 2018;14(35):e1801657. [PubMed] [Google Scholar][82] Рави С.К., Ву Т., Удаягири В.С. и др. Фотосинтетические биоэлектронные датчики для сенсорного восприятия, обнаружения УФ-излучения и выработки наноэнергии: на пути к электронным кожам с автономным питанием. Adv Mater. 2018;30(39):1802290. [PubMed] [Google Scholar][83] Чжао X-F, Hang C-Z, Wen X-H и др. Сверхчувствительная двухсторонняя E-skin в форме плавника для определения направления силы. Интерфейсы приложений ACS. 2020;12(12):14136–14144. [PubMed] [Google Scholar][84] Müller C, Ouyang L, Lund A, et al.От одиночных молекул до тонкопленочной электроники, нановолокон, электронного текстиля и силовых кабелей: соединение масштабов длины с органическими полупроводниками. Adv Mater. 2019;31(22):1807286. [PubMed] [Google Scholar][85] Исмар Э., Бахадир С.К., Калаоглу Ф. и др. Футуристическая одежда: электронный текстиль и носимые технологии. Глоб Чал. 2020;4(7):1

2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][86] Ghosh S, Nitin B, Remanan S, et al. Многофункциональный умный текстиль, полученный из нанокомпозитов из мериносовой шерсти и нейлонового полимера, в качестве поглотителя микроволн нового поколения и сенсора мягкого прикосновения.Интерфейсы приложений ACS. 2020;12(15):17988–18001. [PubMed] [Google Scholar][87] Afroj S, Tan S, Abdelkader AM, et al. Высокопроводящий, масштабируемый и пригодный для машинной стирки электронный текстиль на основе графена для многофункциональных носимых электронных приложений. Adv Funct Mater. 2020;30(23):2000293. [Google Scholar][88] Medeiros MSD, Chanci D, Moreno C, et al. Водонепроницаемый, дышащий и антибактериальный электронный текстиль с автономным питанием на основе омнифобных трибоэлектрических наногенераторов. Adv Funct Mater. 2019;29(42):1

0.[Google Scholar][89] Торрес Алонсо Э., Родригес Д.П., Хетани М. и др. Графеновые электронные волокна с сенсорными и светоизлучающими функциями для умного текстиля. Npj гибкий электрон. 2018; 2:1–6. [Google Scholar][90] Тессароло М., Гуаланди И., Фрабони Б. Недавний прогресс в области носимых полностью текстильных химических датчиков. Adv Mater Technol. 2018;3(10):1700310. [Google Scholar][91] Камарудин С.Ф., Мустафа М., Ким Дж. К. Зеленые стратегии для печатных датчиков для приложений здравоохранения. Полим Ред. 2020;1–41.[Google Scholar][92] Ma Y, Zhang Y, Cai S и др. Гибкая гибридная электроника для цифрового здравоохранения. Adv Mater. 2020;32(15):1

2. [PubMed] [Google Scholar][93] Xu H, Liu J, Zhang J и др. Гибкий органический/неорганический гибридный датчик фотоплетизмограммы ближнего инфракрасного диапазона для сердечно-сосудистого мониторинга. Adv Mater. 2017;29(31):1700975. [PubMed] [Google Scholar][94] Гонг М., Ван П., Ма Д. и др. Гибкие дышащие электронные устройства с наносеткой для терапии по требованию. Adv Funct Mater. 2019;29(26):17. [Google Scholar][95] Zhao X, Zhang Z, Liao Q и др.Интерактивная электронная оболочка с автономным питанием для программируемой сенсорной операционной платформы. Научная реклама 2020;6(28):eaba4294. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar][96] Рави С.К., Пол Н., Суреш Л. и др. Биофотоемкостные тактильные датчики в качестве сенсорного устройства чтения Брайля и солнечного конденсатора. Матер Гориз. 2020;7(3):866–876. [Google Scholar][97] Кан М., Ким Дж., Чан Б. и др. Трехмерный емкостный сенсорный датчик на основе графена для носимой электроники. АКС Нано. 2017;11(8):7950–7957. [PubMed] [Google Scholar][98] Pietroiusti A, Stockmann-Juvala H, Lucaroni F, et al.Воздействие наноматериалов, токсичность и влияние на здоровье человека. ПРОВОДА Наномед Нанобиотехнолог. 2018;10(5):e1513. [PubMed] [Google Scholar][99] Grosse Y, Loomis D, Guyton KZ и др. Канцерогенность фторэденита, волокон и нитей карбида кремния, углеродных нанотрубок. Ланцет Онкол. 2014;15(13):1427–1428. [PubMed] [Google Scholar][100] Li H, Ma Y, Huang Y. Инновационные материалы и дизайн механики для подложек и герметизации гибкой электроники: обзор. Матер Гориз. 2020. DOI: 10.1039/D0MH00483A [CrossRef] [Google Scholar][101] Xiang L, Zeng X, Xia F, et al.Последние достижения в области гибких и растягиваемых сенсорных систем: с точки зрения системной интеграции. АКС Нано. 2020;14(6):6449–6469. [PubMed] [Google Scholar][102] Пак С., Хео С.В., Ли В. и др. Сверхгибкая электроника с автономным питанием благодаря органическим фотоэлектрическим элементам с нанорешетками. Природа. 2018; 561: 516–521. [PubMed] [Google Scholar][103] Chen J, Oh SK, Nabulsi N, et al. Биосовместимый и устойчивый источник питания для носимой и имплантируемой электроники с автономным питанием с использованием гибкого пьезоэлектрического генератора на основе тонкопленочного нитрида III.Нано Энергия. 2019; 57: 670–679. [Google Scholar][104] Хуссейн А.М., Хуссейн М.М. Гибкая и растяжимая электроника на основе технологии CMOS для универсального Интернета. Adv Mater. 2016;28(22):4219–4249. [PubMed] [Google Scholar]

Принципы работы датчика касания — Производство печатных плат и сборка печатных плат

проектов IoT с платами Arduino становятся все более популярными. Большинству этих проектов потребуется датчик для обнаружения сенсорного ввода или движения. Затем они что-то делают с этим вводом или запускают событие.

Человеческое тело имеет пять чувств: зрение, слух, осязание, вкус и обоняние. О них слышал каждый посетитель Интернета. Машины также должны иметь разум, чтобы выполнять задачи.

Большинство этих сенсорных элементов аналогичны сенсорному датчику. Как человеческий организм воспринимает прикосновения? Что происходит из-за прикосновения — и как это воспринимается?

Кожные рецепторы представляют собой нервные окончания в дерме, среднем слое кожи. Некоторые из этих рецепторов воспринимают прикосновение и давление, а другие — температуру.

Обнаружение прикосновения человеческим телом уникально для каждого пальца. Это потому, что каждый палец касается по-разному и имеет разные рецепторы. Рецепторы нуждаются в различной стимуляции для восприятия конкретного объекта — так называемое мультимодальное восприятие.

Сенсорные датчики основаны на следующих принципах: сенсорная панель

Принцип 1: Ощущение покалывания

В организме человека есть рецепторы, определяющие текстуру кожи и силу прикосновения.Когда палец касается поверхности (например, столешницы), дерма на пальце давит на воздушный слой. Эта разница давлений заставляет небольшое количество электрической энергии перемещаться по нервам в мозг. Мозг воспринимает это как покалывание.

Сенсорные датчики используют этот принцип:

Когда палец касается поверхности, датчик обнаруживает это физическое изменение. Затем он отправляет выходной сигнал для управления или мониторинга, в зависимости от желаемого действия.

Принцип 2: Давление

Большинство сенсоров человеческого тела реагируют на давление на кожу.Кроме того, в организме человека есть несколько механических сенсорных рецепторов.

Сенсорные датчики используют этот принцип:

При касании пальцем поверхности датчик активируется и перемещается внутрь. Он позволяет пальцу касаться его или сопротивляться его движению. Если палец прикоснется достаточно сильно, он может пробить поверхность (например, бумагу).

Принцип 3: Температура

Тепло активирует многие рецепторы кожи. Он чувствует это с помощью технологии, называемой тепловым зондированием.Работают как датчики давления. Но вместо давления есть тепло. Таким образом, рецепторы кожи могут определять температуру на горячей поверхности, вызванную теплом.

Сенсорные датчики используют этот принцип:

Тело чувствует прикосновение, когда сталкивается с определенной температурой. Затем он меняет свое состояние движения. Используя термодатчик, человеческое тело может обнаруживать тепло на поверхности.

Принцип 4: Свет

Свет контролирует расстояние до волос на теле человека.Вот почему у человека мурашки по коже при прикосновении к холодному воздуху или воде. Кроме того, кожа человека имеет специфические рецепторы, воспринимающие свет. Это датчики сенсорного давления и температуры. Они посылают свои сигналы в мозг по нервам так же, как ощущение покалывания в принципе 1.

Сенсорные датчики используют этот принцип:

Есть ощущение расстояния между двумя поверхностями и изменяется при прикосновении.

Принцип 5: Слушание

Некоторые рецепторы кожи чувствительны к звуковым колебаниям, но они обнаруживают прикосновение.Также нервные окончания человеческого тела реагируют на колебания давления и температуры.

Сенсорные датчики используют этот принцип:

Чтобы почувствовать прикосновение, человеческое тело преобразует звуковые колебания в электрические сигналы. Затем он отправляет их в мозг через нервы.

Даже если чувства человеческого тела не работают так, как вы думаете, мы все равно можем знать, как двигаются наши пальцы. Это происходит даже с техникой, которая не воспринимает прикосновения. Например, телефон может сообщить вам, в каком направлении движется ваш палец.

Сенсорные датчики

могут обнаруживать множество различных типов прикосновений, используя эти принципы.

Что такое сенсорный датчик?

Это устройство определяет, касается ли его палец или движется ли он по нему. Он преобразует прикосновение к коже в электрический сигнал и отправляет его на плату управления (например, Arduino). Затем эта плата запускает событие или действие, например включение/выключение светодиода или отправку данных в облако для хранения.

Когда вы прикасаетесь к датчику, небольшое количество электрической энергии проходит через металлическую полоску и касается вашей кожи.Это небольшое количество тока заставляет вашу кожу посылать сигналы в ваш мозг. Затем он интерпретирует это как ощущение покалывания. Это покалывание является одним из пяти чувств, перечисленных выше, и его часто называют «давлением».

Корпус сенсорного датчика можем изготовить из дерева или пластика. Листы паракартона или пластиковые пленки могут помочь в создании этих тел. Соединяем датчики проводами, которые проходят через различные отверстия с обеих сторон платы.

Как работает сенсорный датчик?   Датчики касания

состоят из датчика и исполнительного механизма.

Датчик касания ttp223 представляет собой электрически стойкий материал внутри датчика касания, который касается вашей кожи. Он преобразует это прикосновение в электрический сигнал. Металлическая пленка с другой стороны покрывает зону сопротивления, образуя тачпад. Когда мы надавливаем на эту подушечку, электрическое сопротивление указывает на давление. Затем мы подключаем металлическую пленку к цифровым контактам (например, «2» в Arduino). Наконец, мы называем сигнал, который компьютер получает на аналоговом выходе.

Привод представляет собой схему, преобразующую сигнал в электрические импульсы.Это может быть двигатель, подключенный к аккумулятору, который вращается при низком входном сигнале (например, «1»). Привод также может быть светодиодом (LED), который включается при отсутствии ввода (например, «3»). Далее подключаем светодиод. Затем мы можем использовать это для управления такими устройствами, как светодиод, подключенный к микроконтроллеру. К ним относятся Arduino или PICAXE.

Использование нескольких соединений и соединителей позволяет датчикам создавать множество различных форм. Например, мы можем согнуть датчик с шестью шарнирами в форме буквы «Z».Это позволяет легко прикасаться к разным формам с обеих сторон. Точно так же мы можем превратить аналогичный датчик в квадратную площадку. Они работают с устройствами с сенсорным экраном.

Мы создаем этот датчик, используя пистолет для толстого герметика, чтобы заполнить швы клеем. Затем клей затвердевает, превращаясь в твердый кусок пластика, а стыки наполняются золотым порошком. Мы называем это 3D-печатью. Это быстрее и точнее, чем традиционные методы производства пластика.

Более простой способ — склеить несколько соединений вместе.Он создает множество датчиков разных размеров и форм.

Сенсорные датчики сенсорные датчики ардуино

Сенсорные датчики могут применяться во многих областях.

1. Датчик касания в робототехнике

Сенсорные датчики могут работать в робототехнике по-разному. Например, мы делаем некоторые из них с разными соединениями, чтобы они могли принимать разные формы и размеры. Кроме того, эти датчики часто работают как детекторы препятствий.Это позволяет роботу избежать столкновения со стенами или мебелью.

2. Сенсорный датчик в бытовой технике

Мы можем использовать сенсорные датчики для управления различными устройствами дома. Например, включить телевизор или изменить громкость можно с помощью датчика из полиэтиленовой пленки и резинок. Этот датчик легко скользит по руке и использует легкое нажатие для изменения состояния (например, яркости).

3. Смартфоны

Некоторые сенсорные датчики состоят из одной полоски термочувствительной бумаги.Они продаются примерно за 2 доллара. С помощью этого датчика вы можете легко коснуться и увидеть температуру в руке.

4. Сенсорные поверхности для электронных устройств

Сенсорные поверхности для электронных устройств стали очень популярны. Они предлагают множество способов управления устройством без помощи рук. Устройства могут включать игровые приставки, такие как Xbox 360 Kinect, и мобильные телефоны.

5. Автомобильная техника

Специальные сенсорные датчики помогают в последних инновациях.Они включают в себя управление жестами, близость и тактильную обратную связь. Благодаря новой технологии сенсорные датчики могут получать доступ к информации. Они также управляют электронными устройствами и даже контролируют транспортное средство.

Датчик касания Arduino — это просто датчик давления. Итак, когда вы нажимаете на клавиатуру, датчик давления преобразует ваше прикосновение в электрический сигнал. Затем он отправляет его на компьютер или смартфон, который вы используете.

6. Сенсорный смеситель для кухни

Мы можем установить сенсорные датчики для управления определенными параметрами воды.Например, сенсорные датчики находятся на смесителях или смесителях в ванной, чтобы включать или выключать поток воды путем прикосновения к датчику.

7. Краска сенсорного датчика

Сенсорная краска — это краска, которая может менять свой цвет при прикосновении к чему-то холодному или горячему. Вы можете использовать эту краску на стенах, мебели или акцентах в своей комнате.

8. Промышленное применение

Промышленные сенсорные датчики незаменимы на фабриках и в мастерских для управления различными машинами.Например, мы можем разместить датчики на оборудовании, чтобы включать или выключать его при работе с ним.

Типы сенсорных датчиков

Сенсорные датчики — это специальные датчики давления, которые могут считывать как давление воздуха, так и контактное давление.

Сенсорные датчики просты, но очень эффективны. Им не нужно специальное оборудование или датчики. Им нужна только металлическая пленка с одной стороны и тачпад с другой стороны. Это простое и дешевое решение, которое может сделать каждый.

Сенсорные датчики очень популярны в электронике.В большинстве этих датчиков в качестве сенсорной панели используется тонкая металлическая пластина. Они также используют эластичную ленту для соединения двух сторон датчика. Мы используем эти датчики в проектах, требующих совсем немного ресурсов. К ним относятся игрушки, бытовая техника и устройства дистанционного управления.

Датчики касания могут использоваться в самых разных областях. Это дает возможность использовать их практически в любом продукте или системе.

1. Емкостный сенсорный датчик

Датчик прикосновения к колпачку работает, обнаруживая изменение емкости между двумя сторонами датчика, когда на одну сторону оказывается давление.Давление вызывает небольшое изменение электрического заряда между двумя металлическими электродами на каждой стороне датчика. Таким образом, емкостный сенсорный датчик измеряет прикосновение в зависимости от величины изменения емкости.

Как работают емкостные датчики касания

а) Мы используем две металлические пластины с каждой стороны датчика. Эти две пластины соединяются с микроконтроллером проводом.

b) Когда пользователь прикасается к одной стороне датчика, происходит небольшое изменение проводимости между пользователем и датчиком.Это вызывает разницу в электрическом поле.

c) Микроконтроллер улавливает изменение емкости и преобразует его во входной сигнал.

d) Вывод дает информацию о касании, давлении и месте касания.

Применение емкостных сенсорных датчиков

а. Мы можем использовать емкостные сенсорные датчики во многих различных сенсорных приложениях. Например, мы используем его в сенсорных панелях и кнопках, где переключатель активируется, когда палец касается панели.Эта тачпад позволяет человеку использовать свой палец вместо стилуса для управления. Вы также можете писать на электронном устройстве, таком как смартфон или компьютер.

б. Мы также можем использовать емкостный сенсорный датчик для создания мультисенсорной поверхности. Устройством могут одновременно пользоваться более одного человека. Он распознает каждое прикосновение отдельно.

с. Мы можем использовать емкостной сенсорный датчик в емкостных стилусах. Они определяют положение пальца или стилуса при прикосновении к проводящей поверхности.

д. Мы также используем емкостные датчики касания в емкостных датчиках приближения. Они сообщают, находится ли определенный объект в контакте или рядом с другим объектом или поверхностью.

Преимущества емкостного датчика касания

а) Емкостные сенсорные датчики очень просты.

b) Емкостный сенсорный датчик — очень недорогое решение. В результате мы можем использовать их в различных приложениях и продуктах.

c) Для работы емкостных сенсорных датчиков не требуется дополнительное оборудование или источник питания.

d) Емкостный сенсорный датчик не требует дополнительного материала для правильной работы. Вместо этого требуются две металлические пластины и другие материалы. К ним относятся резиновая лента, пластиковая пленка, бумага или токопроводящая краска.

Недостатки емкостного сенсорного датчика

а) Емкостный сенсорный датчик не имеет памяти. Поэтому мы не можем использовать их для распознавания давления.

b) Емкостные сенсорные датчики не обладают какой-либо уникальной чувствительностью.

c) Для емкостного сенсорного датчика требуется низкое напряжение (4 В или меньше). Это высокое напряжение необходимо, потому что микроконтроллер потребляет наибольший ток. Ведь он очень маленький и энергоемкий.

2. Резистивный датчик касания

Резистивный датчик касания — это датчик давления. Он использует проводящую резину, силикон или металл для создания сенсорной поверхности. Когда к одной стороне поверхности приложено давление, между двумя сторонами поверхности произойдет изменение сопротивления.Мы можем измерить и использовать разницу в сопротивлении для отслеживания давления и положения касания.

Как работают резистивные сенсорные датчики

а) Мы помещаем лист токопроводящей резины или слои металлического электрода на каждую сторону площадки или листа. Резиновый или металлический слой соединяется с микроконтроллером проводом.

b) Когда мы прикладываем давление к одной стороне резинового листа, изменение сопротивления происходит между двумя сторонами листа или электрода.

c) Микроконтроллер улавливает и преобразует изменение сопротивления во входной сигнал.

d) Вывод дает информацию о касании, давлении и месте касания.

Типы применения резистивных сенсорных датчиков

а. Мы используем резистивные сенсорные датчики в любом продукте, где необходимо определять давление. Он использует эту информацию для управления или уведомления пользователя. Например, мы можем использовать его в емкостных сенсорных панелях, где переключатель активируется, когда палец касается сенсорной панели.

б. Резистивные сенсорные датчики полезны в цифровых вывесках и RFID-метках.

с. Резистивные сенсорные датчики также используются в смарт-часах, когда сенсорный экран закрывает те части тела, которые обычно закрывает пользователь.

Недостатки резистивного датчика касания

а) Резистивный сенсорный датчик не может точно отслеживать движение. Однако мы можем обнаружить или измерить давление, даже если пользователь не касается поверхности. Так что это полезно только в нескольких ситуациях, требующих точного определения давления и местоположения.

б) Резистивный датчик касания требует высокого напряжения (например, 15В или выше). Это высокое напряжение необходимо, потому что микроконтроллер потребляет наибольший ток. Ведь он очень маленький и энергоемкий.

c) Резистивному сенсорному датчику для правильной работы требуется постоянный источник питания. Поэтому мы не можем использовать его с батареями, как другие сенсорные датчики.

d) Резистивные сенсорные датчики легко повредить. Резиновые или токопроводящие силиконовые слои начнут изнашиваться при чрезмерном использовании.Это приведет к значительному падению производительности.

Разница между резистивным и емкостным сенсорным датчиком

В отличие от емкостных сенсорных датчиков,

1. Для резистивных сенсорных датчиков не требуются специальные материалы. Им также не требуется удельная проводимость для правильной работы. Это означает, что мы можем использовать любой материал в качестве резистивной сенсорной поверхности.

2. Для работы резистивного сенсорного датчика не требуется источник питания. Вместо этого резистивные сенсорные датчики используют тело пользователя в качестве источника питания.

3. Мы можем использовать резистивные датчики прикосновения в любом продукте, требующем поверхности, чувствительной к давлению.

4. Мы можем использовать резистивные сенсоры в умных часах, чтобы сделать покрытие экрана из резины или проводящего силикона.

5. Резистивные сенсорные датчики не могут точно отслеживать движения. Однако мы можем обнаружить и измерить давление, даже если пользователь не касается поверхности. Так что это полезно только в нескольких ситуациях, требующих точного определения давления и местоположения.

6. Резистивный датчик касания требует высокого напряжения (например, 15В или выше). Это высокое напряжение необходимо, потому что микроконтроллер потребляет наибольший ток. Ведь он очень маленький и энергоемкий.

7. Резистивному сенсорному датчику для правильной работы требуется постоянный источник питания. Поэтому мы не можем использовать его с батареями, как другие сенсорные датчики.

Инфракрасный сенсорный датчик

Инфракрасный датчик касания также называется ИК-датчиком касания или ИК-датчиком приближения.Это чувствительная к давлению поверхность. Он использует инфракрасный свет для обнаружения присутствия, местоположения и движения объектов. Этот датчик позволяет пользователям взаимодействовать с физическими объектами, не касаясь их.

Функции ИК-датчика касания

а) Инфракрасный свет может проходить сквозь тонкие слои и воздействовать на очень тонкие объекты.

b) Инфракрасные сенсорные датчики следуют за инфракрасными волнами человеческого тела, которые следуют за нервами и мышцами.

c) Для работы инфракрасного сенсорного датчика не требуется источник питания.Пользователи могут поднести к нему руки, чтобы получить желаемые результаты.

d) Человеческие глаза плохо воспринимают инфракрасный свет. Таким образом, это полезно в контролируемых средах, где пользователям необходимо носить специальные очки.

e) Инфракрасный свет датчика может обнаруживать объекты на расстоянии 30 см (11 дюймов).

Недостатки инфракрасного сенсорного датчика

а) Инфракрасный свет не виден человеческому глазу. Таким образом, неудобно использовать в общественных местах, таких как аэропорты и больницы.

б) Инфракрасный свет не может обнаруживать движение, но может обнаруживать давление и близость. Так что это полезно, только если есть объект с кнопками, чувствительными к давлению. Примеры включают пульт дистанционного управления телевизором или игровой контроллер.

c) Инфракрасные сенсорные датчики не могут точно отслеживать движение.

г) Инфракрасный датчик не обнаруживает объекты с хорошей точностью. Пользователям приходится подносить руки ближе к инфракрасному сенсорному датчику. Затем их руки активируют кнопку или ручку, когда они находятся в пределах досягаемости.

e) Не существует пар инфракрасных сенсорных датчиков, предназначенных для совместной работы. Поэтому совместить их вместе и получить желаемый результат непросто.

Нельзя использовать инфракрасные сенсорные датчики в смарт-часах, которым для корректной работы нужны ИК-сигналы.

 Разница между инфракрасным и емкостным сенсорным датчиком

а) Емкостный сенсорный датчик следует за электрическими волнами человеческого тела для точного обнаружения объектов. В отличие от инфракрасных, емкостные датчики могут определять давление, движение и местоположение.

б) Инфракрасный свет не может обнаруживать электропроводящие объекты. Но емкостные датчики могут обнаруживать токопроводящие объекты.

c) Для работы этих датчиков не требуется источник питания. Но емкостным датчикам для правильной работы требуется источник питания.

d) Инфракрасные датчики не точно обнаруживают объекты. Вместо этого они следуют за нервами и мышцами пользователя. Емкостные датчики используют электрические заряды для обнаружения объектов с хорошей точностью.

e) Емкостные сенсорные датчики не могут точно отслеживать движения.Точно так же инфракрасные сенсорные датчики не могут точно отслеживать движение.

Датчик касания на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

Датчик касания на поверхностных акустических волнах, также называемый датчиком касания на ПАВ или датчиком приближения на ПАВ, представляет собой чувствительную к давлению поверхность. Он использует вибрации звуковых волн для обнаружения присутствия, местоположения и движения объектов.

Эти датчики приближения широко распространены, поскольку для их изготовления требуются специальные материалы. Эти материалы включают оксид алюминия или нитрид кремния для правильной работы.Однако они не подходят для массового производства. Они сложны в производстве и дороги. Тем не менее, эти датчики приближения полезны в аэрокосмической промышленности и научных исследованиях.

Функции сенсорного датчика SAW

а) Сенсорные датчики SAW обладают высокой чувствительностью для обнаружения движения с хорошей точностью. Например, датчик касания поверхностной акустической волны может обнаруживать движение крыла мухи, если муха касается поверхности.

б) Различные типы датчиков касания на ПАВ с разным временем отклика: 1 мс и 50 мс.По сравнению с емкостным сенсорным датчиком сенсорные датчики SAW 50 мс могут лучше определять движение и давление.

c) Сенсорные датчики SAW требуют высокого напряжения (например, 15 В или более). Это высокое напряжение необходимо, потому что микроконтроллер потребляет наибольший ток. Ведь он очень маленький и энергоемкий.

d) Сенсорные датчики SAW не могут точно отслеживать движение.

e) Сенсорные датчики SAW не могли обнаруживать объекты с хорошей точностью. Пользователям приходится подносить руки ближе к сенсорному датчику SAW.Затем их руки активируют кнопку или ручку, когда они находятся в пределах досягаемости.

f) Невозможно использовать датчики касания на поверхностных акустических волнах в смарт-часах, которым для корректной работы необходимы ИК-сигналы.

Преимущества

а) Сенсорные датчики SAW нелегко повредить или разрушить. Кроме того, они устойчивы к воздействию окружающей среды, поскольку состоят из прочных материалов.

b) Сенсорные датчики SAW широко используются в различных средах, таких как самолеты, приборные панели автомобилей, заводские производственные линии и лаборатории.

c) Сенсорные датчики SAW могут обнаруживать объекты с высокой точностью.

Недостатки

а) Датчик касания поверхностных акустических волн не использует сигналы низкого уровня. Поэтому он не может обнаруживать мелкие знаки, как это делают акселерометр и датчики приближения.

b) Датчики касания SAW не могут обнаруживать непроводящие объекты или объекты с низкой проводимостью.

c) Датчик касания поверхностной акустической волны требует высокого напряжения для правильной работы. Поэтому он не подходит для Bluetooth, NFC и беспроводных устройств.Они требуют малой мощности.

d) Сенсорные датчики SAW не могут точно отслеживать движение.

e) Невозможно использовать датчики касания на поверхностных акустических волнах в смарт-часах, которым для корректной работы необходимы ИК-сигналы.

Заключение

Как видите, многие типы датчиков полезны в разных ситуациях. Но некоторые из них более полезны, чем другие.

Например, емкостные сенсорные датчики могут обнаруживать движение, давление и местоположение.

Производители датчиков

, такие как Rayming PCB & Assembly , соревнуются, чтобы предложить своим клиентам лучшие технологии. Поэтому они предлагают новые сенсорные технологии с новыми возможностями для завоевания новой доли рынка.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Преимущества емкостного сенсорного экрана и приложений RSP

Как работает емкостный датчик?

Что такое емкостный сенсорный датчик и как он интегрирован в дизайн продукта?

Как работают емкостные датчики касания?
Технология емкостных датчиков работает путем измерения изменения емкости (способности системы накапливать электрический заряд) в проецируемом поле из-за присутствия проводящего объекта.Этот объект обычно является человеческим пальцем, но это может быть любой проводящий объект, который имеет диэлектрик, отличный от воздуха.

Преимущества технологии емкостных сенсорных датчиков
В прошлом производители держались подальше от нетактильных технологий, полагая, что пользователю нужна обратная связь, чтобы знать, что произошло срабатывание. Однако с распространением нетактильных технологий потребители не только приспособились, но и действительно ожидают их использования в более широком диапазоне устройств.

Преимущество емкостных переключателей с точки зрения долговечности заключается в том, что они не имеют движущихся частей или механических компонентов, что означает меньшую вероятность отказа. Устройства такого типа выглядят очень аккуратно, с минимальным количеством щелей и отверстий, что уменьшает количество грязи и пыли, а также защищает от влаги. Плоская поверхность также облегчает регулярную уборку, что особенно полезно в медицинских учреждениях.

Емкостные коммутаторы обычно имеют более тонкий стек или высоту по сравнению с другими зрелыми технологиями пользовательского интерфейса (UI), такими как мембранные коммутаторы.Это придает продукту гладкий, элегантный и компактный дизайн. Поскольку эти переключатели исключают многие уровни конструкции и компоненты из схем, стоимость технологии очень конкурентоспособна.

В ранних разработках емкостных переключателей использовались печатные платы (PCB), а возможности проектирования расширились за счет использования гибких печатных схем, например, гибких печатных схем (FPC), изготовленных из меди. Это позволяет дизайнерам использовать технологию по-новому.

Производство емкостных сенсорных датчиков

Продукты, в которых используются емкостные сенсорные датчики, становятся все более популярными во многих отраслях, таких как автомобилестроение и медицина.Чтобы узнать больше об этих сенсорных датчиках, перейдите на нашу страницу «Возможности производства сенсорных экранов». Или свяжитесь с нами напрямую, чтобы узнать, сможет ли RSP стать идеальным партнером по производству ваших емкостных сенсорных датчиков.

Емкостная сенсорная технология может улучшить взаимодействие с пользователем, включая обратную связь через подсветку или тактильные ощущения (ощущаемый отклик).

Ключевые преимущества емкостной сенсорной технологии:

  • Без движущихся механических компонентов
  • Более тонкий набор
  • Повышенная надежность
  • Подсветка и тактильная интеграция
  • Легкая протирка и очистка
  • Долговечность и надежность
  • Гибкость дизайна
  • Современная эстетика

Интеграция емкостной сенсорной технологии
Существует множество способов интегрировать емкостную сенсорную технологию в дизайн вашего нового продукта.Зачастую самым простым и наиболее экономичным подходом является ламинирование печатного проводящего слоя на нижней стороне сенсорной поверхности. Затем его можно связать с сенсорным микроконтроллером.

Эта технология не ограничивается плоскими поверхностями. Тонкие, гибкие схемы могут соответствовать различным формам и геометрии, позволяя сенсорным поверхностям помещаться в областях, которые были бы невозможны с традиционными переключателями. Если вы рассматриваете литье со вставкой или литье поверх, чувствительные к прикосновениям поверхности могут быть инкапсулированы в литьевые пластмассы, обеспечивая защиту и упрощая окончательную интеграцию.

Факторы, влияющие на конструкцию и рабочие характеристики
Основная цель проектирования емкостных переключателей — свести к минимуму внешние шумы и повысить уровень сигнала для повышения производительности. Внешние помехи потенциально могут привести к ложным срабатываниям и срабатываниям или препятствовать регистрации прикосновения, что может повлиять на производительность и функционирование устройства.

Наиболее распространенные проблемы при проектировании включают наличие воды или влаги, колебания температуры, руки в перчатках и внешний шум (от люминесцентных ламп, электронных устройств и т. д.).). Именно взаимодействие внутренних и внешних факторов в конечном итоге будет определять конструкцию и характеристики каждого емкостного устройства.

Некоторые ключевые факторы, влияющие на конструкцию и производительность, включают:

  • Внешний шум
  • Система обратной связи
  • Тип ввода
  • Подложки
  • Экранирование электромагнитных помех
  • Операционная среда
  • Применение продукта
  • Рабочая температура
  • Диэлектрические (изоляционные) свойства накладки
  • Электрические требования
  • Прошивка
  • Форм-фактор
  • Руки в перчатках
  • Внутренний шум
  • Вода и влага

Применение технологии емкостных датчиков
Все больше продуктов интегрируют емкостные сенсорные элементы управления.Такие отрасли, как медицина, автомобилестроение, бытовая электроника, бытовая техника, аэрокосмическая промышленность и промышленные контроллеры, продолжают уделять особое внимание интеграции.

Общие области применения емкостной сенсорной технологии включают смартфоны, трекпады и планшеты, и это лишь несколько повседневных примеров, которые вы, вероятно, использовали.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.